高能對撞機上TeV物理研究課件

高能物理過程的精確計算中國科學技術大學張仁友2006年10月31日桂林9/3/20231高能物理過程的精確計算中國科學技術大學張仁友8/1.引言標準模型的檢驗

W，Z，top等粒子的物理特性的精確測量…Higgs粒子的尋找與測量

Higgs粒子是否存在

Higgs粒子的物理特性是否是標準模型的Higgs粒子新物理的發(fā)現(xiàn)與精確測量

超對稱，額外維，小Higgs模型…等新模型的發(fā)現(xiàn)；模型參數(shù)測量9/3/202321.引言標準模型的檢驗8/3/20232高能對撞機Tevatron(running)

com:

1.96

TeV

PPbar

lumi:

2E32

cm-2s-1

CDF,D0LHC(2007)

com:

14

TeV

PP

lumi:

2E33

cm-2s-1

@lowluminisity,then2E34

cm-2s-1

ATLAS，CMS，LHCb，AliceLC(inthefuture)e+e-collisionandgamma-gammacollision,ore-gammacollision

NLC,JLC,TESLA,CLIC9/3/20233高能對撞機Tevatron(running)LHC(20大量費曼圖的計算；標量積分函數(shù)的計算；張量積分函數(shù)推導為標量積分函數(shù)的計算；控制數(shù)值計算的精度。多體末態(tài)!高精度！理論上高精度計算存在的四個主要問題:9/3/20234大量費曼圖的計算；多體末態(tài)!理論上高精度計算存在的四個主要問2.量子場論計算的基礎知識可觀測量O的期望值:其中為過程的矩陣元（動力學部分）為相空間體積元9/3/202352.量子場論計算的基礎知識8/3/20235a)費曼規(guī)則:費曼圖數(shù)學表達式

圖形與幅度的轉換過程是按照費曼圖圖形技術中所對應的規(guī)則進行的;外線對應自由波函數(shù)，內線對應著傳播函數(shù)，頂點對應相互作用頂點。例:費米子傳播函數(shù)的規(guī)則和三膠子作用頂點的規(guī)則：

9/3/20236a)費曼規(guī)則:費曼圖數(shù)學表達式

例：矩陣元其中9/3/20237例：8/3/20237二階張量圈圖積分函數(shù)部分：矩陣元中剩余部分：標量積分函數(shù)：9/3/20238二階張量圈圖積分函數(shù)部分：8/3/20238b)IR和UV發(fā)散的正規(guī)化

k0,IR發(fā)散!k

inf,UV發(fā)散!維數(shù)正規(guī)化方案（n=4-2）

UV發(fā)散的l圈圖積分函數(shù)則出現(xiàn)最高達階極點項。

IR發(fā)散的l圈圖積分函數(shù)則可以出現(xiàn)直到階的極點項。9/3/20239b)IR和UV發(fā)散的正規(guī)化8/3/20239c)

N條外線過程的NLO計算含膠子、光子或輕夸克輻射的N+1條外線樹圖的對應幅度產(chǎn)生；實(膠子、光子、輕夸克)輻射過程軟、共線發(fā)散的分離；PDF抵消項貢獻中紅外發(fā)散(共線發(fā)散)的分離；N條外線單圈圖(包括抵消項圖)的對應幅度的產(chǎn)生；計算單圈圖，分離出軟、共線發(fā)散；將上述貢獻相加，消除紫外及紅外發(fā)散；有限貢獻的幅度數(shù)值計算。9/3/202310c)N條外線過程的NLO計算含膠子、光子或輕夸克輻射的N3.單圈標量積分函數(shù)計算

n（=4-2）維下費曼圖對應的幅度可以表示為對張量積分函數(shù)與外部張量S的乘積求和，即其中S只與外線運動學相關．9/3/2023113.單圈標量積分函數(shù)計算n（=4-2）維下費曼圖

I的一般形式為：

對應于對稱張量組合．例如：標量系數(shù)可以通過Passarino-Veltman方法求出．它們由標量積分函數(shù)表示出．上述即為張量積分的約化過程。

9/3/202312I的一般形式為：8/3/202312（1）標量A,B,C,D圈積分函數(shù)定義;

其中:9/3/202313（1）標量A,B,C,D圈積分函數(shù)定義;8/3/202313（2)基本標量積分函數(shù)計算:

以為例來說明標量函數(shù)的計算。1）Feynman或Schwiger參數(shù)化.Feynman參數(shù)化Schwiger參數(shù)化2）積分變量平移.

定義:

9/3/202314（2)基本標量積分函數(shù)計算:以3）Wick旋轉.4）D維歐氏空間的球坐標變換.9/3/2023158/3/2023155）角向及徑向積分.作變換：

并對徑向作積分：有：角向積分：9/3/2023165）角向及徑向積分.角向積分：8/3/202316（3）A,B標量積分函數(shù)的解析結果：G.'tHooftandM.Veltman,NLB153,365(1979)

9/3/202317（3）A,B標量積分函數(shù)的解析結果：G.'對標量五點積分函數(shù)：

(A.DennerandS.Dittmaier,hep-ph/0212259)

(4)五點標量函數(shù)計算:9/3/202318對標量五點積分函數(shù)：(A.DennerandS.Di(5)六點標量積分函數(shù)計算:Guo方法：定義5點和6點標量積分函數(shù)：并用表示消去傳播子后得到的5點函數(shù)。9/3/202319(5)六點標量積分函數(shù)計算:Guo方法：定義5點和6點標定選擇系數(shù)，使得：?。?/3/202320定選擇系數(shù)，使得：8/3/202320得到：其中，為Gram行列式。Binoth的方法：其中：9/3/202321得到：Binoth的方法：其中：8/3/2023219/3/2023228/3/2023224.張量積分函數(shù)計算(1)Passarino-Veltman方法：

例如，對于3點2階張量積分：N點p階張量積分：利用下面的性質降階：9/3/2023234.張量積分函數(shù)計算(1)Passarino-Veltma其中：三、四、五點張量積分函數(shù)推導中出現(xiàn)的Gram矩陣分別為：

將p階的N點張量積分函數(shù)系數(shù)表示為低階張量的N點和N-1,N-2,…的積分函數(shù)系數(shù)。降階過程中會出現(xiàn)Gram矩陣求逆。遞歸地采用PV方法，解線性方程組，最終將張量積分函數(shù)系數(shù)表示為標量積分函數(shù)。9/3/202324其中：三、四、五點張量積分函數(shù)推導中出現(xiàn)的Gram矩陣分別為小結：該方法原則上適用于所有1，2，3，4，5點張量多點積分函數(shù)的計算。這種方法會出現(xiàn)Gram矩陣求逆，當Gram行列式值很小時會產(chǎn)生積分函數(shù)數(shù)值計算的不穩(wěn)定性。四點以下（含四點）積分函數(shù)數(shù)值計算中Gram行列式值很小的區(qū)域僅僅出現(xiàn)在相空間的邊緣附近（如前后向區(qū)，閾值附近）。5點積分函數(shù)數(shù)值計算中Gram行列式值很小的區(qū)域可能出現(xiàn)在相空間中間。9/3/202325小結：8/3/202325(2)Denner-Dittmaier方法:（hep-ph/0212259）9/3/202326(2)Denner-Dittmaier方法:（hep-矢量積分：2階張量積分：9/3/202327矢量積分：2階張量積分：8/3/2023273階張量積分：9/3/2023283階張量積分：8/3/202328該方法避免出現(xiàn)Gram矩陣求逆的計算。9/3/202329該方法避免出現(xiàn)Gram矩陣求逆的計算。8/3/2023295.

六點張量積分的計算（1）Guo方法：利用上式將6點張量積分化為5點同階及低階張量積分。得到的5點張量積由Denner-Dittmaier方法化為5點及更低點標量積分的計算。9/3/2023305.六點張量積分的計算（1）Guo方法：利用上式將6點張9/3/2023318/3/202331(2)Denner-Dittmaier方法：

(hep-ph/0509141)6點張量積分:9/3/202332(2)Denner-Dittmaier方法：(hep張量積分的系數(shù)為:9/3/202333張量積分的系數(shù)為:8/3/2023336.IR發(fā)散的分離（Nucl.Phys.B675(2003)447）

定義變量：一條無質量外線粒子連接兩條無質量的內線傳播子，設外線動量為類光四矢量：發(fā)散發(fā)生在此時傳播子n的動量與外線的動量在共線位形上，因此這種發(fā)散稱為共線發(fā)散。9/3/2023346.IR發(fā)散的分離（Nucl.Phys.B675(20兩個在殼的粒子間交換一個無質量的粒子，此時發(fā)散發(fā)生在，傳播子n的動量，因此這種發(fā)散稱為軟發(fā)散。9/3/202335兩個在殼的粒子間交換一個無質量的粒子，8/3/202335圈積分中的紅外發(fā)散的分離:為了得到維數(shù)正規(guī)化方案下的標量圈積分的表達式，將一個圈積分劃分為有限部分和發(fā)散部分。其中有限部分的計算是與正規(guī)化方案無關，我們可以用標準的程序包FF在質量正規(guī)化方案下計算。而發(fā)散部分可以用相應的3點積分表示。

發(fā)散部分的計算：

其中對于共線發(fā)散：9/3/202336圈積分中的紅外發(fā)散的分離:為了得到維數(shù)正規(guī)化方案下的標量圈積

對于軟發(fā)散：例:五點圖發(fā)散部分的計算9/3/202337對于軟發(fā)散：8/3/202337

根據(jù)前面的公式計算出相應不為零的3點函數(shù)的系數(shù)：9/3/2023388/3/202338最后得到該五點函數(shù)的極點項表達式為：9