Диссертация (Проявления новой физики в ускорительных экспериментах высокой интенсивности)

Московский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваФизический факультетКафедра физики частиц и космологииНа правах рукописиТимирясов Инар ИльдаровичПроявления новой физики в ускорительныхэкспериментах высокой интенсивности01.04.02 – Теоретическая физика01.04.16 – Физика атомного ядра и элементарных частицДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительд. ф.-м. н., проф.Белокуров Владимир ВикторовичНаучный руководительд. ф.-м. н., проф. РАНГорбунов Дмитрий СергеевичМосква – 20162СодержаниеВведение . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 1.4Перспективы косвенных поисков стерильных нейтрино 161.1. MSM: описание и феноменология . . . . . . . . . . . . . . . . .181.2. Процессы, нарушающие лептонный аромат . . . . . . . . . . . .241.3. Распад → ′ ′ ′′ . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .271.4. Процессы с несохранением лептонного числа . . . . . . . . . . .271.5. Дипольный момент перехода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311.6. Перспективы поисков косвенных проявлений MSM32Глава 2.. . . . . .Физика тяжелых мезонов в модели с большими допол­нительными измерениями . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .342.1. Описание модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .342.2. Эффективный лагранжиан . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .372.3. Редкие процессы с участием -мезонов . . . . . . . . . . . . . .412.4. Ограничения из других процессов . . . . . . . . .

. . . . . . . .532.5. Результаты главы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54Глава 3.Поиск парафотонов в эксперименте SHiP . . . . . . .563.1. Эксперимент по поиску скрытых частиц SHiP . . . . . . . . . .563.2. Модель с парафотонами . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .593.3. Механизмы рождения парафотона . . . . . . . . . . . . . . . . .603.4. Каналы распада парафотона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .663.5. Интенсивность сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.683.6. Обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73Глава 4.Поиск легкого нейтралино в эксперименте SHiP . . .7534.1. Суперсимметрия с нарушенной -четностью: рождение и рас­пад легких нейтралино . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .774.2. Интенсивность сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .814.3. Чувствительность SHiP и ограничения CHARM . . . . . . . . .864.4. Обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89Заключение . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .954ВведениеАктуальность темы исследования.Бурное развитие физики в прошлом столетии привело к созданию Стан­дартной Модели физики элементарных частиц (СМ), которая основана на тео­рии электрослабых [1–3] и сильных [4, 5] взаимодействий.Эта модель проверена во множестве различных экспериментов. Особен­но впечатляющим является результат измерения аномального магнитного мо­мента электрона [6]. Последний и наиболее важный недостающий ингридиентСМ — бозон Хиггса — был открыт на Большом Адронном Коллайдере (LargeHadron Collider, далее по тексту — LHC) в 2012 году [7, 8].Единственным экспериментально установленным фактом в области фи­зики частиц, объяснение которого требует выхода за рамки СМ, является на­блюдение осцилляций нейтрино (основные экспериментальные и теоретическиерезультаты, связанные с физикой нейтрино, подробно обсуждаются А.

Стру­миа и Ф. Виссани в обзоре [9]). В СМ нейтрино представлены, в отличие отостальных фермионов, только левыми компонентами, и для них невозможновыписать калибровочно инвариантное перенормируемое массовое слагаемое. Врезультате в СМ сохраняется лептонное число и запрещены осцилляции, т.е.переходы нейтрино одного аромата в нейтрино другого аромата.Другие аргументы в пользу необходимости расширения СМ следуют изастрофизических и космологических наблюдений. В данной работе будут за­тронуты проблемы темной материи и барионной асимметрии Вселенной (по­дробное описание этих проблем и ссылки на обзоры можно найти в работе Д.Горбунова и В. Рубакова [10]).Имеется несколько указаний на существование темной материи.Во-первых, это астрономические наблюдения за звездами и облаками га­за в галактиках.

Промеренные кривые вращения галактик, т.е. зависимости5скорости вращения объектов от их расстояния до центра, не согласуются спредсказаниями, основанными на распределении видимого вещества. Одно изобъяснений этого явления заключается в том, что видимое вещество галактикпогружено в гало, состоящее из частиц темной материи, которые не взаимо­действуют (или взаимодействуют очень слабо) с частицами СМ, и потому невидны.Во-вторых, на наличие темной материи указывают данные по распреде­лению массы в скоплениях галактик.

Методы измерения распределения плот­ности вещества основываются на явлении гравитационного линзирования —отклонения света от удаленных источников в поле, создаваемом гравитирую­щей материей. Оказывается, что светящееся вещество составляет незначитель­ную часть массы скоплений, а основная масса приходится на темную материю.Интересно отметить, что совсем недавно удалось, зная распределение темнойматерии, предсказать [11] повторную (за счет эффекта линзирования) вспыш­ку сверхновой, которая была вскоре обнаружена [12].Наконец, темная материя является важным компонентом современнойкосмологической модели ΛCDM (Cold Dark Matter), предсказания которой под­тверждаются современными наблюдениями [10].Безусловным указанием на наличие барионной асимметрии является то,что окружающий нас мир состоит из вещества, а не из антивещества.

Болеетого, если бы существовали области, состоящие из антивещества, то от граництаких областей шел бы характерный сигнал, вызванный аннигиляцией веще­ства и антивещества. Барионное число, как и лептонное число, сохраняетсяв СМ, поэтому для возникновения барионной асимметрии необходимо пред­ложить какой-либо механизм. Отсутствие такого механизма в СМ принятоназывать проблемой Барионной Асимметрии Вселенной.Помимо указаний, так или иначе связанных с экспериментом, существуюти сугубо теоретические проблемы в самой СМ.

Одной из них является так на­6зываемая проблема калибровочной иерархии [13], связанная с квадратичнымирасходимостями, которые возникают при вычислении поправок к массе ска­лярного бозона. Дело в том, что существует по меньшей мере два одинаковофундаментальных масштаба: электрослабый ∼ 103 ГэВ и планковский√︀ = 1/8 ∼ 2.4·1018 ГэВ 1 . Для того, чтобы получить малую массу бозо­на Хиггса при условии существования двух сильно отличающихся масштабов,требуется тонкая подстройка параметров в каждом порядке теории возмуще­ний.Для решения указанных проблем было предложено огромное количестворазнообразных моделей, однако ни одна из них пока не была подтверждена.Изучение этих моделей и их возможных проявлений является актуальной зада­чей как теоретической физики, так и физики элементарных частиц.

Иллюстра­цией интереса к новой физике является настоящий шквал теоретических работ(более 200 за два месяца), вызванный объявлением о возможном наблюдении(с достоверностью 3.6 стандартных отклонения) распада новой тяжелой части­цы, сделанным сразу двумя экспериментальными коллаборациями [14, 15].Большинство моделей «новой физики» предполагают существование ча­стиц, которые не представлены в СМ. Поиски этих новых частиц могут вестисьпо разным направлениям.Во-первых, это могут быть прямые поиски на ускорителях, таких какLHC. Можно ожидать, что еще неизвестные, относительно тяжелые частицыбудут рождаться при энергиях, которые доступны для LHC.Во-вторых, нельзя исключить возможность того, что неизвестные части­цы являются достаточно легкими, но при этом очень слабо взаимодействуют собыкновенной материей, и поэтому пока не обнаружены. Для прямого поискатаких частиц отлично подходят ускорительные эксперименты высокой интен­сивности.

Примером такого эксперимента является предложенный недавно в1Во всей диссертации используется система единиц ~ = = 1.7ЦЕРНе эксперимент с фиксированной мишенью SHiP [16, 17]. В этом экспе­рименте планируется направить пучок протонов с энергией 400 ГэВ на непо­движную мишень. В процессе взаимодействия протонов с мишенью (а такжев распадах вторичных частиц) могут рождаться частицы, предсказываемыемоделями новой физики.

За время сбора данных планируется направить намишень 2 · 1020 протонов, что обеспечит статистику, достаточную для рожде­ния очень слабо взаимодействующих частиц.Наконец, можно искать косвенные проявления моделей новой физики. На­пример, эффекты, вызванные обменом очень тяжелой частицей, или эффекты,обусловленные виртуальным обменом неизвестной частицей.В данной диссертационной работе мы сосредоточимся на последних двухнаправлениях и рассмотрим несколько различных моделей физики за преде­лами СМ, призванных решить указанные проблемы.Начнем с проблемы нейтринных осцилляций. Переходы между нейтриноразного аромата могут быть описаны прибавлением к лагранжиану СМ непе­ренормируемого слагаемого видаΔℒ = ¯ · Φ̃)( · Φ̃* )(,Λ(1)в котором обозначает левый (2) дублет лептонов (индексом обозначе­но зарядовое сопряжение), Φ — хиггсовский дублет (Φ̃ = Φ* ), — безраз­мерные константы, а Λ — новый энергетический масштаб.

Разумеется, хотелосьбы описать осцилляции не вводя нового масштаба и не жертвуя перенорми­руемостью. Для этого необходимо добавить новые массивные майорановскиефермионы, взаимодействующие с дублетом левых лептонов и хиггсовским дуб­летом. Обмен этими частицами приведет к возникновению слагаемого, анало­гичного слагаемому (1). Эти фермионы, синглетные по полной калибровочнойгруппе СМ (3) × (2) × (1) и имеющие правую киральность, полу­чили в литературе название «стерильные» нейтрино.

Диагонализация массо­8вой матрицы в секторе нейтрино приводит к существованию шести массивныхсостояний, три из которых — активные нейтрино — смешиваются с тремя сте­рильными нейтрино. Малость масс активных нейтрино при этом обеспечивает­ся так называемым механизмом качелей первого типа, суть которого заключа­ется в возникновении двух разных масштабов масс при диагонализации массо­вой матрицы специального вида. Число свободных параметров в таком сцена­рии существенно больше, чем требуется для описания осцилляций. Используяпроизвол в выборе параметров, можно попытаться решить проблемы, возни­кающие в космологии.

Данную программу удалось реализовать М. Шапошни­кову, Т. Асаке и С. Бланше в работах [18, 19]. Такая модель, позволяющаяпосредством введения трех стерильных нейтрино объяснить осцилляции ней­трино, барионную асимметрию Вселенной и темную материю (образованнуюкэВ-ными стерильными нейтрино), получила в литературе название MSM(neutrino Minimal Standard Model). Стерильные нейтрино, которые вводятся вэтой модели, за счет смешивания с обыкновенными нейтрино могут рождатьсяв распадах частиц, таких как D- и B- мезоны, а также распадаться в частицыСМ2 . Это делает возможным их прямое обнаружение в экспериментах высокойинтенсивности. Отметим, что первоначальной мотивацией эксперимента SHiPбыл именно поиск стерильных нейтрино MSM [16].Самым популярным решением проблемы калибровочной иерархии явля­ется суперсимметрия.

Это симметрия между бозонами и фермионами, котораяставит каждой частице в соответствие (в минимальном случае одну) частицу­суперпартнер, отличающуюся от исходной только спином. Суперсимметрияпозволяет решить проблему квадратичных расходимостей, поскольку вкладсуперпартнеров сокращает квадратично расходящиеся поправки. Разумеется,эта симметрия не может быть точной, так как не существует, например, ча­2В связи с чем термин «стерильные» нейтрино является не совсем точным, поэтому в литературетакже употребляется термин «тяжелые нейтральные лептоны».9стицы с массой, равной массе электрона, и целым спином.