Диссертация (1104367), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Можно, однако,нарушить суперсимметрию, сохранив при этом свойство сокращения калибровочных расходимостей [20].Естественно ожидать, что некоторые из суперпартнеров могут быть обнаружены на масштабе энергий порядка нескольких ТэВ (см. обсуждение всоответствующем разделе справочника [21]). Проверка этой гипотезы являетсяодной из основных задач второго запуска LHC. Однако в суперсимметричноммире могут существовать частицы с массой гораздо ниже ТэВ, взаимодействиекоторых с полями СМ при этом существенно подавлено, вследствие чего онине были обнаружены многочисленными поисками суперсимметрии и не могутбыть детектированы на LHC.
Такие частицы можно искать в экспериментах сфиксированной мишенью, в которых малость их констант связи с полями СМможет быть компенсирована большим числом протон-протонных или протонэлектронных взаимодействий. Примером модели, содержащей такие легкие частицы, является Минимальное Суперсимметричное расширение СМ (МССМ)с нарушенной -четностью.
Действие МССМ инвариантно относительно дискретного преобразования, называемого -четностью. Эта симметрия в числепрочего обеспечивает стабильность легчайшего суперпартнера, поскольку запрещает распад одного суперпартнера только на частицы СМ.
Однако неттеоретических оснований требовать сохранения -четности. Подробное обсуждение этого вопроса содержится в работе Р. Мохапатры [22]. В теориях с нарушенной -четностью масса легчайшего суперпартнера может быть существенно меньше электрослабого масштаба, и при этом он может быть нестабилен.Поэтому представляется интересным рассмотреть вариант МССМ с нарушенной -четностью в контексте экспериментов с фиксированной мишенью.Другой подход, позволяющий решить проблему квадратичных расходимостей, опирается на довольно радикальное предположение о том, что числопространственных измерений превышает 3.
Этот подход использует концеп10цию «больших дополнительных измерений» [23]. Чтобы объяснить малостьотношения / , в работе [23] было отмечено, что масса Планка многомерной теории может отличаться от «эффективной» массы Планка в четырехмерии. В самом деле, пусть дополнительных измерений компактифицированы с радиусом .
Рассматривая закон Ньютона на расстояниях меньших с«многомерной» массой Планка 4+ , который на больших расстояниях должен переходить в обычный закон обратных квадратов, получим, с точностьюдо множителя, зависящего от деталей компактификации: ≃ 4+ (4+ ) 2 .(2)Если в этой формуле размер дополнительных измерений имеет порядок планковской длины, то 4+ = , что, разумеется, не решает проблемы иерархии. Но если 4+ порядка нескольких ТэВ, то дополнительные измеренияявляются «большими» по сравнению с длиной Планка, и при этом разрешается проблема калибровочной иерархии, поскольку отношение /4+ естьвеличина порядка единицы.В работах [24], [25] была предложена модель с большими дополнительными пространственными измерениями, согласующаяся с СМ в низкоэнергетическом пределе, и при этом элегантным образом решающая еще и проблему иерархии масс фермионов и существования трех поколений частиц.
Этамодель также предполагает существование новых тяжелых частиц с массамипорядка ∼ 1/. Масштаб масс этих частиц лежит за пределами досягаемости LHC, поэтому для поиска проявлений этой модели лучше всего подходятэксперименты высокой интенсивности, позволяющие, благодаря значительнойстатистике, зафиксировать редкие события, запрещенные в СМ и вызванныеобменом неизвестными тяжелыми частицами.В данной диссертации мы также рассмотрим еще одну модель — расширение СМ, содержащее парафотон. Идея существования парафотонов — гипотетических массивных векторных бозонов — восходит к концепции «зеркального11мира» [26]. Смешиваясь с фотоном, парафотон может служить посредникоммежду обычным и зеркальным мирами, а также связывать СМ с отщепленнымсектором темной материи [27].
Нас же будет интересовать феноменология массивного вектора в эксперименте с фиксированной мишенью. Дело в том, чтопространство параметров этой модели содержит только два дополнительных,по сравнению с СМ, параметра: масса парафотона и безразмерная константа смешивания с обычным фотоном. Поэтому на примере этой модели можнонаглядно продемонстрировать особенности эксперимента.Цель и задачи диссертационной работы.Основной целью данной работы является определение перспектив поискановой физики в экспериментах высокой интенсивности. Разумеется, в однойработе невозможно охватить все многообразие моделей физики за рамкамиСМ и многообразие различных экспериментов, поэтому здесь мы ограничимсяобозначенными выше моделями. Для достижения поставленной цели в рамкахкаждой модели требуется решить следующие задачи:1.
MSM предполагает существование тяжелых, с массами порядка единицГэВ, нейтральных лептонов, смешивающихся с активными нейтрино. Вработе [28] было показано, что прямые поиски этих частиц, например, вэкспериментах с фиксированной мишенью, позволят изучить значительную область пространства параметров модели. Поскольку стерильныенейтрино (тяжелые лептоны) благодаря смешиванию с активными нейтрино приводят на однопетлевом уровне к эффектам, запрещенным в СМ(например, к распадам типа → ), возникает задача определить, могут ли поиски подобных косвенных проявлений MSM конкурировать сэкспериментами по прямому обнаружению стерильных нейтрино.2.
В модели с большими дополнительными измерениями и одним поколением имеются тяжелые моды калибровочных бозонов, в результате обмена12которыми могут идти процессы с несохранением лептонного числа. В работе [29] рассматривались редкие процессы с участием каонов, и былополучено ограничение на размер дополнительных измерений. В настоящее время стремительно развивается физика тяжелых мезонов, поэтомувстает задача изучения редких процессов с участием B- и D- мезонов иполучения новых ограничений на размер дополнительных измерений.3.
Простое, но по-прежнему феноменологически интересное расширениеСМ, содержащее массивные парафотоны, позволяет проиллюстрироватьосновные особенности поиска новой физики в экспериментах с фиксированной мишенью. Для этой модели требуется определить область пространства параметров (которая в простейшем случае является плоскостью масса - смешивание), к которой будет чувствителен планируемыйэксперимент SHiP.4. В минимальном суперсимметричном расширении СМ с нарушенной-четностью необходимо определить область пространства параметров,к которой будет чувствителен SHiP.
Также, анализируя опубликованныеданные по поиску стерильных нейтрино, который проводился в эксперименте с фиксированной мишенью CHARM, можно получить ограниченияна эту область.Научная новизна и практическая значимость.В диссертации исследованы редкие процессы с нарушением лептонногочисла и аромата в модели MSM. Для значений масс и углов смешивания стерильных нейтрино, при которых модель успешно объясняет осцилляции нейтрино, барионную асимметрию Вселенной и наличие темной материи, впервыеполучены теоретические предсказания интенсивностей этих процессов.
Значимость этих результатов состоит в том, что они позволяют определить стратегию поиска проявлений MSM. В экспериментах по поиску редких процессов13не удастся поставить ограничения на параметры модели или найти ее проявления. Следовательно, предпочтение должно отдаваться экспериментам сфиксированной мишенью, в которых возможно прямое рождение стерильныхнейтрино.В рамках модели с большими дополнительными измерениями и однимпоколением впервые проанализированы процессы с участием тяжелых мезонов. Показано, что наибольший интерес в рамках этой модели представляетпроцесс трехчастичного распада -мезона на каон, мюон и электрон.В работе впервые получены теоретические предсказания для чувствительности планирующегося в ЦЕРНе эксперимента SHiP к парафотонам — гипотетическим векторным частицам, смешивающимся с фотонами. В случае, еслив эксперименте не будет зафиксирован описанный в работе сигнал, то на основании результатов данной диссертации можно будет сделать вывод, какаяобласть пространства параметров модели исключается.В диссертации получены теоретические предсказания для чувствительности эксперимента SHiP к нейтралино в минимальной суперсимметричной модели с нарушенной -четностью.
Рассмотрены новые каналы рождения и распада нейтралино в условиях этого эксперимента. Эти результаты могут бытьиспользованы для установления ограничений на нарушающие -четность параметры в случае отсутствия сигнала в экспериментальных данных.Также впервые получены ограничения на параметры минимальной суперсимметричной модели с нарушенной -четностью, основанные на анализеданных эксперимента CHARM.14Положения, выносимые на защиту:1. Вычисление интенсивностей редких процессов с нарушением лептонногоаромата и полного числа лептонов в MSM для значений параметров модели, при которых она одновременно описывает осцилляции нейтрино иобъясняет явления темной материи и барионной асимметрии Вселенной.2. Определение значения эффективной массы нейтрино для процесса безнейтринного двойного бета-распада в случае прямой и обратной иерархии масс в рамках MSM.3.
Вычисление верхнего ограничения на радиус компактификации в моделис большими дополнительными измерениями и объединенным поколениемфермионов на основании экспериментальных данных по запрещеннымраспадам тяжелых мезонов.4. Оценки чувствительности планируемого в ЦЕРНе эксперимента с фиксированной мишенью SHiP к расширению СМ, содержащему «парафотоны» — тяжелые векторные бозоны, смешивающиеся с фотонами.5. Оценки чувствительности эксперимента SHiP к нейтралино в минимальной суперсимметричной СМ с нарушенной -четностью.6. Ограничения на допустимые значения нарушающих -четность параметров, полученные на основании опубликованных данных экспериментаCHARM.Апробация результатов.Основные результаты диссертации доложены на научном семинаре ИЯИРАН и на конференциях: «Ломоносов» и «Ломоносовские чтения» (МГУ,2012), «XVIII международная научная конференция Объединения молодых15ученых и специалистов ОИЯИ » (Дубна, 24 — 28 февраля 2014), «Физика элементарных частиц и космология» (Москва, 12 — 13 ноября 2014), «Физикаэлементарных частиц и космология» (Москва, 28 — 30 октября 2015),на международных семинарах «Кварки-2012» (Ярославль, 4 — 10 июня 2012),«Кварки-2014» (Суздаль, 2 — 8 июня 2014), «Перспективы физики частиц:физика нейтрино и астрофизика» (Валдай, 1 — 8 февраля 2015),на международных школах: «Зимняя школа ИТЭФ» (Московская область, Отрадное, 14 — 21 февраля 2013), «Байкальская Школа по Физике ЭлементарныхЧастиц и Астрофизике» (Иркутск, 5 — 13 июня 2012), «International School forSubnuclear Physics» (Эриче, Италия, 24 июня — 3 июля 2013).Публикации.Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК: [30], [31], [32], [33].Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения ибиблиографии.
Общий объем диссертации 105 страниц, включая 14 рисунков.Библиография включает 115 наименований на 11 страницах.16Глава 1Перспективы косвенных поисков стерильныхнейтриноКак отмечалось во введении, осцилляции нейтрино — переходы междунейтрино разных ароматов (см., например, обзор [9]) — это одно из немногихявлений, объяснение которых безусловно требует выхода за рамки СМ. Прямое взаимодействие нейтрино разных ароматов (в форме ¯ )1 запрещенокалибровочной симметрией SU(2). Явление осцилляций может быть описанонеперенормируемым оператором «размерности 5»:ℒosc = ℒsm + ¯ · Φ̃)( · Φ̃* )(,Λ(1.1)где — это левые SU(2) дублеты лептонов разных ароматов, = , , ,индекс обозначает зарядовое сопряжение, Φ̃ = Φ* ; — безразмерная матрица размера 3 × 3. Если некоторые из ее элементов имеют порядок (1), то масштаб новой физики, на котором взаимодействие (1.1) должнобыть заменено перенормируемой моделью, равен Λ ∼ 2 /atm ∼ 1015 ГэВ, где√ = 2⟨Φ⟩ = 246 ГэВ.Член смешивания нейтрино (1.1) может возникнуть за счет обмена некоторыми новыми частицами (например, фермионами, синглетными по калибровочной группе, скалярами в присоединенном представлении SU(2), фермионами в присоединенном представлении SU(2), см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
