Эффекты новой физики в моделях с расширенной цветовой симметрией

Íà ïðàâàõ ðóêîïèñèÌÀÐÒÛÍΠÌÈÕÀÈË ÂÈÊÒÎÐÎÂÈ×Ýôôåêòû íîâîé ôèçèêè â ìîäåëÿõñ ðàñøèðåííîé öâåòîâîé ñèììåòðèåéÑïåöèàëüíîñòü 01.04.02 òåîðåòè÷åñêàÿ ôèçèêàÀÂÒÎÐÅÔÅÐÀÒäèññåðòàöèè íà ñîèñêàíèå ó÷åíîé ñòåïåíèêàíäèäàòà ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóêßðîñëàâëü 2012Ðàáîòà âûïîëíåíà íà êàôåäðå Òåîðåòè÷åñêîé ôèçèêè ßðîñëàâñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãîóíèâåðñèòåòà èì. Ï. Ã. Äåìèäîâà.Íàó÷íûé ðóêîâîäèòåëü:Ñìèðíîâ Àëåêñàíäð Äìèòðèåâè÷,äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð,ßðîñëàâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò.Îôèöèàëüíûå îïïîíåíòû:Âîëîáóåâ Èãîðü Ïàâëîâè÷,äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, â.í.ñ.,ÎÒÔÂÝ ÍÈÈßÔ ÌÃÓ, ã. Ìîñêâà;Ôàóñòîâ Ðóäîëüô Íèêîëàåâè÷,äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð,ÂÖ ÐÀÍ, ã. Ìîñêâà.Âåäóùàÿ îðãàíèçàöèÿ:Ôåäåðàëüíîå ãîñóäàðñòâåííîå áþäæåòíîå ó÷ðåæäåíèå íàóêè ¾Èíñòèòóò ÿäåðíûõ èññëåäîâàíèé Ðîññèéñêîé àêàäåìèè íàóê¿.Çàùèòà ñîñòîèòñÿ ¾¿2012 ã.

â÷àñîâ íà çàñåäàíèè äèññåð-òàöèîííîãî ñîâåòà Ä 501.002.10 ïðè Ìîñêîâñêîì ãîñóäàðñòâåííîì óíèâåðñèòåòå èìåíèÌ.Â.Ëîìîíîñîâà ïî àäðåñó: 119991, Ìîñêâà, ÃÑÏ-1, Ëåíèíñêèå ãîðû, ÌÃÓ, ôèçè÷åñêèéôàêóëüòåò, àóäèòîðèÿ ÑÔÀ.Ñ äèññåðòàöèåé ìîæíî îçíàêîìèòüñÿ â Îòäåëå äèññåðòàöèé Íàó÷íîé áèáëèîòåêè ÌÃÓèìåíè Ì.Â.Ëîìîíîñîâà (Ëîìîíîñîâñêèé ïðîñïåêò ä.27).Àâòîðåôåðàò ðàçîñëàí ¾¿2012 ã.Îòçûâû è çàìå÷àíèÿ ïî àâòîðåôåðàòó â äâóõ ýêçåìïëÿðàõ, çàâåðåííûå ïå÷àòüþ, ïðîñüáà âûñûëàòü ïî âûøåóêàçàííîìó àäðåñó íà èìÿ ó÷åíîãî ñåêðåòàðÿ äèññåðòàöèîííîãî ñîâåòà.Ó÷åíûé ñåêðåòàðüäèññåðòàöèîííîãî ñîâåòà Ä 501.002.10,äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîðÏîëÿêîâ Ï.

À.Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ðàáîòûÖåëü äèññåðòàöèîííîé ðàáîòû. Íàñòîÿùàÿ äèññåðòàöèÿ ïîñâÿùåíà òåîðåòè÷åñêîìó èññëåäîâàíèþ âîçìîæíûõ ýôôåêòîâ ÷åòûðåõöâåòîâîé ñèììåòðèè êâàðêîâ è ëåïòîíîâ è ýôôåêòîâ êèðàëüíîé öâåòîâîé ñèììåòðèè êâàðêîâ ïðè âûñîêèõ è óìåðåííûõ (äîñòèæèìûõíà Òýâàòðîíå è LHC) ýíåðãèÿõ. Èññëåäóþòñÿ âîçìîæíûå âêëàäû íîâûõ ñêàëÿðíûõ è êàëèáðîâî÷íûõ ÷àñòèö, ïðåäñêàçûâàåìûõ óêàçàííûìè ñèììåòðèÿìè, â íàáëþäàåìûå âåëè÷èíû è âîçìîæíîñòè ïðîÿâëåíèÿ òàêèõ ÷àñòèö íà Òýâàòðîíå è LHC. îñíîâå äèññåðòàöèè ëåæàò ðåçóëüòàòû ðàáîò, âûïîëíåííûõ àâòîðîì â 2007-2012 ãã.

âßðîñëàâñêîì ãîñóäàðñòâåííîì óíèâåðñèòåòå.Èññëåäîâàíèÿ âûïîëíÿëèñü â ðàìêàõ ðåàëèçàöèè ïðîåêòîâ Ï-2496 è Ï-795 Ôåäåðàëüíîé öåëåâîé ïðîãðàììû "Íàó÷íûå è íàó÷íî-ïåäàãîãè÷åñêèå êàäðû èííîâàöèîííîé Ðîññèè".Àêòóàëüíîñòü ðàáîòû. Ñòàíäàðòíàÿ ìîäåëü (ÑÌ) ýëåêòðîñëàáîãî è ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèé, îñíîâàííàÿ íà êàëèáðîâî÷íîé ãðóïïåGSM = SUc (3) × SUL (2) × U (1),(1)äî íàñòîÿùåãî âðåìåíè ïîêàçûâàåò õîðîøåå ñîãëàñèå ñ ýêñïåðèìåíòîì è èìååò âûñîêóþïðåäñêàçàòåëüíóþ ñïîñîáíîñòü. Âìåñòå ñ òåì èìååòñÿ ðÿä ñîîáðàæåíèé, óêàçûâàþùèõ íàòî, ÷òî Ñòàíäàðòíàÿ ìîäåëü, ïî-âèäèìîìó, íå ÿâëÿåòñÿ îêîí÷àòåëüíîé ôóíäàìåíòàëüíîéòåîðèåé, à ëèøü íèçêîýíåðãåòè÷åñêèì ïðåäåëîì íåêîòîðîé áîëåå ôóíäàìåíòàëüíîé òåîðèè, è ïîèñêè âîçìîæíûõ ðàñøèðåíèé ÑÌ ñîñòàâëÿþò îäíî èç íàïðàâëåíèé èññëåäîâàíèéñîâðåìåííîé ôèçèêè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö.Ñðåäè âîçìîæíûõ ðàñøèðåíèé ÑÌ ðàññìàòðèâàëèñü ìîäåëè Âåëèêîãî îáúåäèíåíèÿ(GUT), ñóïåðñèììåòðè÷íûå ìîäåëè, ëåâî-ïðàâî-ñèììåòðè÷íûå SUL (2) × SUR (2) × U (1) ìîäåëè, ìîäåëè ñ äâóìÿ õèããñîâñêèìè äóáëåòàìè, ìîäåëè Òåõíèöâåòà (Technicolor), LittleHiggs-ìîäåëè è äð.

Ñðåäè òàêèõ ìîäåëåé íàèáîëüøèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ìîäåëè, ïðåäñêàçûâàþùèå ýôôåêòû íîâîé ôèçèêè, äîñòóïíûå èõ íåïîñðåäñòâåííîé ýêñïåðèìåíòàëüíîéïðîâåðêå ïðè ýíåðãèÿõ äåéñòâóþùèõ óñêîðèòåëåé è óñêîðèòåëåé áëèæàéøåãî áóäóùåãî.Îñîáî èíòåðåñíûìè ïðåäñòàâëÿþòñÿ ìîäåëè, îñíîâàííûå íà íåêîòîðûõ åñòåñòâåííûõðàñøèðåíèÿõ ñèììåòðèè ÑÌ (1) (óïîìÿíóòûå âûøå ñóïåðñèììåòðèÿ, ïðàâàÿ SUR (2)-ñèììåòðèÿ è äð.), ýêñïåðèìåíòàëüíûå ñëåäñòâèÿ êîòîðûõ ìîãóò áûòü ïðîâåðåíû íà äåéñòâóþùèõ è áóäóùèõ êîëëàéäåðàõ. Ñðåäè òàêèõ ðàñøèðåíèé îòìåòèì äâà ðàñøèðåíèÿ ÑÌ,3îñíîâàííûõ íà äâóõ âîçìîæíûõ ðàñøèðåíèÿõ ãðóïïû SUc (3) öâåòîâîé ñèììåòðèè êâàðêîâ.Ïåðâîå ðàñøèðåíèå ÑÌ îñíîâàíî íà èäåå Ïàòè-Ñàëàìà [1] î âîçìîæíîé ÷åòûðåõöâåòîâîé ñèììåòðèè ìåæäó êâàðêàìè è ëåïòîíàìè, ðàññìàòðèâàþùåé ëåïòîíû êàê êâàðêè÷åòâåðòîãî öâåòà.

Ýòà ñèììåòðèÿ ðàñøèðÿåò ãðóïïó SUc (3) äî ãðóïïû ÷åòûðåõöâåòîâîéñèììåòðèè Gc (4) êâàðêîâ è ëåïòîíîâ, êîòîðàÿ â ïðîñòåéøåì ñëó÷àå èìååò âåêòîðíûé õàðàêòåð SUV (4)Gc (4) = SUV (4) → SUc (3)(2)è ñïîíòàííî íàðóøàåòñÿ äî ãðóïïû SUc (3) íà íåêîòîðîì ýíåðãåòè÷åñêîì ìàñøòàáå Mc .Ïðè ñâîåì ìèíèìàëüíîì îáúåäèíåíèè ñ ñèììåòðèåé ÑÌ íà îñíîâå êàëèáðîâî÷íîé ãðóïïûGMQLS = SUV (4)×SUL (2)×UR (1)(3)ñ õèããñîâñêèì ìåõàíèçìîì ðàñùåïëåíèÿ ìàññ êâàðêîâ è ëåïòîíîâ (ìèíèìàëüíàÿ êâàðêëåïòîí-ñèììåòðè÷íàÿ ìîäåëü ÌÊËÑ-ìîäåëü [2, 3]), ÷åòûðåõöâåòîâàÿ ñèììåòðèÿ ïðåäñêàçûâàåò â êàëèáðîâî÷íîì ñåêòîðå âåêòîðíûå ëåïòîêâàðêè Vα è äîïîëíèòåëüíûé íåéòðàëüíûé Z 0 -áîçîí, à â ñêàëÿðíîì ñåêòîðå íîâûå SUL (2)-äóáëåòû ñêàëÿðíûõ ÷àñòèö (±)öâåòîâûå òðèïëåòû ñêàëÿðíûõ ëåïòîêâàðêîâ Saα , öâåòîâûå îêòåòû ãðóïïû SUc (3), òàêíàçûâàåìûå ñêàëÿðíûå ãëþîíû Fai , è äîïîëíèòåëüíûé áåñöâåòíûé ñêàëÿðíûé äóáëåò Φ0a(a = 1, 2 è α = 1, ..., 3, i = 1, ..., 8 SUL (2) è SUc (3) èíäåêñû ñîîòâåòñòâåííî) [24].Âòîðîå âîçìîæíîå ðàñøèðåíèå Ñòàíäàðòíîé ìîäåëè îñíîâàíî íà èäåå èçíà÷àëüíî êèðàëüíîãî õàðàêòåðà öâåòîâîé ñèììåòðèè êâàðêîâ, ò.å.

íà ãðóïïå êèðàëüíîé öâåòîâîé ñèììåòðèè êâàðêîâGc = SUL (3)×SUR (3) → SUc (3),(4)êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ òî÷íîé ïðè âûñîêèõ ýíåðãèÿõ è íàðóøåíà äî îáû÷íîé SUc (3) ïðè íèçêèõ ýíåðãèÿõ. Êèðàëüíî-öâåòîâûå ìîäåëè [57] â ïðîñòåéøåì ñëó÷àå gL = gR â äîïîëíåíèåê îáû÷íîìó áåçìàññîâîìó ãëþîíó Gµ ïðåäñêàçûâàþò ñóùåñòâîâàíèå íîâîãî îêòåòíîãî ïîöâåòó êàëèáðîâî÷íîãî áîçîíà, àêñèãëþîíà GAµ ñ ìàññîé mGA , àêñèàëüíî-âåêòîðíûì îáðàçîì âçàèìîäåéñòâóþùåãî ñ êâàðêàìè ñ êîíñòàíòîé ñâÿçè, ðàâíîé êîíñòàíòå ñèëüíîãîâçàèìîäåéñòâèÿ gs , è èìåþùåãî øèðèíó ΓGA ≈ 0.1mGA [8].

 îáùåì ñëó÷àå ïðè gL 6= gRñèììåòðèÿ (4) ïðåäñêàçûâàåò ñóùåñòâîâàíèå äîïîëíèòåëüíîãî êàëèáðîâî÷íîãî G0 -áîçîíàñ âåêòîðíîé è àêñèàëüíî-âåêòîðíîé êîíñòàíòàìè âçàèìîäåéñòâèÿ ñ êâàðêàìè.4Òàêèì îáðàçîì, îáà ýòèõ ðàñøèðåíèÿ îáîáùàþò îáû÷íóþ òðåõöâåòîâóþ êâàðêîâóþñèììåòðèþ âåêòîðíîãî òèïà (êâàíòîâàÿ õðîìîäèíàìèêà) è ïðåäñêàçûâàþò íîâûå ÷àñòèöûâ êàëèáðîâî÷íîì ñåêòîðå (êàëèáðîâî÷íûå ëåïòîêâàðêè è Z 0 -áîçîí(û) ïðè ÷åòûðåõöâåòîâîì ðàñøèðåíèè è G0 -áîçîí (â ÷àñòíîì ñëó÷àå, àêñèãëþîí) â ñëó÷àå êèðàëüíîãî ðàñøèðåíèÿ) à òàêæå íîâûå ÷àñòèöû â ñêàëÿðíîì ñåêòîðå, ÿâëÿþùèåñÿ äóáëåòàìè ýëåêòðîñëàáîéãðóïïû SUL (2) è ñïåöèôè÷åñêèì îáðàçîì (ïðåèìóùåñòâåííî ñ òðåòüèì ïîêîëåíèåì) âçàèìîäåéñòâóþùèå ñ êâàðêàìè è ëåïòîíàìè. Êàê ïîêàçûâàåò àíàëèç, íåêîòîðûå èç ýòèõ÷àñòèö ìîãóò áûòü ëåãêèìè, ñ ìàññàìè ïîðÿäêà è íèæå 1 ÒýÂ, è ïðèâîäèòü ê íîâûì ýôôåêòàì, äîñòóïíûì äëÿ íàáëþäåíèÿ íà LHC. Èññëåäîâàíèå ñâîéñòâ ýòèõ ÷àñòèö â ñâÿçèñ ïðîäîëæàþùèìñÿ àíàëèçîì ðåçóëüòàòîâ ýêñïåðèìåíòîâ, âûïîëíåííûõ íà Òýâàòðîíå, èïðîâîäèìûìè è ïðåäñòîÿùèìè ýêñïåðèìåíòàìè íà LHC ïðåäñòàâëÿåò èíòåðåñ.

Èìåþùèåñÿ îòêëîíåíèÿ â àñèììåòðèè âïåðåä-íàçàä AFB â ïðîöåññå ðîæäåíèÿ tt̄-ïàð, èçìåðåííîéíà Òýâàòðîíå ãðóïïàìè CDF è D0, îò ïðåäñêàçàíèé ÑÌ äîïîëíèòåëüíî ñòèìóëèðóþò èññëåäîâàíèÿ â äàííîé îáëàñòè.Íàó÷íàÿ íîâèçíà è ïðàêòè÷åñêàÿ öåííîñòü ðàáîòû.  ðàáîòå âû÷èñëåíî è ïðîàíàëèçèðîâàíî ïîëíîå ñå÷åíèå ðîæäåíèÿ ñêàëÿðíûõ ãëþîíîâ F â pp-ñòîëêíîâåíèÿõ íà LHC âçàâèñèìîñòè îò èõ ìàññû è âïåðâûå îáñóæäåíû íåîáõîäèìûå äëÿ èõ ïîèñêà äîìèíèðóþùèå ðàñïàäû ýòèõ ÷àñòèö â ÌÊËÑ-ìîäåëè. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðè ìàññàõ ñêàëÿðíûõ ãëþîíîâmF . 990 Ãý âîçìîæíî íàáëþäåíèå ýòèõ ÷àñòèö íà LHC.Âïåðâûå ïîëó÷åíû â äðåâåñíîì ïðèáëèæåíèè è ïðîàíàëèçèðîâàíû âêëàäû ïðåäñêàçûâàåìûõ ÷åòûðåõöâåòîâîé êâàðê-ëåïòîííîé ñèììåòðèåé äîïîëíèòåëüíîãî Z 0 -áîçîíà èt̄äóáëåòîâ ñêàëÿðíûõ ãëþîíîâ F â ñå÷åíèå σtt̄ è àñèììåòðèþ âïåðåä-íàçàä AtFBïðîöåññàïàðíîãî ðîæäåíèÿ tt̄-êâàðêîâ íà Òýâàòðîíå.Ðàññìîòðåíà êàëèáðîâî÷íàÿ ìîäåëü ñ êèðàëüíîé öâåòîâîé ñèììåòðèåé êâàðêîâ êàê îäíî èç âîçìîæíûõ ðàñøèðåíèé Ñòàíäàðòíîé Ìîäåëè ïðè gL 6= gR .

Íàéäåíû âçàèìîäåéñòâèÿïðåäñêàçûâàåìîãî ýòîé ñèììåòðèåé G0 -áîçîíà ñ êâàðêàìè, âïåðâûå äàíî êðàòêîå îïèñàíèåñêàëÿðíîãî ñåêòîðà ìîäåëè è îòìå÷åíî íàëè÷èå â íåì áåçìàññîâîãî (â äðåâåñíîì ïðèáëèæåíèè) ýëåêòðè÷åñêè íåéòðàëüíîãî SUL (2)-ñèíãëåòíîãî áåñöâåòíîãî ñêàëÿðíîãî ïîëÿ. Èçt̄äàííûõ Òýâàòðîíà ïî σtt̄ è AtFBâïåðâûå ïîëó÷åíû è èññëåäîâàíû îãðàíè÷åíèÿ íà ìàññóG0 -áîçîíà â çàâèñèìîñòè îò θG è â ïëîñêîñòè mG0 − θG íàéäåíà îáëàñòü çíà÷åíèé, îäíîâðåìåííî ñîâìåñòíàÿ ñ ýòèìè äàííûìè â ïðåäåëàõ 1σ .

Ïîêàçàíî, ÷òî â ýòîì ñëó÷àå G0 -áîçîít̄ìîæåò äàâàòü âêëàä â AtFBïîðÿäêà 10% è òåì ñàìûì óìåíüøàòü ñóùåñòâóþùåå ðàçëè÷èå5ìåæäó ýêñïåðèìåíòàëüíûì è òåîðåòè÷åñêèì (â ÑÌ) çíà÷åíèÿìè àñèììåòðèè âïåðåä-íàçàät̄AtFBïðîöåññà ïàðíîãî ðîæäåíèÿ tt̄-êâàðêîâ íà Òýâàòðîíå.Âïåðâûå ðàññìîòðåíî âîçìîæíîå ïðîÿâëåíèå G0 -áîçîíà â ïðîöåññå ïàðíîãî ðîæäåíèÿtt̄-êâàðêîâ íà LHC â âèäå óâåëè÷åíèÿ ñå÷åíèÿ ýòîãî ïðîöåññà è ïîÿâëåíèÿ ðåçîíàíñíîãîïèêà â ðàñïðåäåëåíèè ñå÷åíèÿ ïî èíâàðèàíòíîé ìàññå tt̄-ïàðû. Èññëåäîâàíî âîçìîæíîåïðåâûøåíèå ÷èñëà ñèãíàëüíûõ ñîáûòèé íàä ôîíîì è óêàçàíà îáëàñòü çíà÷åíèé ìàññ G0 áîçîíà (â çàâèñèìîñòè îò θG ), äîñòóïíàÿ äëÿ íàáëþäåíèÿ G0 -áîçîíà ïî ýòîìó ïðåâûøåíèþ.Íà çàùèòó âûíîñÿòñÿ ñëåäóþùèå îñíîâíûå ðåçóëüòàòû è ïîëîæåíèÿ:1.

Âû÷èñëåíî è ïðîàíàëèçèðîâàíî ïîëíîå ñå÷åíèå ðîæäåíèÿ ñêàëÿðíûõ ãëþîíîâ F âpp-ñòîëêíîâåíèÿõ íà LHC â çàâèñèìîñòè îò èõ ìàññû è îáñóæäåíû íåîáõîäèìûå äëÿèõ ïîèñêà äîìèíèðóþùèå ðàñïàäû ýòèõ ÷àñòèö â ÌÊËÑ-ìîäåëè. Ïîêàçàíî, â ÷àñòíîñòè, ÷òî ñå÷åíèå ðîæäåíèÿ ñêàëÿðíûõ ãëþîíîâ ñ ìàññàìè mF . 1300 Ãý ÿâëÿåòñÿäîñòàòî÷íûì äëÿ ýôôåêòèâíîãî (Nevents & 100 − 1000 ïðè L = 10 − 100 ôáí−1 ) ðîæäåíèÿ ýòèõ ÷àñòèö íà LHC, à ÷èñëî ñèãíàëüíûõ tt̃bb̃ ñîáûòèé îò ðàñïàäîâ ñêàëÿðíîãîãëþîíà F1 ïðè mF1 .

990 Ãý è L = 10 ôáí−1 ìîæåò íà & 3σ ïðåâûøàòü ôîí ÑÌ.2. Ïîëó÷åíû â äðåâåñíîì ïðèáëèæåíèè è ïðîàíàëèçèðîâàíû âêëàäû ïðåäñêàçûâàåìûõ÷åòûðåõöâåòîâîé êâàðê-ëåïòîííîé ñèììåòðèåé äîïîëíèòåëüíîãî Z 0 -áîçîíà è äóáëåt̄òîâ ñêàëÿðíûõ ãëþîíîâ F â ñå÷åíèå σtt̄ è àñèììåòðèþ âïåðåä-íàçàä AtFBïðîöåññàïàðíîãî ðîæäåíèÿ tt̄-êâàðêîâ íà Òýâàòðîíå.Ïîêàçàíî, ÷òî âêëàäû Z 0 -áîçîíà è äóáëåòîâ ñêàëÿðíûõ ãëþîíîâ F îêàçûâàþòñÿ ìàëûìè (íå ïðåâûøàþùèìè òåêóùèõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ îøèáîê ïî ýòèì âåëè÷èíàì)è íåäîñòàòî÷íûìè äëÿ îáúÿñíåíèÿ èìåþùåãîñÿ ðàñõîæäåíèè ìåæäó òåîðåòè÷åñêèìt̄(â ÑÌ) è ýêñïåðèìåíòàëüíûì çíà÷åíèÿìè àñèììåòðèè AtFB.3.