[论文解读] Spin Formalism and Applications to New Physics Searches

Howard E. Haber|arXiv (Cornell University)|May 25, 1994

Computational Physics and Python Applications参考文献 11被引用 41

一句话总结

本文全面介绍了粒子物理中自旋形式体系，重点阐述了螺旋度振幅、投影算符方法以及自旋旋量螺旋度技术在衰变和散射过程分析中的应用。结果表明，通过极化和自旋关联分析，可在未来对撞机（如LHC和e+e−直线对撞机）中区分标准模型之外的新物理，例如超对称、扩展的希格斯玻色子结构以及新型规范玻色子。

ABSTRACT

An introduction to spin techniques in particle physics is given. Among the topics covered are: helicity formalism and its applications to the decay and scattering of spin-1/2 and spin-1 particles, techniques for evaluating helicity amplitudes (including projection operator methods and the spinor helicity method), and density matrix techniques. The utility of polarization and spin correlations for untangling new physics beyond the Standard Model at future colliders such as the LHC and a high energy $e^+e^-$ linear collider is then considered. A number of detailed examples are explored including the search for low-energy supersymmetry, a non-minimal Higgs boson sector, and new gauge bosons beyond the $W^\pm$ and $Z$.

研究动机与目标

• 发展并系统化高能物理计算中的自旋形式体系技术。
• 实现对衰变和散射过程中极化与自旋关联的详细分析。
• 将这些技术应用于探测和表征标准模型之外的新物理。
• 提供区分竞争性新物理模型的工具，利用自旋依赖的可观测量。

提出的方法

• 采用螺旋度形式体系描述自旋1/2和自旋1粒子的衰变与散射。
• 应用投影算符方法高效计算螺旋度振幅。
• 采用自旋旋量螺旋度方法实现紧凑且高效的振幅计算。
• 利用密度矩阵技术描述不稳定粒子的产生与衰变。
• 应用Bouchiat-Michel公式将螺旋度振幅与角分布衰变分布关联起来。
• 将形式体系与部分子分布函数结合，预测对撞机参考系中的可观测能量谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统性地将自旋形式体系应用于未来对撞机中的新物理搜索？
• RQ2 极化与自旋关联在区分新物理模型中扮演何种角色？
• RQ3 如何高效计算涉及费米子与矢量玻色子过程的螺旋度振幅？
• RQ4 自旋分析能否解决如超对称伙伴或奇异规范玻色子等新粒子本质的歧义？
• RQ5 CP破坏效应在希格斯玻色子 sector 中会产生何种可观测信号？

主要发现

• 极化与自旋关联为区分标准模型之外的新物理提供了强大工具，尤其在顶夸克、希格斯玻色子及新型规范玻色子参与的过程中表现显著。
• 自旋旋量螺旋度方法可高效计算螺旋度振幅，尤其适用于质量为零或近似为零的粒子过程。
• 在τ→πν衰变中，π介子的能量分布依赖于τ的螺旋度：在W′R衰变中能量更硬，在W′L衰变中能量更软，从而可区分左右手型规范玻色子。
• 在γγ对撞机中，希格斯玻色子的产生截面依赖于希格斯粒子的量子数，而自旋分析可探测希格斯 sector 中的CP破坏效应。
• 通过自旋分辨测量，可探测W+W−Z和W+W−γ顶点的偏离，以及顶夸克衰变中异常耦合的影响。
• 将τ衰变谱的理论预测与部分子分布函数卷积后，W′L与W′R产生模式在可观测谱上表现出可测量的差异，从而实现实验上的区分。