Автореферат (Проявления новой физики в ускорительных экспериментах высокой интенсивности)

На правах рукописиТимирясов Инар ИльдаровичПроявления новой физики в ускорительныхэкспериментах высокой интенсивности01.04.02 – Теоретическая физика01.04.16 – Физика атомного ядра и элементарных частицАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре физики частиц и космологии физическогофакультета МГУ имени М.В.

Ломоносова.Научные руководители:Белокуров Владимир Викторовичд. ф.-м. н., профессорФГБОУ ВО «Московский государственныйуниверситет имени М.В.Ломоносова»Горбунов Дмитрий Сергеевичд. ф.-м. н., профессор РАН,в. н. с. ФГБУН Институт ядерных исследованийРоссийской академии наукОфициальные оппоненты:Бедняков Александр Вадимовичк.

ф.-м. н., с. н. с ЛТФ им. Н.Н. Боголюбова,Объединенный институт ядерных исследованийФаустов Рудольф Николаевичд. ф.-м. н., профессор.г. н. с. Вычислительного центра им. А.А. ДородницынаФИЦ ИУ РАНВедущая организация:Отделение ядерной физики и астрофизикиФГБУН Физический институтим.П.Н. Лебедева Российской академии наукЗащита состоится 16 июня 2016 г. в 16 часов 30 минут на заседании диссертаци­онного совета Д 501.002.10 при Московском государственном университете имениМ.В.Ломоносова, расположенном по адресу: 119991, г.

Москва, Ленинские горы,МГУ, дом 1, стр. 2, физический факультет, СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке МГУ имениМ.В. Ломоносова.Автореферат разослан «»2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.10,доктор физико-математических наук,профессорП.А. ПоляковОбщая характеристика работыАктуальность темы исследования.Бурное развитие физики в прошлом столетии привело к созданиюСтандартной Модели физики элементарных частиц (СМ), основанной натеории электрослабых и сильных взаимодействий.Эта модель проверена во множестве различных экспериментов.Последний и наиболее важный недостающий ингридиент СМ — бозонХиггса — был открыт на Большом Адронном Коллайдере (Large HadronCollider, далее по тексту — LHC) в 2012 году [1, 2].Единственным экспериментально установленным фактом в областифизики частиц, объяснение которого требует выхода за рамки СМ, яв­ляется наблюдение осцилляций нейтрино (основные экспериментальныеи теоретические результаты, связанные с физикой нейтрино, подробнообсуждаются А.

Струмиа и Ф. Виссани в обзоре [3]). В СМ нейтринопредставлены, в отличие от остальных фермионов, только левыми ком­понентами, и для них невозможно выписать калибровочно инвариантноеперенормируемое массовое слагаемое. В результате в СМ сохраняетсялептонное число и запрещены осцилляции, т.е. переходы нейтрино одно­го аромата в нейтрино другого аромата.Другие аргументы в пользу необходимости расширения СМ следу­ют из астрофизических и космологических наблюдений. В данной работезатронуты проблемы темной материи и барионной асимметрии Вселен­ной. Подробное описание этих проблем и ссылки на обзоры можно найтив работе Д. Горбунова и В. Рубакова [4].Помимо указаний, так или иначе связанных с экспериментом, суще­ствуют и сугубо теоретические трудности в самой СМ. Одной из них яв­ляется так называемая проблема калибровочной иерархии [5], связаннаяс квадратичными расходимостями, которые возникают при вычислениипоправок к массе скалярного бозона.Для решения указанных проблем было предложено огромное коли­3чество разнообразных моделей, однако ни одна из них пока не была под­тверждена.

Изучение этих моделей и их возможных проявлений являетсяактуальной задачей как теоретической физики, так и физики элементар­ных частиц.Большинство моделей «новой физики» предполагают существова­ние частиц, которые не представлены в СМ. Поиски этих новых частицмогут вестись по разным направлениям.Во-первых, это могут быть прямые поиски на ускорителях, такихкак LHC.

Можно ожидать, что еще неизвестные, относительно тяжелыечастицы будут рождаться при энергиях, которые доступны для LHC.Во-вторых, нельзя исключить возможность того, что неизвестныечастицы являются достаточно легкими, но при этом очень слабо взаи­модействуют с обыкновенной материей, и поэтому пока не обнаружены.Для прямого поиска таких частиц отлично подходят ускорительные экс­перименты высокой интенсивности.

Примером такого эксперимента яв­ляется предложенный недавно в ЦЕРНе эксперимент с фиксированноймишенью SHiP [6, 7]. В этом эксперименте планируется направить пучокпротонов с энергией 400 ГэВ на неподвижную мишень. В процессе взаи­модействия протонов с мишенью (а также в распадах вторичных частиц)могут рождаться частицы, предсказываемые моделями новой физики.

Завремя сбора данных планируется направить на мишень 2 · 1020 протонов,что обеспечит статистику, достаточную для рождения очень слабо взаи­модействующих частиц.Наконец, можно искать косвенные проявления моделей новой фи­зики. Например, процессы, обусловленные виртуальным обменом неиз­вестной частицей. Вероятности таких процессов в реалистичных моде­лях крайне малы, поэтому их обнаружение возможно в экспериментахвысокой интенсивности, которые позволяют обеспечить необходимую ста­тистику.Цель и задачи диссертационной работы.Основной целью данной работы является определение перспектив4поиска проявлений новой физики в экспериментах высокой интенсивно­сти.

Разумеется, в одной работе невозможно охватить все многообразиемоделей физики за рамками СМ и различных экспериментов, поэтомумы ограничимся анализом конкретных моделей:1. Расширение СМ, позволяющее за счет введения трех правых сте­рильных нейтрино объяснить явления осцилляций, темной материии барионной асимметрии, получило в литературе название MSM(neutrino Minimal Standard Model). Эта модель предполагает су­ществование тяжелых, с массами порядка единиц ГэВ, нейтраль­ных лептонов, смешивающихся с активными нейтрино.

В работе[8] было показано, что прямые поиски этих частиц, например вэкспериментах с фиксированной мишенью, позволят изучить зна­чительную область пространства параметров модели. Посколькустерильные нейтрино (тяжелые лептоны) благодаря смешиванию сактивными нейтрино приводят на однопетлевом уровне к эффек­там, запрещенным в СМ (например, к распадам типа → ), воз­никает задача определить, могут ли поиски подобных косвенныхпроявлений MSM конкурировать с экспериментами по прямомуобнаружению стерильных нейтрино.2. В модели с большими дополнительными измерениями и одним по­колением имеются тяжелые моды калибровочных бозонов, в резуль­тате обмена которыми могут идти процессы с несохранением леп­тонного числа.

В работе [9] рассматривались редкие процессы сучастием каонов, и было получено ограничение на размер дополни­тельных измерений. В настоящее время стремительно развиваетсяфизика тяжелых мезонов, поэтому встает задача изучения редкихпроцессов с участием B- и D- мезонов и получения новых ограни­чений на размер дополнительных измерений.3. Простое, но по-прежнему феноменологически интересное расшире­ние СМ, содержащее массивные «парафотоны» (векторные бозоны,5смешивающиеся с фотоном), позволяет проиллюстрировать основ­ные особенности поиска новой физики в экспериментах с фиксиро­ванной мишенью.

Для этой модели требуется определить областьпространства параметров (которая в простейшем случае являет­ся плоскостью масса - смешивание), к которой будет чувствителенпланируемый эксперимент SHiP.4. В минимальном суперсимметричном расширении СМ с нарушен­ной -четностью необходимо определить область пространства па­раметров, к которой будет чувствителен SHiP. Также, анализируяопубликованные данные по поиску стерильных нейтрино, которыйпроводился в эксперименте с фиксированной мишенью CHARM,можно получить ограничения на эту область.Научная новизна и практическая значимость.В диссертации исследованы редкие процессы с нарушением лептон­ного числа и аромата в модели MSM.

Для значений масс и углов сме­шивания стерильных нейтрино, при которых модель успешно объясняетосцилляции нейтрино, барионную асимметрию Вселенной и наличие тем­ной материи, впервые получены теоретические предсказания интенсив­ностей этих процессов. Значимость этих результатов состоит в том, чтоони позволяют определить стратегию поиска проявлений MSM.

В экспе­риментах по поиску редких процессов не удастся поставить ограниченияна параметры модели или найти ее проявления. Следовательно, предпо­чтение должно отдаваться экспериментам с фиксированной мишенью, вкоторых возможно прямое рождение стерильных нейтрино.В рамках модели с большими дополнительными измерениями и од­ним поколением впервые проанализированы процессы с участием тяже­лых мезонов.

Показано, что наибольший интерес в рамках этой моделипредставляет процесс трехчастичного распада -мезона на каон, мюони электрон.В работе впервые получены теоретические предсказания для чув­6ствительности планирующегося в ЦЕРНе эксперимента SHiP к парафо­тонам — гипотетическим векторным частицам, смешивающимся с фо­тонами. Эти результаты вошли в физическую программу экспериментаSHiP.В диссертации получены теоретические предсказания для чувстви­тельности эксперимента SHiP к нейтралино в минимальной суперсиммет­ричной модели с нарушенной -четностью. Рассмотрены новые каналырождения и распада нейтралино в условиях этого эксперимента. Эти ре­зультаты могут быть использованы для установления ограничений нанарушающие -четность параметры в случае отсутствия сигнала в экс­периментальных данных.Также впервые получены ограничения на параметры минимальнойсуперсимметричной модели с нарушенной -четностью, основанные наанализе данных эксперимента CHARM.Положения, выносимые на защиту:1.

Вычисление интенсивностей редких процессов с нарушением леп­тонного аромата и полного числа лептонов в MSM для значенийпараметров модели, при которых она одновременно описывает ос­цилляции нейтрино и объясняет явления темной материи и бари­онной асимметрии Вселенной.2. Определение значения эффективной массы нейтрино для процессабезнейтринного двойного бета-распада в случае прямой и обратнойиерархии масс в рамках MSM.3.