Отзыв научного руководителя Горбунова Д.С. (Проявления новой физики в ускорительных экспериментах высокой интенсивности)

Отзыв научного руководителя на диссертацию Инара Ильдаровича Тимиряеовв «Проявления новой физики в ускорительных экспериментах высокой интенсивности», представленнучо на соискание степени кандидата физико-математических наук па специальностям 01.04.02, теоретическая физика, и 01,04.1б, физика атомного ядра и элементарных частиц. Диссертационная работа И. И.

Тимирясова посвящена изучению перспектив поиска новых гипотетических частиц в строящихся и планируемых ускорительных экспериментах. Подобные частицы предсказываются во многих обобщениях Стандартной модели физики частиц, призванных решить общепризнанные теоретические и феноменологические проблемы, что демонстрирует важность диссертации. Сложность современных экспериментальных установок, как правило, не позволяет вести поиск новых эффектов без четкого представления о том, как онн могли бы выглядеть, без предсказаний, полученных в рамках конкретных моделей новой физики.

Более того, эти предсказания нужны уже на предварительном этапе обсуждения базовой конструкции установки и ее основных технических характеристик, нбо именно эти предсказания и определяют степень востребованности данного экспериментального проекта и перспективы его развития. В настоящее время идет работа над несколькими ускорнтельными проектами с высокой интенсивностью пучков, что подтверждает актуальность рассматриваемой диссертации.

Нейтринные осцилляции, проблемы темной материи и барионной асимметрии Вселенной, другие загадки физики частиц говорят о неполноте Стандартной модели. Ряд весомых теоретических аргументов указывает на то, что энергетический масштаб решающих эти загадки обобщений Стандартной модели не должен заметно превышать электрослабый масштаб, а значит соответствующие новые частицы могут рождаться в столкновениях протонов на Большом адроином коллайдере. Результаты последнего, однако, (пока?) вполне согласутотся с предсказаниями Стандартной модели и не требуют введения в физику никаких новых элементарных частиц или фундаментальных взаимодействий.

Поскольку новая физика необходима 1в том числе) для решения обозначенных выше феноменологических проблем, в сложившейся на сегодня ситуации напрашиваются две возможные альтернативы. Первая состоит в том, что несмотря на теоретические аргументы масштаб масс новых частиц 1сушественно) превышает электрослабый масштаб, а потому их рождение в столкновениях протонов на Большом адрон нам коллайдере запрещено кинематически. Вторая заключается в том, гго хотя новые частицы действительно легкие, нх взаимодействие с частицами Стандартной модели существенно слабее, чем взаимодействия известных частиц между собой, и события с их рождением в столкновения протонов очень редки, а потому не заметны.

Диссертант развивает вторую альтернативу, исследуя перспективы проверки предсказаний нескольких конкретных моделей на проектируемых экспериментальных установках. Речь в первую очередь идет об ускорительных экспериментах с пучком частиц (протонов, электронов), рассеивающихся на мишени. Высокая интенсивность пучка (а современные ускорительные комплексы предоставляют возможность ускорять до 10 21 протонов в год) позволяет изучать очень редкие процессы, непосредственно происходящие в столкновении (например, прямое рождение новых гипотетических частиц) или проявляющиеся в ходе последующего распространения продуктов рассеяния (напрнмер, появление новых частиц в распадах рожденных на мишени известных частиц).

На высокоинтенсивных установках можно искать и редкие непрямые проявления новой физики (например, редкие распады известных частиц в известные частицы), которые предсказываются в рамках обеих альтернатив. Все эти процессы входят в списки физических программ современных проектов высокоинтенснвных установок, и данная диссертация дает этим программам конкретное наполнение. В Главе ! рассматрившотся перспективы непрямого поиска стерильных нейтрино в рамках известной в литературе модели ппМЯМ, где к набору частиц Стандартной модели добавляются три нейтральных массивных майо рановских ферми она.

(Окавское взаимодействие с полем Браута — Энглера — Хиггса после нарушения элсктрослабой симметрии приводит к смешиванию новых фермионов с нейтрино Стандартной модели, в результате чего последние приобретают массы, и тем объясняют нейтринные осцилляции. Фермионы получили название стерильных нейтрино, легчайший из них может быть кандидатом на роль частиц тймной материи, а два тяжелых при определенных условиях на параметры модели могут привести к образованию лептонной асимметрии в плазме ранней Вселенной и тем объяснить отсутствие антиматерии в современном мире. Это очень экономная модель, позволяющая с введением всего трех фермионов одновременно решить сразу несколько важнейших феноменологических проблем физики частиц. В литературе подробно исследовались возможности прямого поиска стерильных нейтрино модели ппМЯМ, а также перспективы орбитальных рентгеновских телескопов по поиску сигнала от двухчастичного радиационного распада нейтрино темной материи, И.

И. Тимирясов получил предсказания данной модели для экспериментов по поиску редких процессов с нарушением лептонных чисел, являющихся более универсальными инструментами в исследовании обобщений Стандартной модели. В согласии с ожиданиями, полученные значения для темпов этих процессов и других наблюдаемых оказались ничтожно малыми, недоступными при современных технологиях.

Этот результат окончательно подтвердил безальтернативность прямых поисков стерильных нейтрино для проверки модели пцМЯМ. В Главе 2 обсуждается модель с двумя дополнительными пространственными измерениями, в которой топологические особенности позволяют отождествить три поколения материи Стандартной модели с тремя различными модами, локализованными на вихреподобной конфигурации. Такое элегантное решение проблемы поколений дайт весьма специфические предсказания для редких распадов известных частиц (мезонов„ барионов), обусловленных квантовыми поправками новых тяжелых частиц, нарушающих соответствующие симметрии Стандартной модели. Диссертант предложил новые редкие процессы для проверки данной модели н получил предсказания для темпов их протекания и других наблюдаемых. Главы 3 н 4 посвящены выяснению перспектив эксперимента ЯН1Р по поиску массивных парафотонов и легких нейтралино, соответственно.

Это новый проект эксперимента с фиксированной мишенью на пучке протонов ЯРБ в СЕВЫ, в физическую программу которого вошли результаты, полученные диссертантом. Инициативная группа сформировалась всего несколько лет назад, и И.И. Тимирясов непосредственно взаимодействуя с экспериментаторами и феноменологами участвовал в получении самых предварительных оценок чувствительности ЯН(Р к разным моделям новой физики. Вошедшие в диссертацию результаты относятся к двум моделям, предсказывающим существование легких нейтральных бозонов (парафотон) и фермионов (нейтралино), и представляющим непосредственный феноменологический интерес, поскольку рождение этих частиц на мишени и нх последующий распад в детекторе дает основные универсальные сигнатуры, позволяющие искать аналогичные легкие частицы в любой другой модели.

Распад фермиона будет зарегистрирован как исхолязпая из единой вершины пара заряженных частиц, распад бозона дает пару исходящих из единой вершины заряженных частиц с фиксированной инвариантной массой. Диссертант оценил чувствительность ЯЙР к модельным параметрам, учитывая геометрию установки, различные каналы рождения и распада. Для парафотонов также были учтены механизмы вторичного рождения„кроме того впервые для экспериментов на мишени при вычислении темпа рождения учитывался конечный размер протона.

Работая над диссертацией И.И. Тимирясов зарекомендовал себя как настойчивый и самостоятельный физик-теоретик. Он успешно использовал современные численные алгоритмы, применяемые для описания распространения и взаимодействия частиц в веществе, демонстрировал способность быстро и правильно разбираться в новом материале.