Третье поколение фермионов как универсальный ключ для открытия новой физикиНИР

The third generation of fermions as a universal key for the discovery of new physics

Соисполнители НИР

"Базис" Координатор

Источник финансирования НИР

другие гранты РФ, Грант фонда развития теоретической физики и математики «Базис», в номинации «Junior Leader» («Молодой ведущий ученый»)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 июня 2021 г.-1 июня 2022 г. Третье поколение фермионов как универсальный ключ для открытия новой физики
Результаты этапа: Многие гравитационные, астрофизические и космологические явления указывают на существование особого вида материи, которую мы называем Темной Материей (TM). Подобные явления можно объяснить, если предположить, что ТМ – это разновидность частиц, которые должны обладать определенными свойствами. Очень перспективным методом исследований выглядит поиск сигналов от темной материи в ускорительных экспериментах. В настоящее время среди моделей темной материи нет какой-либо выделенной, наиболее привлекательной, и создание новых моделей, которые согласуются с существующими экспериментальными астрофизическими данными с одной стороны, а с другой - допускают проверку на существующих и будущих ускорителях, представляется важной задачей. В популярных сценариях предполагается, что взаимодействие полей СМ (Стандартной модели) с полями Темной Материи осуществляется через частицы посредники(медиаторы). В этих сценариях поля СМ и Темной материи не взаимодействуют напрямую друг с другом, но взаимодействуют с медиатором с константами взаимодействия пропорциональными массе частиц. Поэтому на передний план выходят процессы с участим тяжелых частиц третьего поколения. На коллайдере LHC для детектирования процессов рождения частиц темной материи анализируются процессы с большой потерянной энергией, которая уносится частицами темной материи, однако такой поиск сильно осложнен большим количеством фоновых процессов, что делает невозможным поиск лёгких медиаторов и лёгкой темной материи на LHC. Расширенные возможности для поиска частиц лёгкой темной материи должен предоставить будущий Российский коллайдер Супер-С-тау-Фабрика(SCTF). SCTF - это перспективный проект будущего электрон-позитронного коллайдера c диапазоном энергий от 3 до 7 ГэВ в системе центра масс, который обеспечит уникально высокую пиковую светимость 10^35 см^-2 с^-1. Физическая программа SCTF направлена на детальное изучение процессов с участием c-кварка и тау-лептона. За 10 лет работы SCTF интегральная светимость коллайдера должна превысить 10 абс^-1. На первом этапе мы оценили возможность поиска на SCTF процессов ассоциативного рождения пары тау-лептонов и скалярного медиатора, который распадается на частицы Тёмной Материи. Мы рассмотрели наиболее общую модель, в которой взаимодействие медиатора с частицами СМ подобно их взаимодействию с бозоном Хиггса и пропорционально массе этих частиц. Модель допускает смешивание нового скаляра с полем Хиггса. Это смешивание должно проявлять себя в процессах с участием бозона Хиггса и может быть использовано для установления модельно-зависимых ограничений на параметры взаимодействия нового скаляра с полями СМ. Минимальное расширение скалярного сектора сильно ограничено сверху экспериментами по поиску редких мезонных распадов, обусловленных нейтральными токами изменяющих аромат и рядом других процессов, поэтому на первый план для поиска выходит диапазон масс скаляра в районе 1МэВ-1ГэВ. В ряде перспективных моделей предполагается, что после спонтанного нарушения симметрии связи нового скаляра с кварками оказываются сильно подавленными и он взаимодействует преимущественно с лептонами СМ. Таким образом, возникает скалярный портал для взаимодействия между тяжелыми лептонами СМ и Темной Материей. Такую гипотетическую частицу-медиатор называют темным лептофильным скаляром p_L. Еще одна возможность создания портала между секторами СМ и ТМ — добавление дополнительного массивного векторного бозона, связанного со спонтанно нарушенной калибровочной группой U_D(1), взаимодействие которого с заряженным фермионным током СМ подобно взаимодействию обычного фотона. Такой векторный посредник, который называют темным фотоном A’ может иметь массу в диапазоне менее ГэВ и посредством кинетического смешивания взаимодействовать с полями СМ. После спонтанного нарушения симметрии и диагонализации кинетических членов смешивание приводит к тому, что темный фотон A’ приобретает взаимодействие с электромагнитным током СМ. Мы рассмотрели случай, когда масса частиц тёмной материи меньше половины массы векторного медиатора m_x<m_Ap/2 и темный фотон распадается преимущественно в нерегистрируемые конечныесостояния темного сектора. В работе мы также оценили возможность поиска на SCTF процессов ассоциативного рождения пары тау-лептонов и векторного медиатора, который распадается на частицы Тёмной Материи. В результате проведенных исследований мы оценили доверительные области в пространстве параметров моделей со скалярными и векторными медиаторами, доступные для наблюдения на Супер c-тау Фабрике и показали, что границы этих областей располагаются значительно ниже и шире, чем полученные в предыдущих экспериментах, что говорит о большом потенциале Супер c-тау Фабрики для поиска легкой Темной материи. Следует отметить, что поиск легкой темной материи в процессах ассоциированного рождения с тау лептонами представляют особенный интерес, так как позволяет одновременно осуществлять поиск скалярных и векторных медиаторов. Угловые распределения существенно различаются для медиаторов с различными спинами. Исследуя угловые корреляции в таких процессах можно определить спиновую природу частиц — медиаторов. Проведенный в работе анализ это "первый взгляд" без детального моделирования эффектов детектора, учет которых может несколько уменьшить число сигнальных событий, однако если использовать многомерные методы анализа, такие как методы нейронных сетей или деревьев решений, то можно существенно улучшить сооотношение сигнал/фон, что позволит ещё расширить границы областей допустимых значений параметров. (Результаты этого исследования опубликованы в работе: Prospects for Dark Matter Search at the Super c-tau Factory, E. E. Boos, V. E. Bunichev, and S. S. Trykov, arXiv:2205.07364 [hep-ph]. Это первое исследование возможности поиска легкой Темной материи на перспективном Российском коллайдере Супер c-тау Фабрика). Одной из самых актуальных физических проблем, стоящих перед исследователями является спиновая структура нуклонов. До сих пор нет адекватной теории детально объясняющей то как спин протона определяется спинами составляющих его партонов (кварков и глюонов). Вероятность процесса с участием определенного партона описывается функцией, зависящей от доли полного импульса протона, которой обладает этот партон, и значения энергетического масштаба. Эти функции известные, как функции партонного распределения(ФПР), содержат информацию о внутренней структуре соответствующих нуклонов. Для более точного описания процессов с нуклонами при малых энергиях также вводятся функции партонных распределений, зависящие от поперечного импульса (TMD PDF). На текущем уровне знаний о структуре нуклонов, функции распределения партонов не могут быть получены аналитически и должны быть измерены экспериментально. Для измерений ФПР обычно используются процессы глубоко неупругого рассеяния (ГНР), а также процессы Дрелла-Яна (ДЯ). В устоявшемся подходе для изучения функций партонного распределения используют процессы Дрелла-Яна с рождением электрон-позитронной или мюон-антимюонной пары, т.к. в этом случае массой лептонов можно пренебречь, и можно рассматривать их как имеющих определённую спиральность. В рамках этого подхода угловые параметры, которые определяют пространственную ориентацию импульса лептонов относительно импульсов сталкивающихся нуклонов, используются как параметры, описывающие состояние поляризации пары лептонов. Затем можно измерить азимутальные асимметрии и вывести из них конкретные структурные функции. В случае рождения пары тау, этот подход будет работать только при очень высоких энергиях. Массивные частицы не имеют определённой спиральности. Таким образом, для тау-лептонов, угловые параметры, как характеризующие спин переменные, могут быть использованы только при энергиях столкновения значительно больших чем масса тау-лептонов и не подходят для значений энергии сравнимых с их массой. Следовательно, нужна более подходящая параметризация состояний поляризации тау-лептонов. Для решения этой задачи мы предлагаем использовать особые свойства распада тау-лептона. Рассмотрим адронный распад тау на одиночныйзаряженный пи-мезон и нейтрино. Из-за слабой природы этого распада и того, что нейтрино всегда лево-поляризованы, спектр энергии пи-мезона строго коррелирует с состоянием поляризации распадающегося тау-лептона. Например, в случае распада преимущественно право поляризованного тау, из-за сохранения углового момента большая часть импульса тау передается пи-мезону. И наоборот, в случае преимущественно лево поляризованного тау, значительная часть его импульса передаётся нейтрино. Таким образом, энергия одиночного пи-мезона - удобная характеристика состояния поляризации породившего его тау. Итак, для того, чтобы определить поляризацию тау-лептонов, мы предлагаем использовать адронные распады тау-лептонов на одиночный заряженный пи-мезон и нейтрино. Мы предлагаем использовать энергию одиночного пи-мезона как переменную, которая параметризует состояние поляризации тау-лептонов. Ключевая особенность нашего метода состоит в том, что мы не суммируем по состояниям поляризации тау-лептонов, но сохраняем информацию о поляризации обоих тау-лептонов через энергию одиночных пи-мезонов из распадов тау. Следуя этому подходу, можно определить поляризацию взаимодействующих партонов, измеряя энергию пи-мезонов, рождённых в соответствующих распадах тау-лептонов. Учитывая тот факт, что заряженные пионы хорошо регистрируются, предложенный метод потенциально является удобным чувствительным и мощным инструментом для изучения ФПР нуклонов в поляризованных процессах Дрелла-Яна с парным рождением тау-лептонов. (Результаты этого исследования опубликованы в сборнике, который является первой официальной публикацией коллаборации SPD на Российском адронном коллайдере НИКА: Possible Studies at the First Stage of the NICA Collider Operation with Polarized and Unpolarized Proton and Deuteron Beams. Part 15: Measurement of characteristics of the processes of pair production of polarized tau leptons in the SPD experiment. Aleshko A., Boos E., Bunichev V., Physics of Particles and Nuclei volume 52, pages 1044–1119 (2021)). В рамках нашей работы в составе международных Топ и Хиггс групп были проанализированы данные c интегральной светимостью 137 фбн^-1, которые были собраны в ходе эксперимента CMS на коллайдере LHC в протон-протонных столкновениях при энергии центра масс 13 ТэВ. В результате проведенного анализа получены следующие результаты: Представлено измерение сечения ассоциированного рождения одиночного t-кварка и W-бозона в конечных состояниях с мюоном или электроном и адронными струями. Для отделения tW-сигнала от доминирующего tt¯-фона используется метод «деревьев решений», в то время как многоструйные фоновые процессы ограничены с использованием оценок, основанных на экспериментальных данных. Этот результат является первым наблюдением процесса tW в конечных состояниях, содержащих мюон или электрон и адронные струи, со статистической значимостью, превышающей 5 стандартных отклонений. Измеренное сечение процесса равно 89 ± 4 (стат) ± 12 (сист) пб, что согласуется с предсказанием Стандартной Модели. (Результаты исследования опубликованы в работе: Journal of High Energy Physics, том 2021, № 11, с. 111). Проведен поиск гипотетических W'-бозонов, распадающихся на t и b кварки в полностью адронном конечном состоянии. Для идентификации адронных струй идущих из распадов t и b кварков использованы алгоритмы глубоких нейронных сетей. Превышения над расчетным фоном СМ не наблюдается. Установлены наиболее строгие на сегодняшний день верхние пределы на сечения рождения W'-бозонов, распадающихся на t- и b-кварк. W'- бозоны с левыми и правыми взаимодействиями с массами ниже 3,4 ТэВ исключены с вероятностью 95%. (Результаты исследования опубликованы в работе: Physics Letters B, том 820, с. 136535). Проведен поиск тяжелого резонанса, распадающегося на t-кварк и W-бозон в полностью адронном конечном состоянии. Поиск ведется в предположении, что тяжёлый возбужденный b*-кварк распадается на t-кварк и W-бозон и продукты их распадов будут реконструированы как единые широкие струи. Гипотезы b*-кварков с левой и правойкиральностью исключаются с вероятностью 95% для масс ниже 2,6, 2,8 и 3,1 ТэВ соответственно. Это самые строгие ограничения на массу b*-кварка на сегодняшний день, расширяющие предыдущие ограничения почти в два раза. (Результаты исследования опубликованы в работе: Journal of High Energy Physics, том 2021, № 12, с. 106). Проведен поиск тяжелого бозона Хиггса H, распадающегося на наблюдаемый бозон Хиггса h с массой 125 ГэВ, далее распадающийся на пару тау-лептонов, и еще один бозон Хиггса hS, далее распадающийся на пару b-кварков . Исследовались диапазоны масс 240- 3000 ГэВ для m_H и 60-2800 ГэВ для m_hS. Превышения на фоном СМ не наблюдалось. (Результаты исследования опубликованы в работе: Journal of High Energy Physics, том 2021, № 11, с. 57). Впервые проведено измерение инклюзивного и дифференциальных сечений процессов рождения бозона Хиггса с его последующим распадом на пару τ-лептонов. (Результаты исследования опубликованы в работе: Physical Review Letters, том 128, № 8, с. 081805).

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".