Отзыв оппонента 1 (Проявления новой физики в ускорительных экспериментах высокой интенсивности)

отзыв официального оппонента на диссертацию Инара Ильдаровича Тимирясова "Проявления новой физики в ускорительных экспериментах высокой интенсивности", представленную на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальностям 01.04.02 - теоретическая физика и 01.04.1б — Физика атомного ядра и элементарных частиц. Исследование возможных проявления так называемой «новой физики», выходящей за пределы Стандартной модели фундаментальных взаимодействий, (СМ) является наиболее актуальной задачей в современной физике частиц. Хорошо известно, что Стандартная модель прекрасно и с высокой точностью описывает физику на электрослабом масштабе.

Кроме того, открьпие бозона Хиггса и измерение его массы продемонстрировала потенциальную возможность самосогласованной экстраполяции СМ в область сверхвысоких энергий (порядка 10"-10" ГэВ). Несмотря на сказанное выше, в СМ существует ряд проблем, как экспериментального, так и теоретического характера. К первым следует, прежде всего, отнести невозможность описания в рамках СМ массивных нейтрино и, как следствие, их осцилляций. В добавок к этому СМ не может объяснить наличие темной материи и барионной асимметрии во Вселенной. Что касается теоретических проблем, то здесь нельзя не отметить широко известную проблему иерархии, связанную со значительным различием электрослабого и планковского масштабов энергий, а также возникающую из-за степенной зависимости массы бозона Хиггса от физики на малых расстояниях проблему сохранения этой иерархии.

В добавок к этому можно упомянуть, что до сих пор остается загадкой причина возникновения наблюдаемого спектра масс и характера смешивания фермионов. Попытки решения указанных выше проблем привели к появлению огромного числа различных моделей, выходящих за пределы СМ. Большинство из них предсказывают новые степени свободы и/или взаимодействия. При этом, сила взаимодействия гипотетических, обычно более тяжелых, частиц с частицами СМ во многом определятся уже известными взаимодействиями.

Это позволяет, исходя из ненаблюдения сигнальных событий, поставить ограничение на основную неизвестную величину — шкалу масс новых степеней свободы. Кроме того, виртуальный обмен гипотетическими тяжелыми степенями свободы может опосредованно влиять на процессы с участием известных частиц при сравнительно низких энергиях. Нетрудно понять, что с точки зрения поисков новой физики наибольшее внимание уделяется редким процессам, запрещенным (или подавленным) в СМ.

В тоже время может возникнуть ситуация, когда неизвестные частицы по тем или иным причинам очень слабо взаимодействуют с полями СМ и их поиск в коллайдерных экспериментах, даже в случае малости соответствующих масс, требует очень большой статистики и оказывается бесперспективным. Именно подобного рода модели и рассматриваются в настоящей диссертации. При этом основное внимание уделяется сравнительному анализу возможности «прямого» детектирования новых частиц в экспериментах с фиксированной мишенью (на примере планируемого эксперимента ЯНРР) и косвенных ограничений на параметры модели, возникающих в космологии и при рассмотрении редких распадов.

Преимуществом экспериментов с неподвижной мишенью является тот факт, что малость констант связи предсказываемых частиц с частицами СМ компенсируется большим числом протон-протонных или протон-электронных столкновений. При этом для надежного детектирования рожденных частиц необходимо, чтобы они распадались в отведенном распадном объеме. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 105 страниц.

Во Введении обсуждается актуальность проводимого исследования, приводятся аргументы в пользу необходимости расширения Стандартной модели и обсуждаются пути решения имеющихся в СМ проблем. Также дан краткий обзор различных возможностей по поиску новых частиц. Особое внимание уделяется перспективам обнаружения проявлений новой физики в ускорительных экспериментах высокой интенсивности и при изучении редких распадов известных частиц. Формулируются основная цель и задачи диссертации, приведены список публикаций автора, список конференций, на которых состоялась апробация полученных результатов, указаны положения, выдвигаемые на защиту.

В Главе 1 рассматривается одно из простейших и естественных расширений СМ вЂ” так называемая чМЯМ вЂ” содержащая в добавок к уже известным частицам три правых нейтрино, которые с необходимостью не заряжены по отношению к калибровочной группе Я)(3)хЯЗ(2)хЩ1) СМ (являются стерильными). Наблюдаемая иерархия масс активных нейтрино возникает за счет механизма типа «качели». Физика стерильных нейтрино определяется их достаточно малым смешиванием с активными нейтрино. Особенностью модели является специальный выбор ее параметров — одно стерильное нейтрино оказывается легким, с массой в районе 1-50 кэВ и составляет темную материю, а два других почти вырождены с массами Мя в районе 0.1-10 ГэВ.

Такие сравнительно малые массы в принципе могут привести к значительным вкладам в низкоэнергетические процессы с участием лишь частиц СМ, которые, однако, могут быль подавлены за счет малости смешивания. Таким образом, указанные выше факторы усиления и подавления конкурируют друг с другом, что в каком-то смысле и мотивирует проводимое в главе исследование. Исходя из наблюдаемых разностей масс активных нейтрино и различных космологических ограничений, рассмотрены возможные интервалы изменения параметров смешивания в зависимости от единственного параметра — массы Мя — и изучены возможные вклады стерильных нейтрино в редкие распады частиц СМ с изменением лептонного аромата (например, и-е конверсия) или полного лептонного числа (безнейтринный двойной бета-распад и пр.). Сравнительный анализ вычисленных ширин распадов и чувствительности текущих и планируемых в ближайшем будущем экспериментов, приводит автора к заключению, что последняя оказывается недостаточной для косвенной проверки чМЯМ (исключением является безнейтиринный бета-распад) и наблюдение любого из этих процессов будет сигнализировать на необходимость введения новой физики помимо чМБМ.

Тем самым делается вывод, что в рамках чМБМ косвенные ограничения не могут конкурировать с ограничениями из космологии и проверка модели оказывается возможной лишь в ускорительных экспериментах высокой интенсивности. Главе 2 посвящена исследованию перспектив косвенной экспериментальной проверки шестимерного обобщения СМ с единственным поколением фермио нов. Особенностью модели является тот факт, что дополнительные измерения представляют собой сферу радиуса В, а наблюдаемые три поколения возникают как нулевые моды, локализованные в поле вихря, и обладающие различной зависимостью от дополнительных координат. В модели предсказывается башня массивных калуца-клейновских мод калибровочных бозонов, приводящих к переходам между поколениями фермионов, причем указанные переходы контролируются в эффективной четырехмерной теории перекрытием соответствующих волновых функций в дополнительных измерениях.

Тем самым встает вопрос о возможности обнаружения косвенных проявления данной модели в процессах с изменением аромата. Для сужения пространства параметров модели используются наблюдаемые значения масс и смешиваний ферм ионов и ставятся ограничения на характерные масштабы полей, формирующих вихрь. При этом предсказания становятся зависимыми лишь от одного дополнительного параметра— радиуса дополнительного измерения В.. В главе рассматриваются различные процессы с участием тяжелых В и Р мезонов и показывается, что наилучшее ограничение на масштаб 1/В.

возникает в трехчастичном распаде В,— ~ Кое — 1/В>3.3 ТэВ, однако эти значения на порядок меньше, чем результат 1М>64 ТэВ, полученный другими авторами при исследование распада каона К вЂ” + ц е. В то же время, одним из основных выводов главы является выделение двух указанных выше мод, наблюдение которых в отсутствие других запрещенных распадов является характерной чертой модели, позволяющей экспериментально отличить ее от других сценариев новой физики. В Главе 3 диссертации автор переходит от рассмотрения косвенных проявлений новой физики в редких и запрещенных процессах СМ к изучению перспектив детектирования относительно легких частиц, слабо взаимодействующих с полями СМ, в планируемом эксперименте ЯН1Р. После краткого обзора характеристик установки и ее преимуществ по сравнению с другими подобными экспериментами с фиксированной мишенью, в качестве объекта исследования рассматривается модель с массивным парафотоном А', взаимодействующим с СМ благодаря малому кинетическому смешиванию с обычным фотоном.

Подобные расширения мотивированы тем, что парафотон может играть роль «портала» в скрытый сектор. В рамках используемых приближений в главе изучены различные механизмы рождения А' при столкновении пучка протонов с фиксированной мишенью (тормозное излучение протонов и вторичных частиц, распады мезонов), а также моды его распада на лептоны и адроны. Проведена оценка полного числа событий, вызванных распадом парафотонов внутри распадного объема детектора ЯН1Р с учетом предполагаемой геометрии последнего. Показано, что для сравнительно малых масс парафотона доминирует вклад от распадов мезонов, а выше порога, связанного с и-мезоном — тормозное излучение протонов.

Вклад от вторичных лептонов оказывается пренебрежимым для всего рассмотренного диапазона масс (от десятков МэВ до нескольких ГэВ. Основным результатом главы является выявление области параметров модели — смешивания и массы, которые могут быть изучены (исключены) в этом эксперименте. Несомненно, подобного рода исследования необходимы для обоснования физической программы ЯН1Р. В Главе 4 продолжено изучение перспектив детектирования частиц новой физики в эксперименте КН1Р в рамках суперсимметричных моделей с нарушением К.-четности. В отличие от большинства сценариев с ненарушенной К-четностью, легчайшее нейтралино оказывается нестабильной и может распадаться только на частицы СМ. Автором рассматриваются случай, когда легчайшее нейтралино в основном является суперпартнером 1)(1) калибровочного бозона СМ («бино») с массой, лежащей в районе нескольких ГэВ, В главе выполнен всесторонний анализ чувствительности ЯН1Р к поискам нейтралино, рожденных не только в распадах заряженных Р-мезонов (как в ранних работах), но и при распадах нейтральных и заряженных ~- и В- мезонов, что позволяет исследовать больший интервал масс для нейтралино.