Лаборатория электрослабых и новых взаимодействий

Тематичесий план НИР 3.2 "Экспериментальные исследования по физике тяжелых кварков, электрослабых и нестандартных взаимодействий при высоких энергиях" (ПН: 08; ТП: 01; ПНР:3)

Цель исследования:
Основной теорией, описывающей фундаментальные взаимодействия лептонов и кварков, является Стандартная модель (СМ). Проверка ее предсказаний и измерение целого ряда параметров, не фиксируемых самой теорией, стало одной из основных задач современной физики высоких энергий. Открытие бозона Хиггса в 2012 году явилось триумфом Стандартной модели (СМ) электро-слабых и сильных взаимодействий и заложенного в ней механизма спонтанного нарушения симметрии, в результате которого фундаментальные бозоны и фермионы приобретают массы. Однако, СМ не может быть признана окончательной теорией, поскольку она не объединяет Квантовую хромодинамику (КХД) с электрослабыми взаимодействиями и не включает в себя гравитацию. Кроме того, за рамками СМ остаются проблемы темной материи и темной энергии, происхождение эффекта CP-нарушения, барионной асимметрии Вселенной, размерности пространства-времени, проблемы стабилизации массового параметра бозона Хиггса по отношению к высшим порядкам теории возмущений и целый ряд других фундаментальных вопросов. СМ описывает тысячи ускорительных результатов, но сама содержит около 20 свободных параметров: массы фундаментальных частиц, константы взаимодействия, параметры матрицы Кабибо-Кобаяши-Маскава, матрицы смешивания нейтрино. Такое количество свободных параметров не совместимо с современным представлением о том, как должна выглядеть фундаментальная теория. Отклонения от предсказаний СМ могут проявиться, возможно в первую очередь, в процессах с участием тяжелых кварков. Не ясна роль тяжелых кварков в эволюции сверхплотной горячей материи. Отсутствие точного знания пределов применимости Стандартной модели, природы новой физики за её пределами, в том числе, связанной с тяжелыми кварками, является общей научной проблемой, на решение которой направлены данные исследования.


Аннотация на английском языке:
One of the main tasks of modern high-energy physics is to check the Standard Model (SM) and to find possible deviations from its predictions. Modern experimental results are in a good agreement with the predictions of SM. However, this theory cannot be established as a final because of the existence of a number of open questions, in particular, the large difference between the mass of the top quark and the masses of other quarks. The top quark is a heavy and pointy like object at the same time. The lifetime of the top quark is less than the characteristic hadronization time, the top quark decays before it could form hadrons, thereby providing a unique opportunity to test the fundamental properties of the quark without the uncertainties associated with the hadronization. The top quark sector may turn out to be the key one, in which deviations from the predictions of the SM will be manifested in the first place. As part of the research, it is planned to develop and introduce common approaches in modern experiments in modeling and experimental verification of possible deviations from the predictions of SM in the sector of the top quark and Higgs boson, as well as the search for new particles and interactions predicted in models outside the SM. The main objective of research is to conduct experimental studies in the experiments of CMS (LHC, CERN), D0 (Tevatron, Fermilab), ZEUS (HERA, DESY), NIKA (Dubna, Russia), ILC, FCC (CERN) in order to verify the predictions of the SM and to find possible deviations from its predictions.



Актуальность проблемы:
Одной из самых актуальных задач современных ускорительных экспериментов, в частности, экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC), является задача поиска явлений, которые не могут быть описаны в рамках СМ (так называемая ''новая физика''). Поиски новой физики на LHC идут по двум основным направлениям: прямое рождение новых частиц в протон-протонных столкновениях и косвенное обнаружение ''новой физики'' по ее вкладу в редкие и сверхредкие (с точки зрения СМ) распады адронов. Массы новых частиц, которые могут возникнуть в прямом pp--столкновении на LHC, ограничены суммарной энергией сталкивающихся партонов, различными законами сохранения (например, R-четности для суперсимметричных частиц) и не могут превосходить нескольких ТэВ. В процессах с участием тяжелых кварков как в прямом рождении с последующими распадами, так в виртуальных вкладах, многими исследователями ожидаются возможные первые проявления физики за рамками СМ. Одним из наиболее загадочных объектов в СМ является топ-кварк, так как его масса на два и более порядков больше масс остальных кварков, топ-кварк успевает распасться по единственному каналу до образования связных адронных состояний, в процессах с рождением и распадом топ-кварков можно напрямую измерить (V-A) структуру его заряженных взаимодействий, предсказываемую СМ. Различные аспекты физики топ-кварка интенсивно исследуются в экспериментах на коллайдерах LHC, Tevatron, и будут исследоваться на планируемом Международном Линейном Коллайдере (International Linear Collider, ILC) и FCC (Future Circular Collider, CERN). Совокупность свойств топ-кварка и его место в СМ приводит к тому, что наиболее точное исследование его свойств и параметров взаимодействий с другими частицами представляется одной из наиболее актуальных проблем современной физики элементарных частиц. Партнером по слабому изотопическому спину топ-кварка является b-кварк. Ширины редких распадов тяжёлых адронов, содержащих b-кварк, и различные асимметрии, наблюдаемые в таких распадах, чувствительны к возможным проявлениям физики вне рамок СМ. Как правило, петлевые вклады с участием виртуального топ-кварка играют доминирующую роль в таких редких распадах. Если взаимодействия топ-кварка имеют аномальные добавки, то связанные с ними вклады могут существенно увеличить вероятности редких распадов. Это дает дополнительную к прямым поискам принципиальную возможность постановки ограничений  на параметры аномальных взаимодействий топ-кварка. Экспериментальное изучение редких распадов B-адронов, наряду с поиском прямого рождения новых частиц, является основным методом поиска новой физики. В свою очередь, для надёжного извлечение информации о новой физике в распадах тяжёлых адронов, необходимо хорошее понимание механизмов их рождения, в первую очередь в экспериментах на LHC.  Актуальным является также изучение поведения тяжелых кварков в протяженной цветной среде. Тяжелые кварки самым тесным образом связаны с физикой бозона Хиггса, взаимодействие с которым в СМ пропорционально массе кварков. Дальнейшие исследования на LHC способны обеспечить детальную информацию о свойствах бозона Хиггса и зарегистрировать проявления новой физики в области энергий от ~100 ГэВ до нескольких ТэВ. Однако для прецизионного измерения свойств бозона Хиггса и классификации проявлений новой физики понадобится провести измерения параметров взаимодействия бозона Хиггса с существенно большей точностью, что возможно в будущих экспериментах на ILC и FCC. Результаты, полученные на LHC и ILC определят дальнейшую стратегию развития физики высоких энергий. Исследования свойств процессов с участием тяжелых кварков в этом плане представляется крайне актуальным.

Решаемые задачи:
Одной из основных задач современной физики высоких энергий является проверка Стандартной модели (СМ) и анализ возможных отклонений от её предсказаний. Современные экспериментальные результаты хорошо согласуются с предсказаниями СМ. Однако эта теория не может быть признана окончательной из-за существования ряда открытых вопросов, в частности, большой разницы массы топ-кварка и масс других кварков. Топ-кварк является тяжёлым и точечным объектом одновременно. Время жизни топ-кварка меньше характерного времени адронизации, топ-кварк распадается до того, как смог бы образовать адроны, тем самым предоставляя уникальную возможность тестирования фундаментальных свойств  кварка  без неопределённостей,  связанных  с  адронизацией. Сектор  топ-кварка может  оказаться  ключевым,  в  котором  отклонения  от предсказаний СМ  проявятся  в  первую  очередь. В  рамках НИР  планируется  разработка  и  внедрение  в  современных  экспериментах  общих подходов  при  моделировании  и  экспериментальной  проверке  возможных  отклонений  от  предсказаний  СМ  в  секторе  топ-кварка  и  бозона Хиггса,  а  также  поиск  новых  частиц  и  взаимодействий,  предсказываемых  в  моделях  за  рамками  СМ.  Основной  задачей  НИР  является проведение  экспериментальных исследований в  экспериментах CMS   (LHC, CERN), D0  (Tevatron, Fermilab), ZEUS   (HERA, DESY), НИКА (Дубна, Россия) и подготовки экспериментов на будущих коллайдерах ILC и FCC, с целью проверки предсказаний СМ и поиска возможных отклонений от её предсказаний.

Планируемые результаты:
Основными планируемыми результатами являются: новые более точные методы вычислений и моделирования процессов проходящих на коллайдерах; созданные Монте-Карло генераторы различных интересных процессов; оптимизация методов анализа больших данных поступающих с современных экспериментов; экспериментальный поиск и измерение различных параметров СМ; разработка теоретических предпосылок и моделей возможных отклонений от предсказаний СМ; разработка методов экспериментального поиска возможных отклонений от предсказаний СМ; установка экспериментальных ограничений на параметры характеризующие возможные отклонения от предсказаний СМ или экспериментальное наблюдение таких отклонений. Полученные экспериментальные результаты лягут в основу развития современных знаний об устройстве материи, фундаментальных взаимодействиях, строения и эволюции Вселенной.
  Одним из основных направлений деятельности Лаборатории являются исследования топ кварка. Разрабатываются методы измерения различных параметров топ кварка (ширина, константы связи, ...) и методы экспериментального поиска различных отклонений в секторе топ кварка от предсказаний СМ. Такие отклонения могут проявляться в виде модификации параметров взаимодействия топ кварка или в проявлении новых частиц в рождении или распаде топ кварка. Исследуются все основные возможности. Первое направление исследований связано с поиском отклонений в заряженных токах во взаимодействии топ кварка с W бозоном и b-кварком. Через это взаимодействие проходит 99% распадов топ-кварка и эта вершина приводит к одиночному рождению топ-кварка. В СМ предсказывается существование левого векторного тока для этого взаимодействия, но возможно существование правого векторного, и левого и правого тензорных токов [E.Boos, L.Dudko, T.Ohl Eur.Phys.J. C11 (1999) 473-484]. Дополнительные структуры во взаимодействии топ-кварка с W бозоном и b-кварком возникают, например, в моделях с легким составным Хиггс бозоном, моделях с дополнительными измерениями и голографическими моделями. Модельно независимый подход для этого направления исследований, можно реализовать в форме вершинных функций при соответствующих структурах в Лагранжиане.  Основной отличительной чертой и существенной сложностью при моделировании таких аномальных вкладов, является правильный учет аномальных связей и в рождении и в распаде топ-кварка, что приводит к нелинейным членам по константам связи, характеризующих аномальные взаимодействия. Правильный учет всех членов требуется для воспроизведения кинематики событий в зависимости от значений аномальных констант связи. Воспроизведение правильной кинематики событий при вариации аномальных констант связи является обязательным условием при наличии отбора событий на основе кинематических характеристик или использования кинематики событий в экспериментальном анализе. Второе направление исследований относится к существованию возможного дополнительного векторного заряженного бозона (W'), предсказываемого в целом ряде теорий за рамками СМ. Модельно независимым образом включается взаимодействие W' с топ кварком и b-кварком через левые и правые токи, что дает возможность варьировать возможные значения констант связи для левых и правых токов и возможную массу W'. Проведение вычислений в пакете CompHEP позволяет провести учет всех необходимых составляющих, включая и интерференционные члены W', взаимодействующего посредством левых токов, и W-бозона Стандартной модели. Такие интерференционные члены приводят к заметному деструктивному вкладу в полное сечение процесса рождения топ-кварка, проходящее посредством W'-бозона[E. Boos, V. Bunichev, L.Dudko, M. Perfilov Phys.Lett. B655 (2007) 245-250]. Следующее возможное отклонение от предсказаний СМ, которое исследуется теоретически и экспериментально, это проявление нейтральных токов меняющих аромат кварков (FCNC), во взаимодействии топ-кварка и верхних u- и c-кварков. Такие процессы в СМ возможны только в высших порядках и сильно подавлены Глэшоу-Иллиополус-Майани (ГИМ) механизмом, но с необходимостью возникают в целом ряде теорий за рамками СМ [E.Boos, L.Dudko Int.J.Mod.Phys. A27 (2012) 1230026].  Различные редкие распады K, D, B мезонов и осцилляции К0,анти-К0 D0,анти-D0 B0,анти-B0 систем сильно ограничивают FCNC включающие кварки первых двух поколений и b-кварк.  FCNC, включающие топ-кварк, ограничены значительно слабее и предсказываются в целом ряде современных расширений СМ, таких как модели с несколькими Хиггсовскими дублетами, модели с дополнительными кварками и модели с топ-кварком как составным обьектом.
  Помимо экспериментальных и феноменологических исследований тяжелых кварков проводятся теоретические исследования различных моделей вне рамок СМ связанных с существованием дополнительных измерений и дополнительных симметрий, и обладающих потенциалом экспериментальной проверки предсказаний таких моделей. 



Научный задел:
Решение поставленных задач и получение запланированных результатов обеспечено богатым опытом предыдущих исследований участников проекта. Коллектив обладает уникальным опытом проведения вычислений и создания Монте-Карло генераторов в физике высоких энергий. Часть коллектива являются соавторами программного пакета символьных и численных вычислений CompHEP [E.Boos, V.Bunichev, M.Dubinin, L.Dudko, et al. Nucl.Instrum.Meth. A534 (2004) 250-259], который широко используется в современной физике высоких энергий. Сотрудники Лаборатории провели широкий спектр феноменологических и экспериментальных исследований в физике топ-кварка, бозона Хиггса и физики b-кварков, что отражено в целом ряде опубликованных феноменологических и экспериментальных исследований в соавторстве с сотрудниками Лаборатории. Созданные генераторы событий t-канального рождения топ-кварка с учетом высших радиационных поправок созданные сотрудниками Лаборатории [E.E. Boos, V.E. Bunichev, L.V. Dudko, V.I. Savrin, A.V. Sherstnev Phys.Atom.Nucl. 69 (2006) 1317-1329, Yad.Fiz. 69 (2006) 1352-1365] использовались для открытия одиночного рождения топ кварка и в последующих исследованиях в экспериментах D0 (Fermilab, Tevatron, США) и CMS (БАК, ЦЕРН). Сотрудники Лаборатории непосредственно участвуют во всех последовательных этапах экспериментальных анализов и являются соавторами коллабораций D0, CMS, ZEUS в которых проводились основные исследования по физике топ-кварка и бозона Хиггса за последние два десятилетия.



Научное и научно-техническое сотрудничество:
(Oснования (соглашения, договоры, контракты) участия в международных и российских программах, участия российских и зарубежных партнеров в НИР)

1. Европейский центр ядерных исследований
(ЦЕРН), Женева, Швейцария
Соглашение о дальнейшем сотрудничестве в области физики высоких энергий между правительством РФ и ЦЕРН от 30.10.1993 г. и последующие протоколы к нему. Физика в экспериментах CMS, ATLAS, LHCb на LHC, LCG, FCC. Совместные исследования, подготовка публикаций
Научный руководитель Боос Э.Э.
Сотрудники, участвующие в проекте:
Беляев А.В., Варданян И.Н., Грибушин А.М., Ершов А.А., Забродин Е.Е., Каминский А.А., Клюхин В.И., Кодолова О.Л., Коротких В.Л., Лохтин И.П., Малинина Л.В., Образцов С.В., Петрушанко С.В., Снигирев А.М.,  Эйюбова Г.Х., Дудко Л.В., Баскаков А.В., Волков П.В., Волков В.Ю., Богданова Г.А., Корнеева Н.А., Перфилов М.А., Козачук А.Д., Гладилин Л.К., Короткова Н.А., Крамаренко В.А., Сивоклоков С.Ю., Бережной А.В., Жуков
В.Ю., Горелов И.В.,  Онищенко А.И., Хейн Л.А., Саврина Д.В.

2. Германия, Немецкий электронный синхротрон  (DESY) г. Гамбург
Соглашение о Сотрудничестве между DESY (Германия) и НИИЯФ МГУ (Россия) о проведении совместных научных исследований на период 2007-2014 гг с последующим продлением.
Исследование свойств электрон - протонных взаимодействий при высоких энергиях и структуры электрона и протона с помощью детектора ZEUS на коллайдере HERA
Научный руководитель Боос Э.Э.
Сотрудники, участвующие в проекте:
Лукина О.Ю., Дементьев Р.К., Коржавина
И.А., Гладилин Л.К., Голубков Ю.А., Левченко
Б.Б., Катков И.И., Щеглова Л.М.

3. США, Национальная лаборатория им. Э.Ферми (Fermilab)
Соглашение о сотрудничестве между Научно-исследовательским институтом ядерной физики МГУ и Национальной
лабораторией им. Э.Ферми (ФНАЛ) по эксперименту D0, 02.02.2016 г. - 31.12.2021г.
Научный руководитель Боос Э.Э.
Сотрудники, участвующие в проекте: Дудко Л.В., Кузьмин В.А.,  Воротников Г.А., Перфилов М.А., Корнеева Н.А.

4. Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН), Женева, Швейцария
Соглашение о сотрудничестве между Научно-исследовательским институтом ядерной физики МГУ и Европейским центром ядерных исследований (ЦЕРН) по проекту Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider - FCC) от 09.06.2017 с приложением FCC-GOV-CC-0111/EDMS 1802106 от 24.04.2017
Научный руководитель Боос Э.Э.
Сотрудники, участвующие в проекте: Боос Э.Э., Дудко Л.В., Буничев В.Е., Воротников Г.А., Перфилов М.А., Баскаков А.В.