Феноменологические проявления расширений Стандартной модели в процессах с участием топ-кваркаНИР

Phenomenology of extensions of the Standard Model in processes involving top-quark

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 марта 2016 г.-31 декабря 2016 г. Феноменологические проявления расширений Стандартной модели в процессах с участием топ-кварка
Результаты этапа: Поиск физики за рамками Стандартной модели (СМ) является одним из наиболее важных направлений исследований в физике высоких энергий, в частности, в коллайдерной физике. Широко используемым методом моделирования процессов за рамками СМ является модель эффективного лагранжиана (эффективная теория поля), в которой вклад «новой физики» представляется в виде конечного набора калибровочно-инвариантных операторов, нормированных на эффективный масштаб «новой физики» Lambda. В рамках исследований по проекту выведены формулы зависимости сечения трех процессов рождения одиночных топ-кварков от аномальных параметров, в частности, для процессов ассоциированного tW-рождения такая формула в модели эффективного лагранжиана была получена впервые. На основе полученных формул был разработан метод моделирования процессов одиночного рождения топ-кварка с учетом присутствия аномальных операторов связи в вершине Wtb как в рождении, так и в распаде топ-кварка. В задачах одновременного поиска проявления нескольких аномальных операторов серьезной проблемой является создание большого набора образцов событий, каждый из которых должен соответствовать одному из значений параметра, определяющего силу аномального взаимодействия. Предложенный метод состоит в том, что дополнительно к бозонам СМ вводятся вспомогательные бозоны, константы и структура взаимодействий каждого из которых с топ-кварком соответствуют одному из аномальных операторов эффективного лагранжиана. Предложена схема реализации этого метода в экспериментальном анализе. Полученные выражения позволяют сделать выводы относительно минимального количества наборов событий. Показано, что для полного моделирования случая одновременного присутствия четырех аномальных операторов в вершине Wtb в самом общем случае минимальный базис состоит из двенадцати наборов событий. Редкие распады B-мезонов, индуцированные изменяющими аромат нейтральными токами, представляют собой особый интерес, поскольку содержат информацию о взаимодействиях топ-кварка: редкие распады такого типа в стандартной модели возможны только за счет петлевых диаграмм, доминирующий вклад в которые дает топ-кварк. Поэтому, экспериментальное изучение редких распадов B-мезонов открывает окно на возможные нестандартные взаимодействия топ-кварка. Для надежного извлечения информации о взаимодействиях топ-кварка необходим контроль за неопределенностями теоретических результатов для амплитуд данных распадов; такие неопределенности происходят в основном от непертурбативных КХД-эффектов. Проведены детальные исследования теоретического описания непертурбативных КХД-эффектов в двух классах распадов B-мезонов, где можно ожидать проявления нестандартных взаимодействий топ-кварка: радиационных распадах, индуцированных процессом слабой аннигиляции, и радиационных лептонных и многолептонных распадах. В рамках релятивистского дисперсионного подхода, основанного на картине конституэнтных кварков, получены аналитические выражения и численные оценки для амплитуд редких распадов рассматриваемых типов. Наш подход позволяет рассчитать все необходимые амплитуды с точностью не хуже 10%. Рассчитаны вероятности редких радиационных распадов, индуцированных слабой аннигиляцией. Наибольшие вероятности на уровне ~1.5 10^{-7} получены для процессов Bs->J/Psi + gamma и B->Ds* + gamma. Рассчитаны вероятности и дифференциальные распределения в редких радиационных лептонных и четырехлептонных распадах B и Bs мезонов. В частности, получены следующие результаты: BR(Bs->mu+mu-gamma)=1.2 10^{-8}, BR(Bs->e+e-gamma)=1.9 10^{-8} и BR(Bs->mu+mu-e+e-)=1.2 10^{-10}. Вычислены радиационные поправки, в ряде из которых топ-кварк играет ключевую роль, в двухдублетном хиггсовском секторе минимальной суперсимметричной стандартной модели (МССМ), совместимые с наблюдаемой массой легкого СР-четного скаляра 125 ГэВ. На масштабе массы топ-кварка выделены соответствующие параметрические сценарии МССМ и исследована точность редуцирования на пространства параметров меньшей размерности. Проведено сравнение результатов для трех параметрических сценариев за рамками естественного сценария МССМ.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Феноменологические проявления расширений Стандартной модели в процессах с участием топ-кварка
Результаты этапа: - В рамках Стандартной модели исследованы дифференциальные сечения процесса ассоциативного tWb рождения топ кварка в различных схемах учета однорезонансных, двухрезонансных вкладов и их интерференции. Проведено сравнение таких приближенных схем с полным учетом всех диаграмм (полная схема). Выявлены особенности различных приближений и их степень достоверности по сравнению с полным моделированием. - Проведено моделирование модельнонезависимых вкладов аномальных левых и правых векторных и тензорных заряженных токов во взаимодействии топ кварка с W бозоном и b-кварком в процессах ассоциативного tWb рождения топ кварка. Моделирование проведено в различных приближенных схемах и в полной схеме с учетом всех диаграмм. Исследованы зависимости дифференциальных сечений от вклада аномальных токов. Проведена предварительная оценка неопределенности вносимой приближенной схемой вычисления в поиск проявления аномальных токов. - Показано, что в процессах парного рождения топ кварка правый векторный аномальный оператор проявляет себя лишь в распределениях частиц, возникающих в процессе распада W-бозона; при этом в кинематических распределениях этого W-бозона никаких проявлений аномальных операторов, по сравнению с поведением, описываемым СМ, нет. - Показано, что в электрослабой части процесса tWb смоделированной в приближённых схемах моделирования (DR и DS схемах) аномальные операторы проявляют себя как в распределениях W-бозона, так и в распределениях частиц, возникающих в процессе распада W-бозона, причём схемы показывают различную чувствительность к правому векторному оператору. - Показано, что при рассмотрении полной схемы (без удаления того или иного набора диаграмм) в силу значительного вклада процессов парного рождения правый векторный аномальный оператор проявляет себя значимо только в распределениях частиц, возникающих в процессе распада W-бозона. - В связи с высокой степенью неопределенности вносимой приближенными схемами выделения электрослабой составляющей процесса ассоциативного tWb рождения, рекомендуется моделирование в полной схеме для исследования вкладов аномальных операторов. - Получено аналитическое выражение для дифференциальной ширины трехчастичного распада поляризованного топ кварка с учётом аномальных вещественных векторных и тензорных параметров взаимодействия. Выражение получено в системе покоя топ кварка и является функцией углов ориентации оси квантования спина топ кварка и энергии заряженного лептона. Аналитические результаты были подтверждены численным моделированием с помощью пакета CompHEP. - Были исследованы off-shell Electroweak Dipole Momentum (osEDM) топ кварка в Wtb вершине. Найдено несколько относительно редких процессов рождения одиночного топ кварка, в которых эти аномалии могут проявляться, наиболее вероятные процессы pp->Ztb и pp->Wtb, были феноменологически исследованы на предмет чувствительности к экспериментальному обнаружению osEDM взаимодействий топ кварка. Созданы Монте-Карло генераторы событий и проведено моделирование этих процессов. Выявлен ряд чувствительных кинематических переменных, таких как поперечные импульсы частиц, их псевдобыстроты и углы между ними, анализ формы распределений которых может быть использован для экспериментального поиска аномальных взаимодействий. Получены зависимости полных и дифференциальных сечений от параметров характеризующих вклад таких аномальных взаимодействий. - Исследована чувствительность дифференциальных сечений к отклонению ширины топ кварка в однорезонансной и двухрезонансной кинематических областях для процесса gg->tWb. Предложен модельнонезависимый и калибровочно-инвариантный метод оценки отклонения ширины топ кварка от ее значения в СМ. При экспериментальных точностях в измерении сечения рождения от 2% до 10%, ширина топ кварка может быть ограничена с точностью от 6% до 29%. - Получены поправки к спектру масс бозонов Хиггса и углам смешивания, индуцированные при учете операторов размерности шесть, которые могут играть наиболее заметную роль в областях пространства параметров МССМ при умеренных массах суперпартнеров в комбинации с Atb (трилинейный параметр взаимодействия суперпартнеров кварков с бозонами Хиггса) и mu (параметр хиггсовского суперполя) порядка нескольких ГэВ (вплоть до 10 ГэВ). В последнем случае необходимо дополнительное исследование режима пертурбативной унитарности. - Показано, что существенные отклонения контуров mh=125.2 ГэВ индуцируются операторами размерности шесть для сценариев (4) light stop, (6) tau-phobic и (7) low-MH. Для остальных сценариев отклонения несущественны при имеющейся точности измерений наблюдаемых. - Малые значения tanbeta исключены при массах заряженного бозона Хиггса более 400 ГэВ. Кроме того, для сценариев light stop и tau-phobic при малых tan beta может нарушаться стабильность основного состояния теории. - В рамках релятивистского дисперсионного подхода, основанного на картине конституэнтных кварков, рассчитаны форм факторы В и Вs мезонов в лёгкие псевдоскалярные и векторные мезоны (pi, rho, omega, phi etc) за счёт изменяющих аромат нейтральных кварковых токов. Параметры волновых функций всех участвующих в процессе мезонов фиксировались требованием правильно воспроизвести их лептонные константы, известные из других подходов. Показано, что при таком способе фиксировать параметры модели, все вычисленные форм факторами в пределах 10% точности согласуются с имеющимися результатами вычисления в КХД на решётке и правил сумм КХД. - Проведены расчёты форм факторов, описывающих аннигиляционные слабые переходы такие как Bd,s -> J/psi(psi', etc.) l+l-. Тем самым обобщены результаты, полученные на предыдущем этапе выполнения проекта для радиационных аннигиляционных распадов. - На основе полученных ранее форм факторов слабых переходов нейтральных мезонов Bd,s->gamma, происходящих за счёт нейтральных кварковых токов с изменением аромата, проведён детальный анализ радиационных лептонных распадов Bd,s->gamma l+l-. (а) Показано, что дифференциальные распределения и асимметрии в области q² от нуля до 10 ГэВ² чувствительны к деталям описания вклада сс-резонансов, который не может быть строго вычислен в рамках КХД (в частности к относительным фазам вкладов J/psi и psi’) (б) Показано, что зарядовая лептонная асимметрия в редких полулептонных Bs,d->V l+l- и радиационных лептонных Bs,d->gamma l+l- распадах в области передаваемого импульса между массами J/psi и psi’ резонансов чувствительна к значениям неизвестным относительным фазам вкладов J/psi и psi’ и позволяет измерить эти фазы, и тем самым откроет возможность использовать асимметрии для изучения физики вне рамок СМ, в частности, аномальных каплингов топ кварка. (в)Показано, что поведение зарядовой лептонной асимметрии в области q²=4-7 ГэВ² в Bd,s->gamma l+l- распадах чувствительно к значениям аномальных каплингов. Таким образом, экспериментальное изучение данной асимметрии открывает возможность непрямого определения данных величин. (г)Предсказано отношение дифференциальных распределений в процессах B->gamma µ+µ- и B->gamma e+e-, которое является индикатором нарушения «лептонной универсальности». Показано, что при малых q² данное отношение в СМ близко к единице, тогда как в области больших q²>М²psi’ данное отношение резко возрастает. Показано, что экспериментальное измерение данного отношения позволяет измерять q² зависимость переходных форм факторов. - Используя результаты прошлого этапа исследований, были получены следующие результаты для ширин редких четырехлептонных распадов: (i) вычислена зависимость Br(B- -> mu+ mu- e- nu_e) от величины q2min , нижней границы квадрата переданного импульса mu+ mu- пары и получена оценка Br(B- -> mu+ mu- e- nu_e) = 1.3 *10-7 при q^2_min= 210 МэВ, что демонстрирует принципиальную возможность детектирования данного распада на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН и на установке Belle-II в Японии; (ii) получены оценки для ширины 4-мюонного распада Br(B- -> mu+ nu_mu mu- mu- ) = 10-7 и Br (Bs -> mu+ mu- e+ e-) = (1.8 - 2.2) *10-10. Также предложены тесты для проверки лептонной универсальности в четырехлептонных распадах B – мезонов; - В рамках дисперсионного подхода вычислены форм факторы слабого К->pi перехода, а также вычислены соответствующие наблюдаемые дифференциальные распределения. В настоящий момент изучается влияние аномальных каплингов на данные распределения.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Феноменологические проявления расширений Стандартной модели в процессах с участием топ-кварка
Результаты этапа: - Получены зависимости дифференциальных сечений от констант связи характеризующих вклады полного набора возможных аномальных операторов во взаимодействии Wtb. Исследованы систематические неопределенности связанные с приближенными схемами моделирования, используемыми в современных экспериментах. Обоснована необходимость моделирования полного калибровочно инвариантного набора диаграмм для анализа возможных отклонений от предсказаний СМ. Выработаны рецепты поиска отклонений в структуре Wtb взаимодействия в процессе ассоциативного рождения топ кварка tWb. Описаны методы применения глубоких нейронных сетей для оптимизации анализа. - Получены аналитические выражения дифференциальной ширины трехчастичного распада поляризованного топ кварка в его системе покоя с учетом возможных аномальных вкладов в Wtb взаимодействие. Аналитические выражения получены как функции энергии заряженного лептона и двух углов ориентации оси квантования спина топ кварка. Показано, что выражение для дифференциальной ширины топ кварка можно разделить на 8 кинематически различных членов, соответствующих возможным комбинациям аномальных параметров. - Проведено исследование влияния отклонений значения ширины топ кварка на сечение в различных областях фазового пространства для процесса pp->WWbb. Был предложен новый способ параметризации ширины топ кварка, позволяющий учитывать различную природу возможных расширений Стандартной Модели и их влияние на ширину топ кварка. Исследована чувствительность экспериментального измерения ширины топ кварка с помощью предложенного метода. Найденные ожидаемые ограничения на измерение ширины топ кварка для современных и будущих коллайдеров, с различными сценариями систематических неопределенностей. - Проведено исследование чувствительности проектируемого коллайдера FCC к поиску нейтральных токов меняющих аромат кварков во взаимодействии топ кварка с u- или c-кварком через обмен глюоном. На основе полного моделирования и аккуратного статистического анализа получены ожидаемые ограничения на параметры характеризующие аномальные вклады и соответствующие им вероятности редких распадов топ кварка. Результаты одобрены для включения в FCC CDR vol.1. - Построена модель расширения СМ тяжелым скаляром, заряженным только по отношению к группе слабого гиперзаряда СМ Uy(1). Показано, что в такой модели взаимодействия нового скаляра с фермионами СМ существенно подавлены, и тем самым этот склаляр может быть примером так называемых "long-lived particle". Основным каналом рождения является процесс ассоциированного рождения заряженного скаляра и топ-кварка. Проведенные вычисления позволили сделать предсказания для областей масс и параметров взаимодействия нового заряженного скаляра на LHC в режимах высокой энергии и светимости. - Подготовлен обзор современного состояния исследований физики топ кварка. Обзор написан на русском языке и включает описание теоретических аспектов сектора топ кварка, текущие феноменологические исследования, описание возможных проявлений "новой физики" в процессах с рождением топ кварка. Представлен обзор текущих экспериментальных измерений и найденные ограничения на вклады "новой физики" связанной с топ кварком. Приведены ожидания для будущих коллайдерных экспериментов. - Предложен новый ориентировочный сценарий МССМ — low-mA. Получены массовые спектры хиггсовского сектора в пространстве параметров (Atb, mu), (mH+, tgb) для ориентировочных сценариев минимальной суперсимметрии и low-mA сценария. Проанализированы характерные режимы для предложенного сценария low-mA. Вычислены сечения рождения скаляров партонного уровня и события без веса для реалистического моделирования. - Используя релятивистский дисперсионный подход, основанный на кварковой модели, рассчитаны форм факторы В->gamma переходов за счёт векторного, аксиально-векторного, тензорного и псевдотензорного кварковых токов в широкой области переданных импульсов. В том числе, вычислены форм факторы FCNC перехода В-мезона в два виртуальных фотона. (опубликован, статья в PRD) - Получены ограничения на вклад виртуальных петель с-кварков в амплитуды FCNC радиационных лептонных распадов В-мезонов. Показано, что для корректного вычисления нефакторизуемого вклада петель с-кварка, необходимо знание полной трёхчастичной функции распределения кварков и глюонов в В-мезоне. Использование трёхчастичной функции распределения на световом конусе не позволяет просуммировать часть потенциально численно больших поправок порядка mc^2/(\Lambda_QCD mb). Получен вклад чарма с использованием результатов правил сумм на световом конусе для полулептонных распадов и обобщённой модели векторной доминантности. (опубликован, статьи в PRD, PLB) - Рассчитаны многочисленные дифференциальные распределения и получены оценки для ширин распадов В->gamma l+l- в интересных для экспериментального изучения кинематических областях в Стандартной модели. Обнаружено, что вклад тормозного излучения в амплитуды редких радиационных лептонных распадов приводит к определённым усложнениям данного класса редких распадов по сравнению с полулептонными распадами. Показано, что такая наблюдаемая, как лептонная зарядовая асимметрия, чувствительна к проявлению новой физики, в том числе, как аномальным каплингам топ-кварка. Показано, что отношение дифференциальных распределений в лептонных радиационных распадах для мезонов и электронов в конечном состоянии позволяет измерять формфакторы при больших значения переданного импульса. (опубликован, статья в PRD). - Используя модель доминантности векторных мезонов для описания формфакторов переходов В-мезона в лептон, нейтрино и виртуальный фотон впервые проведён полный анализ четырехлептонных распадов В^{\pm}-мезонов и вычислены парциальные ширины в интересных для экспериментального наблюдения кинематических областях q^2 > (2m_mu /MB)^2 и k^2 > (2m_mu/MB)^2 (q^2– квадрат инвариантной массы мюонной пары, k2 – квадрат инвариантной массы e+e – пары): Br(B^+ -> mu^+ mu^- e^+ nu_e) = (0.8 \pm 0.3)*10^{-7}, Br(B^+ -> mu^+ mu^- mu^+ nu_mu) 10^{-7}. Показано, что данные распады позволяют проверить гипотезу лептонной универсальности для легких лептонов, поскольку в данной кинематической области: Br(B^+ -> e^+ e^- mu^+ nu_mu)/ Br(B^+ -> mu^+ mu^- e^+ nu_e) = 1 и Br(B^+ -> mu^+ mu^- mu^+ nu_mu). Br(B^+ -> e^+ e^- e^+ nu_e) = 1. Получены формулы для однократных и дважды дифференциальных распределений рассматриваемых распадов. Приведены оценки для парциальных ширин распадов B_{d,s} -> mu^+ mu^- e^+ e^- в пределе нулевых лептонных масс. (опубликован, статья в ЯФ, труды конференции). - На основе пакета EvtGen написан и отлажен Монте-Карло генератор, который позволяет изучать данный распад как в Стандартной модели, так и в широком классе её расширений. (опубликован, статья в ЯФ, труды конференции). - Используя результаты по переходным форм факторам В-мезона в два виртуальных фотона (см. п.3) были проведены точные вычисления для парциальных ширин распадов и дифференциальных распределений процессов B_{d,s} -> mu^+ mu^- e^+ e^-. В кинематической области q^2 > (2m_mu /MB)^2 и k^2 > (2m_mu/MB)^2, где q^2 – квадрат инвариантной массы мюонной пары, k^2 – квадрат инвариантной массы электрон-позитронной пары, были получены следующие предсказания для парциальных ширин указанных распадов: Br(B_s -> mu^+ mu^- e^+ e^-) = 7.1*10-^{-10} и Br(B_d -> mu^+ mu^- e^+ e^-) =3.7*10-^{-12}. Точные вычисления хорошо согласуются с полученными ранее оценками, сделанными на основе перемасштабирования парциальной ширины распада B^+ -> mu^+ mu^- e^+ nu_e. Идет подготовка статьи к печати. - Проведён комбинированный анализ ограничений на аномальные каплинги топ кварка, получаемые как из непрямых измерений на адронных коллайдерах, так и многочисленных непрямых результатов по В-физики (инклюзивные распады за счёт нейтральный токов с изменением аромата b-> s gamma, b->sl+l-, B-anti B осцилляции). Показано, что комбинирование прямых и непрямых ограничений позволяет далее сузить область допустимых значений аномальных каплингов. Получены наиболее строгие ограничения из известных в литературе на настоящий момент. Данные комбинированные ограничения согласуются со СМ; никаких расхождений со СМ из аномальных каплингов в пределах неопределённостей не обнаружено. (подготовлено к печати, не опубликовано). - Получен математически последовательный вывод неравенств Леггетта--Гарга в форме Вигнера для трех и произвольного числа различных моментов времени, основанный на колмогоровской аксиоматике теории вероятностей. Показано, что любая унитарная эволюция квантовой системы противоречит концепции Макроскопического реализма. Рассмотрено применение данной теоремы к осцилляциям нейтральных В-мезонов. (направлено в печать).
4 16 мая 2019 г.-31 декабря 2019 г. Феноменологические проявления расширений Стандартной модели в процессах с участием топ-кварка
Результаты этапа: - Выработан рецепт использования полной схемы моделирования ассоциированного рождения топ-кварка с W бозоном в следующем древесном порядке разложения теории возмущений. Моделирование в полной схеме соответствует полному калибровочно-инвариантному набору диаграмм с конечным состоянием, содержащим b-кварк, W-бозон и топ-кварк, включая все последующие распады. В качестве демонстрации использования рецепта построена нейронная сеть для кинематического разделения событий парного рождения топ-кварков и событий ассоциированного рождения одиночных топ-кварков. Показано хорошее и стабильное кинематическое разделение одно-резонансных и двух-резонансных вкладов с правильным учетом интерференции между ними. Предварительные результаты опубликованы и будут использованы для анализа аномальных взаимодействий топ-кварка с W бозоном и b-кварком в процессах ассоциативного рождения топ-кварка с W бозоном. - Сформулирован общий и универсальный рецепт формирования пространства наблюдаемых низкого уровня для анализа процессов рассеяния на коллайдерах с помощью метода глубоких нейронных сетей. Продемонстрирована эффективность, полнота и достаточность рекомендованного подхода на примере t-канального рождения топ-кварка. Предварительные результаты опубликованы. Метод используется для исследования аномальных вкладов во взаимодействии топ-кварка с W бозоном и b-кварком. - Получены теоретические предсказания точности модельно-независимого измерения ширины топ-кварка на основе одновременного измерения в t-канальном и ассоциативном tW каналах рождения топ-кварка. Показано, что в предлагаемом методе и одновременном измерении ширины топ-кварка в двух каналах рождения позволит повысить точность измерений в силу существенно меньшей систематической ошибки измерения сечений t-канального рождения по сравнения с измерением только в tW канале. - Получено аналитическое выражение для дифференциальной ширины трехчастичного распада поляризованного топ кварка в его системе покоя в зависимости от энергии заряженного лептона и двух углов ориентации оси квантования спина топ кварка. Это выражение впервые получено в наиболее общем виде для случая вещественных и мнимых векторных и тензорных аномальных параметров взаимодействия Wtb. Показано, что выражение для дифференциальной ширины топ кварка можно разделить на 8 кинематически различных членов, соответствующих возможным комбинациям аномальных параметров. Эти 8 членов имеют разные зависимости от кинематических переменных и должны быть использованы в качестве базисных функций при анализе экспериментальных данных и извлечении значений аномальных параметров. Впервые получено аналитическое выражение для дифференциального сечения полного процесса t-канального рождения и последующего распада топ-кварка (u, b → d, b, nu, e+), в зависимости от энергии заряженного лептона и двух углов ориентации оси квантования спина топ кварка, где оптимальным направлением оси квантования топ кварка в его системе покоя является направление d-кварка из процесса рождения топ кварка. Показано, что наиболее заметные различия для сценариев с аномальным Wtb взаимодействием проявляются в форме поверхностей двумерных распределений, где одной из переменных является энергия заряженного лептона, а другой - один из углов ориентации спина топ кварка. Это позволяет наиболее эффективно разделять различные аномальные вклады. С помощью полученных аналитических выражений для дифференциального сечения, оценена точность измерения аномальных параметров взаимодействия Wtb для разных значений интегральной светимости коллайдера LHC с помощью метода многомерного фитирования. Предсказанные значения точности на порядок выше текущей экспериментальной точности для той же интегральной светимости. - Продолжены исследования off-shell Electroweak Dipole Momentum (osEDM) топ кварка в Wtb вершине с более общей формой Лагранжиана таких взаимодействий, использующих ковариантную производную и включающей 4-частичные вершины взаимодействия. Наиболее вероятные процессы pp->Ztb и pp->Wtb, были феноменологически исследованы на предмет чувствительности к экспериментальному обнаружению osEDM. Созданы Монте-Карло генераторы событий и проведено моделирование этих процессов. Получены распределения для чувствительных к аномальным вкладам кинематических переменных, таких как поперечные импульсы частиц, их псевдобыстроты и углы между ними, анализ формы этих распределений может быть использован для экспериментального поиска аномальных взаимодействий. Получены зависимости полных и дифференциальных сечений от параметров характеризующих вклад таких аномальных взаимодействий. Результаты демонстрируют значительные различия с опубликованными ранее, в частности показано, что процесс с Wtb конечным состоянием также имеет перспективы для экспериментального поиска osEDM взаимодействий. – Получены аналитические выражения для условий пертурбативной унитарности, применимые для разложения эффективного хиггсовского потенциала МССМ до операторов размерности шесть. Аналитические формы содержат как зависимость от констант самодействия, стоящих перед операторами размерности четыре, так и констант перед операторами размерности шесть. Явные зависимости приведены в коде Unitarity-dim6 (файл в формате pdf прикреплен к Отчету). Данные условия получены в общем виде и могут быть применены для любого порядка теории возмущений. (В Unitarity-dim6 блок «Radiative corrections» содержит одно- и двух-петлевые поправки и, в общем случае, может содержать и другие вклады). – Создан программный код Unitarity-dim6, позволяющий проверить выполнение условий пертурбативной унитарности в хиггсовском секторе, расширенном операторами размерности шесть, при заданном наборе параметров МССМ (файл в формате pdf прикреплен к Отчету). – Проведена оценка допустимых значений параметров МССМ, удовлетворяющих условиям пертурбативной унитарности в хиггсовском секторе, расширенном операторами размерности шесть, в предположении, что легкий СР-четный бозон Хиггса соответствует наблюдаемому, и его свойства сходны со свойствами бозона Хиггса СМ. Показано, что условия пертурбативной унитарности не нарушаются при абсолютных значениях трилинейных констант связи (A_t, A_b) и параметра хиггсино вплоть до 10 ТэВ. – Рассмотрен сценарий low-mA в предположении, что масса СР-нечетного бозона Хиггса (m_A) равна 28 ГэВ, а свойства легкого СР-четного бозона Хиггса соответствуют свойствам наблюдаемого скаляра h(125 ГэВ). В отличие от публичных программных кодов (FeynHiggs, MhEFT и др.) подход, применяемый исполнителями Проекта, позволяет рассматривать МССМ с иерархией масс m_A < m_h < m_top < M_SUSY (m_top – масса топ-кварка, M_SUSY – характерный масштаб масс суперпартнеров), самосогласованным образом описывающий массовый базис в секторе Хиггса. Проанализированы условия вакуумной стабильности и пертурбативной унитарности, учтены экспериментальные ограничения на параметры МССМ. Показано, что сценарий low-mA может быть реализован в приближении разложения хиггсовского потенциала до операторов выше размерности четыре. - Получены новые теоретические предсказания и дифференциальные распределения для парциальных ширин распадов B+ -> mu+ mu- e+ nu_e, B+ -> e+ e- mu+ nu_mu, и B+-> mu+ mu- mu+ nu_mu. Изучена зависимость парциальных ширин от относительной фазы между вкладами \rho^0(770) и \omega(782) - резонансов в амплитуды процессов. - В рамках Стандартной модели получены теоретические предсказания для ширины распада Bs-> mu+ mu- e+ e-, которые не противоречат экспериментальному верхнему пределу на парциальную ширину распада Bs-> mu+ mu- mu+ mu-. Представлен ряд дифференциальных характеристик для распада Bs-> mu+ mu- e+ e- . - Выписано новое неравенство Вигнера для проверки Гипотезы реализма. Показано его нарушение в системах нейтральных В-мезонов. На основе неравенства Леггетта–Гарга в форме Вигнера для N различных моментов времени показано, что последовательное применение концепции Макроскопического реализма к любой квантовой системе приводит к ”замораживанию” этой системы в начальном состоянии. - На основе анализа редких распадов B-мезонов получены непрямые ограничения на аномальные каплинги топ-кварка в случае сценария, когда эти каплинги являются действительными и при этом два из четырех каплингов могут иметь значения, отличные от их значений в Стандартной модели. Непрямые ограничения были получены из анализа трех процессов: инклюзивные распады b->s\gamma, b->sl+l-, происходящие за счёт нейтральный токов с изменением аромата кварков, и B-anti B осцилляции. Полученные непрямые ограничения оказались более жёсткими, чем прямые ограничения, полученные из рождения топа.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Феноменологические проявления расширений Стандартной модели в процессах с участием топ-кварка
Результаты этапа: - Завершен цикл исследований процесса ассоциативного рождения топ кварка с W бозоном и b-кварком (tWb) точно учитывающем однорезонансные, двухрезонансные вклады и интереференцию между ними, и включающие основные возможные аномальные операторы за рамками СМ, во взаимодействии топ кварка с W бозоном и b-кварком. На основе проведенных исследований созданы Монте-Карло генераторы, необходимые для экспериментального поиска. Проведено точное, калибровочно-инвариантное, моделирование процесса tWb, учитывающее необходимые интерференционные члены и все основные аномальные операторы параметризующие возможные отклонения от предсказаний СМ во взаимодействии топ кварка с W бозоном и b-кварком. Созданные генераторы и смоделированные события внедрены в экспериментальном поиске исследуемых отклонений в эксперименте CMS коллайдера LHC, и проходят необходимое официальное моделирование отклика детектора. Предложенный подход кинематического разделения однорезонансных и двухрезонансных вкладов в процесс tWb с помощью специальной нейронной сети, продемонстрированный в феноменологических публикациях, внедряется в экспериментальном поиске отклонений во взаимодействии топ кварка с W бозоном и b-кварком (Wtb), проводимом в рамках коллаборации CMS. Применение разработанного комплексного подхода включающего точное моделирование разных вкладов, кинематическое разделение с помощью нейронной сети и последующее выделение возможных отклонений от СМ во взаимодействии Wtb позволит существенно повысить чувствительность экспериментального анализа. Разработанные методы описаны в публикациях, представлены на международных конференциях и на рабочих совещаниях коллаборации CMS. - Опубликован и представлен общий метод формирования набора наблюдаемых для применения глубоких нейронных сетей в анализе процессов рассеяния на коллайдерах. Метод разработан для оптимизации проводимых исследований в рамках гранта и представлен в докладах на сессии ОЯФ РАН (Новосибирск, Март 2020) и конференции посвященной машинному обучению состоявшейся в ЦЕРНе (IML workshop, CERN, октябрь 2020). - Проведено исследование границ применимости EFT подхода при нахождении экспериментальных ограничений на вклад аномальных операторов исходя из условия унитарности. Были рассмотрены операторы описывающие нейтральные токи меняющие аромат кварков во взаимодействиях топ кварка. Вычислены аналитические зависимости амплитуды таких процессов. Проведены численные вычисления зависимостей поведения сечений при различных энергиях. Продемонстрировано стабильное поведение сечений при возрастании энергии. Аналитические выражения для амплитуды процессов позволили показать, что получаемые экспериментальные ограничения не выходят за границы унитарности и используемый подход исследований может быть применен не только для современных коллайдеров, но и планируемого коллайдера FCC при энергии 100 ТэВ. Исследования таких процессов были проведены ранее в рамках данного гранта, а опубликованная работа позволила количественно подтвердить применимость использованного подхода для современных и планируемых коллайдеров. - Разработан новый метод измерения ширины топ кварка. Получены теоретические предсказания точности модельно-независимого измерения ширины топ-кварка на основе одновременного измерения в t-канальном и ассоциативном tW каналах рождения топ-кварка. Показано, что использование разработанного метода и одновременное измерении ширины топ-кварка в двух каналах рождения позволит повысить точность измерений в силу существенно меньшей систематической ошибки измерения сечений t-канального рождения по сравнения с измерением только в tW канале. - Проведены исследования off-shell Electroweak Dipole Momentum (osEDM) топ кварка в Wtb вершине с более общей формой Лагранжиана таких взаимодействий, использующих ковариантную производную и включающей 4-частичные вершины взаимодействия. Наиболее вероятные процессы pp->Ztb и pp->Wtb, были феноменологически исследованы на предмет чувствительности к экспериментальному обнаружению osEDM. Созданы Монте-Карло генераторы событий и проведено моделирование этих процессов. Получены распределения для чувствительных к аномальным вкладам кинематических переменных, таких как поперечные импульсы частиц, их псевдобыстроты и углы между ними, анализ формы этих распределений может быть использован для экспериментального поиска аномальных взаимодействий. Получены зависимости полных и дифференциальных сечений от параметров характеризующих вклад таких аномальных взаимодействий. Результаты демонстрируют значительные различия с опубликованными ранее, в частности показано, что процесс с Wtb конечным состоянием также имеет перспективы для экспериментального поиска osEDM взаимодействий. Использование общего модельно-независимого подхода к поиску отклонений от предсказаний СМ методами эффективной теории поля (SMEFT) будет включать рассмотренные операторы в рамках варшавского базиса. - Впервые получено аналитическое выражение для дифференциального сечения полного процесса рождения одиночного t-кварка с последующим его распадом (2 -> 4) как функции энергии заряженного лептона из распада t-кварка и двух углов его ориентации относительно направления d-кварка из процесса рождения. Выражение представлено в наиболее общем виде для случая действительных и мнимых векторных и тензорных аномальных параметров взаимодействия Wtb. Показано, что профили многомерных кинематических распределений частиц в конечном состоянии существенно различаются для вкладов, пропорциональных различным комбинациям аномальных параметров. Наиболее заметные различия проявляются в форме поверхностей двумерных распределений, где одна из переменных - энергия заряженного лептона, а другая - один из углов его ориентации относительно направления d-кварка из процесса рождения. С помощью полученного аналитического выражения проведено прямое фитирование и проведена оценка точности измерения аномальных параметров Wtb для разных значений интегральной светимости коллайдера LHC. - Опубликованы два обзора. Первый обзор посвящен современному состоянию физики топ-кварка. В обзоре приведено теоретическое описание ожидаемых свойств самого топ-кварка и основных процессов его рождения и распада. Описаны текущие экспериментальные результаты демонстрирующие прекрасное согласие с предсказаниями СМ. Рассмотрены основные направления поиска возможных отклонений от предсказаний СМ и современные ограничения на проявления исследуемых отклонений. Приведены исследования ожидаемой чувствительности измерений в физике топ-кварка на планируемых будущих экспериментах. Второй обзор посвящен современным методам модельно-независимого поиска возможных отклонений от предсказаний СМ методами эффективной теории поля. - Получены теоретические результаты для вклада виртуального чарма, включая нефакторизуемые вклады, в наблюдаемые характеристики редких полулептонных распадов В-мезонов, происходящих за счёт слабых нейтральных токов в изменением аромата кварков (FCNC). Получены дифференциальные сечения в широкой области импульсов лептонной пары, дифференциальные зарядовые асимметрии, специфические асимметрии, измеряемые экспериментально в полулептонных распадах в лёгкие векторные мезоны. Получены явные параметризации данных наблюдаемых характеристик как функций аномальных Wtb каплингов в области импульсов лептонной пары ниже порога рождения чарма (в данной кинематической области вклад виртуального чарма, включая нефакторизуемые эффекты, надёжно предсказывается в рамках метода правил сумм КХД); данные параметризации явным образом учитывают теоретические неопределённости, связанные с непертурбативными КХД эффектами в амплитудах редких полулептонных распадов В-мезонов (как за счёт вклада топ кварка, так и за счёт вклада чарма в эффективный Лагранжиан слабых FCNC b->s и b->d переходов). Полученные параметризации основаны на последних наиболее точных результатах по амплитудам распадов В-мезонов и дают возможность наиболее надёжного анализа экспериментальных данных с целью поиска физики вне рамок СМ. - Показано, что в рамках наиболее общего подхода, в котором аномальные каплинги могут независимо принимать ненулевые значения, отличные от нулевых значений СМ, эксперименты по В-физике позволяют получить ограничения на три линейные комбинации четырёх аномальных каплингов. - На основе анализа широкого набора экспериментальных данных по В-физике [осцилляции В-мезонов, лептонные FCNC распады B-мезонов в пару мюонов, инклюзивные FCNC полулептонные распады В->Xs µµ, эксклюзивные FCNC полулептонные распады В->(K,K*)µµ], получены допустимые области аномальных Wtb каплингов в наиболее общем сценарии, когда все три каплинга одновременно могут принимать ненулевые значения. Путём интегрирования соответствующих распределений, получены одномерные и двумерные распределения вероятности аномальных Wtb каплингов; данные распределения отличаются от нормального Гауссова распределения. Показано, что наиболее вероятными являются ненулевые значения аномальных каплингов; нулевые значения, отвечающие СМ, находятся вблизи границы области 68% CL. - Получены результаты для аномальных каплингов, обьединяющие прямые ограничения из рождения топа и непрямые ограничения из В-физики. Показано, что В рамках рассмотренных сценариев отличия аномальных каплингов от их ненулевых значений СМ, непрямые ограничения из В-физики являются значительно более строгими, чем прямые ограничения. Отмечено, что комбинирование прямых и непрямых ограничений является наиболее перспективным подходов для поиска аномальных каплингов. - Получены уточненные теоретические предсказания для парциальных ширин и дифференциальных распределений распадов B+ -> mu+ mu- e+ nu_e, B+ -> e+ e- mu+ nu_mu, и B+ -> mu+ mu- mu+ nu_mu. Изучено влияние возможной относительной непертурбативной фазы между rho(770) и omega(782) - резонансов и ненулевых лептонных масс на парциальные ширины и распределения распадов заряженных B-мезонов на три заряженных лептона и нейтрино. Результаты опубликованы в работе: A.Danilina, N.Nikitin, K.Toms, PRD 101, 096007 (2020). - Получено предсказание для парциальной ширины распада B_s -> mu^+ mu^- e+ e- на уровне Br(B_s -> mu^+ mu^- e+ e-) = 7*10^{-10}. Учитывался нерезонансный вклад в модели симметричного факторизованного формфактора, резонансный вклад phi(1020)-мезона, вклады rho(770) и omega(782) – резонансов. В рамках программного пакета EvtGen написан матричный элемент распада, получены предварительные дифференциальные распределения. Работа готовится к направлению в печать. - Предложено новое зависящее от времени неравенство Вигнера, которое предназначено для экспериментальной проверки нарушения Гипотезы реализма как нерелятивистской квантовой механике, так и в квантовой теории поля. Разобраны примеры нарушения данного неравенства в системах нейтральных В-мезонов. Результаты опубликованы в работах: N.Nikitin, K.Toms, PRA 100, 062314 (2019) и N.Nikitin, K.Toms, EPJ Web Conf. 222, 03003 (2019). - Дан последовательный вывод неравенств Леггетта–Гарга в форме Вигнера для N различных моментов времени. При помощи этого неравенства показано, что последовательное применение концепции Макроскопического реализма к квантовой системе приводит к эффекту, аналогичному квантовому парадоксу Зенона. Тезультат опубликован: N.Nikitin, K.Toms, PRA100, 062314 (2019) и N.Nikitin, K.Toms, EPJ Web Conf. 222, 03003 (2019). - Найдено, что свойство моногамии запутанных состояний препятствует сверхсветоврй передаче сигналов между двумя макроскопическими праборами, измеряющими значения наблюдаемых в каждой из двух запутанных между собой подсистем. Статья опубликована: Н.Никитин, К.Томс, "Вестник МГУ", серия 3 "Физика и астрономия", N6, стр. 28-33 (2020). - Впервые получены аналитические выражения для условий пертурбативной унитарности, применимые к разложению хиггсовского потенциала двухдублетной модели до операторов размерности шесть. Результаты могут быть применены как для двухдублетной модели общего вида, так и для ее частного случая - МССМ, в последнем случае необходимо учитывать зависимость констант самодействия хиггсовских полей от суперсимметричных параметров. - Проанализированы условия пертурбативной унитарности в хиггсовском секторе МССМ при конечных и в пределе высоких энергий, с учетом операторов размерности четыре и шесть (Dubinin M. N., Fedotova E. Yu., On perturbative unitarity in the extended MSSM Higgs sector, Journal of Physics: Conference Series, Vol.1690, 2020). Предложен параметрический режим МССМ «large-A,mu» (параметры мягкого нарушения суперсимметрии порядка квадрата характерного масштаба масс суперпартнеров), при котором вклады операторов размерности шесть эффективного хиггсовского потенциала U(6) сравнимы с вкладами операторов размерности четыре U(4). Анализ при конечных энергиях, учитывающий массы частиц в пропогаторах, показал, что (1) унитарность не нарушается как для известных режимов МССМ (сценарии m_h^max, m_h^mod+, m_h^mod-, light stop, light stau, tau-phobic), так и для режима «large-A,mu» (как правило), (2) при одних и тех же значениях параметров нарушение унитарности более вероятно при учете дополнительных вкладов U(6). - Получены теоретические предсказания для сценариев типа low-mA. Показано, что существование легкого псевдоскаляра МССМ с массой m_A=28 ГэВ возможно только при учете дополнительных пороговых поправок, индуцированных операторами размерности шесть в разложении однопетлевого эффективного хиггсовского потенциала МССМ. Характерные параметрические режимы, соответствющие легкому псевдоскаляру МССМ в пределе настройки связей h(125 ГэВ), определены следующим образом: масштаб масс суперпартнеров M_S порядка 1--2 ТэВ, tg \beta порядка 2--5, трилинейные параметры A_{t,b} и параметр суперполя \mu порядка 3--9 ТэВ. В хиггсовском секторе такой выбор парметров удовлетворяет условиям существования локального минимума и пертурбативной унитарности, модифицированным с учетом оперторов размерности шесть. Массы тяжелого СР-четного H и заряженных H+ бозонов Хиггса порядка масштаба электрослабого взаимодействия. При этом численные оценки, основанные на анализе распада топ-кварка на заряженный бозон Хиггса и b-кварк, не противоречат модельно-независимым экспериментальным данным, полученным коллаборациями ATLAS и CMS. - Получено сечение процесса pp -> mu+ mu- b \bar{b} c промежуточным СР-нечетным бозоном Хиггса порядка 0.01--0.40 фбн и 0.03--0.90 фбн при \sqrt{s}=8 и 13 ТэВ соответственно, что от нескольких раз до 1--2 порядков меньше оцененного коллаборацией CMS для отклонения при 28 ГэВ. С увеличением энергии до \sqrt{s}=13 ТэВ сечение рожения псевдоскаляра растет медленнее, чем фон, что ухудшает достоверность сигнала. Сечение чувствительно к эффективности мюонного триггера и идентификации струй b-кварков, которые сильно влияют на достоверность такого слабого сигнала. Помимо факторов, связанных с реконструкцией конечного состояния, отметим более чем вероятную возможность больших радиационных поправок в полные ширины скаляров и парциальные вероятности распадов, что очевидно из имеющегося опыта расчетов для состояния h(125 ГэВ) уже в рамках стандартной модели. Из имеющегося опыта расчетов уровня NLO и NNLO следует, что результаты древесного уровня могут быть существенно модифицированы в сторону увеличения. Масштаб модификации такого рода сложно оценить без детальных вычислений.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".