研究方向: TeV能量区间的新物理及其在大型强子对撞机上的唯象学

粒子物理研究的目标是:寻找宇宙的基本组成成分及基本相互作用。迄今为止,人们已发现的基本粒子包括:6种夸克、6种轻子、4个玻色子和1个标量场粒子。自然界中存在四种基本相互作用:引力、电磁、弱和强相互作用。寻找将4种相互作用统一起来的“终极理论”是理论物理学家的梦想。粒子物理的标准模型成功地将电磁相互作用和弱相互作用在弱电能标(~1011 eV)统一起来,其理论预言已经在极高的精度上被大量实验验证。尽管如此,标准模型在理论上仍存在一些不足,这些不足预示着在TeV能量区间(1012 eV)存在超出标准模型之外的新物理。历经历时十余年建造并于2009年末正式投入运行的位于欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)的一项主要目标就是寻找超出标准模型的新物理。这是当前高能粒子物理的核心任务,也是本人的主要研究方向。

1. 顶夸克物理
顶夸克自从被发现以来,一直是国际高能粒子物理界研究的热点方向。顶夸克是大量新物理模型中新粒子的衰变产物,因而被普遍认为是寻找新物理最有效的探针之一。作为标准模型中最重的费米子,顶夸克的寿命短于强子化的时间,因此其极化信息被完整地保留在衰变产物的分布中。通过有效测量顶夸克衰变产物的分布,人们可以得到顶夸克的极化信息。研究如何有效地重建对撞机上的顶夸克事例并探测顶夸克极化性质是本人研究方向之一。利用顶夸克的极化信息探索新物理模型中的新粒子的自旋信息及其与标准模型粒子相互作用的手征性质,将有助于人们了解新物理模型的对称性结构。

2. 新物理信号的寻找
由于LHC具有极高的质心系能量,它可以被用来直接探测TeV能区的新粒子。这些新粒子的候选者包括:重费米子,额外的规范玻色子,新的标量粒子,引力子等等。寻找和测量新粒子的性质将帮助人们确定或排除相关的新物理模型。

3. 微扰量子色动力学(pQCD)在LHC上的应用
对新物理信号及相应标准模型背景过程的截面的精确理论预言是发现新物理的必要条件。LHC是一台强子对撞机,其上各种过程截面的pQCD修整效应往往不可忽略。然而目前对很多新物理过程的研究仍然仅仅停留在领头阶水平,这就带来了极大的理论不确定性。次领头阶pQCD和电弱辐射修整的高圈计算将帮助人们了解相关新物理过程的正确的重整化标度和因子化标度,从而减少理论误差。

4. 粒子宇宙学
大量宇宙学实验显示,宇宙中存在大量暗物质。但对于暗物质是否具有粒子物理起源,目前物理学界还存在一定的分歧。构建粒子物理模型并用来解释当今为数众多的暗物质观测实验是当前国际粒子物理学界的热点方向。受实验手段的限制,目前各种直接或间接探测暗物质的实验大多数还只能给出比较粗略的结果,很难确定暗物质的内禀属性(质量、自旋等)。通过研究LHC上暗物质伴生产物的自旋关联来探索暗物质的属性,进一步鉴别和排除众多暗物质模型也是本人的工作方向之一。


TeV physics and LHC phenomenolgy


My research focuses on devising strategies to establish the Standard Model (SM) and to discover new physics at the Large Hadron Collider (LHC), followed by making the connection to astrophysical observations. My recent research activities include collider phenomenology of various new physics models, SM Higgs boson search, top quark physics, electroweak precision measurements and particle cosmology.

Many new physics models have been proposed to solve the hierarchy problem, electroweak symmetry breaking, and flavor symmetry breaking, etc. They also predict interesting collider signatures. One of my big interests is to search and verify those new physics signatures at the LHC, either directly (named top-down approach) or indirectly (called bottom-up approach). In the top-down approach one searches for exotic collider signatures predicted by a specific new physics model. On the contrary, the bottom-up approach is model independent as new heavy particles decouple from low energy scale and affect the SM couplings via the virtual effects. Precision measurements would shed light on new physics.