Введение к работе
Цель диссертационной работы. Настоящая диссертация посвящена теоретическому исследованию возможных эффектов четырехцветовой симметрии кварков и лептонов и эффектов киральной цветовой симметрии кварков при высоких и умеренных (достижимых на Тэватроне и LHC) энергиях. Исследуются возможные вклады новых скалярных и калибровочных частиц, предсказываемых указанными симметриями, в наблюдаемые величины и возможности проявления таких частиц на Тэватроне и LHC.
В основе диссертации лежат результаты работ, выполненных автором в 2007-2012 гг. в Ярославском государственном университете.
Исследования выполнялись в рамках реализации проектов П-2496 и И-795 Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России".
Актуальность работы. Стандартная модель (СМ) электрослабого и сильного взаимодействий, основанная на калибровочной группе
Gsm = SUc(3)xSUl(2)xU(1), (1)
до настоящего времени показывает хорошее согласие с экспериментом и имеет высокую предсказательную способность. Вместе с тем имеется ряд соображений, указывающих на то, что Стандартная модель, по-видимому, не является окончательной фундаментальной теорией, а лишь низкоэнергетическим пределом некоторой более фундаментальной теории, и поиски возможных расширений СМ составляют одно из направлений исследований современной физики элементарных частиц.
Среди возможных расширений СМ рассматривались модели Великого объединения (GUT), суперсимметричные модели, лево-право-симметричные SUl{2) х SUr{2) х U(l) -модели, модели с двумя хиггсовскими дублетами, модели Техницвета (Technicolor), Little-Higgs-модели и др. Среди таких моделей наибольший интерес представляют модели, предсказывающие эффекты новой физики, доступные их непосредственной экспериментальной проверке при энергиях действующих ускорителей и ускорителей ближайшего будущего.
Особо интересными представляются модели, основанные на некоторых естественных расширениях симметрии СМ (1) (упомянутые выше суперсимметрия, правая SUr(2)-chm-метрия и др.), экспериментальные следствия которых могут быть проверены на действующих и будущих коллайдерах. Среди таких расширений отметим два расширения СМ,
основанных на двух возможных расширениях группы SUC(3) цветовой симметрии кварков.
Первое расширение СМ основано на идее Пати-Салама [1] о возможной четырехцве-товой симметрии между кварками и лептонами, рассматривающей лептоны как кварки четвертого цвета. Эта симметрия расширяет группу SUC(3) до группы четырехцветовой симметрии Gc(4) кварков и лептонов, которая в простейшем случае имеет векторный характер SUv(4:)
Gc(4) = SUV(4) ^ SUC(3) (2)
и спонтанно нарушается до группы SUC(3) на некотором энергетическом масштабе Мс.
При своем минимальном объединении с симметрией СМ на основе калибровочной группы
GMQLS = SUv{4) х SUL{2) х UR{1) (3)
с хиггсовским механизмом расщепления масс кварков и лептонов (минимальная кварк-лептон-симметричная модель - МКЛС-модель [2, 3]), четырехцветовая симметрия предсказывает в калибровочном секторе векторные лептокварки Va и дополнительный нейтральный Z'-бозон, а в скалярном секторе - новые 5'[/^(2)-дублеты скалярных частиц -цветовые триплеты скалярных лептокварков Sda , цветовые октеты группы SUC(3), так называемые скалярные глюоны Fai, и дополнительный бесцветный скалярный дублет Ф^ (а = 1, 2 и а = 1,..., 3, г = 1, ...,8 - SUl(2) и SUc(3) индексы соответственно) [2-4].
Второе возможное расширение Стандартной модели основано на идее изначально ки-рального характера цветовой симметрии кварков, т.е. на группе киральной цветовой симметрии кварков
Gc = SUL(3) х SUR(3) ^ SUC(3), (4)
которая является точной при высоких энергиях и нарушена до обычной SUC(3) при низких энергиях. Кирально-цветовые модели [5-7] в простейшем случае дь = дк в дополнение к обычному безмассовому глюону GM предсказывают существование нового октетного по цвету калибровочного бозона, аксиглюона G^ с массой тсА, аксиально-векторным образом взаимодействующего с кварками с константой связи, равной константе сильного взаимодействия gs, и имеющего ширину ТсА ~ 0.1тпсА [8]. В общем случае при дь ф дк симметрия (4) предсказывает существование дополнительного калибровочного G'-бозона с векторной и аксиально-векторной константами взаимодействия с кварками.
Таким образом, оба этих расширения обобщают обычную трехцветовую кварковую симметрию векторного типа (квантовая хромодинамика) и предсказывают новые частицы в калибровочном секторе (калибровочные лептокварки и Z'-6o30H(bi) при четырехцвето-вом расширении и G'-бозон (в частном случае, аксиглюон) в случае кирального расширения) а также новые частицы в скалярном секторе, являющиеся дублетами электрослабой группы SUl{2) и специфическим образом (преимущественно с третьим поколением) взаимодействующие с кварками и лептонами. Как показывает анализ, некоторые из этих частиц могут быть легкими, с массами порядка и ниже 1 ТэВ, и приводить к новым эффектам, доступным для наблюдения на LHC. Исследование свойств этих частиц в связи с продолжающимся анализом результатов экспериментов, выполненных на Тэватроне, и проводимыми и предстоящими экспериментами на LHC представляет интерес. Имеющиеся отклонения в асимметрии вперед-назад Арв в процессе рождения tt-nap, измеренной на Тэватроне группами CDF и DO, от предсказаний СМ дополнительно стимулируют исследования в данной области.
Научная новизна и практическая ценность работы. В работе вычислено и проанализировано полное сечение рождения скалярных глюонов F в рр-столкновениях на LHC в зависимости от их массы и впервые обсуждены необходимые для их поиска доминирующие распады этих частиц в МКЛС-модели. Показано, что при массах скалярных глюонов rriF < 990 ГэВ возможно наблюдение этих частиц на LHC.
Впервые получены в древесном приближении и проанализированы вклады предсказываемых четырехцветовой кварк-лептонной симметрией дополнительного Z'-бозона и дублетов скалярных глюонов F в сечение ott и асимметрию вперед-назад АрВ процесса парного рождения tt-кварков на Тэватроне.
Рассмотрена калибровочная модель с киральной цветовой симметрией кварков как одно из возможных расширений Стандартной Модели при дь ф Qr. Найдены взаимодействия предсказываемого этой симметрией G'-бозона с кварками, впервые дано краткое описание скалярного сектора модели и отмечено наличие в нем безмассового (в древесном приближении) электрически нейтрального 5'[/ь(2)-синглетного бесцветного скалярного поля. Из данных Тэватрона по ott и АрВ впервые получены и исследованы ограничения на массу G'-бозона в зависимости от Qq и в плоскости тс> — Ос найдена область значений, одновременно совместная с этими данными в пределах 1<т. Показано, что в этом случае G'-бозон может давать вклад в АрВ порядка 10% и тем самым уменьшать существующее различие
между экспериментальным и теоретическим (в СМ) значениями асимметрии вперед-назад АрВ процесса парного рождения tt-кварков на Тэватроне.
Впервые рассмотрено возможное проявление G'-бозона в процессе парного рождения tt-кварков на LHC в виде увеличения сечения этого процесса и появления резонансного пика в распределении сечения по инвариантной массе it-пары. Исследовано возможное превышение числа сигнальных событий над фоном и указана область значений масс G'-бозона (в зависимости от 9g), доступная для наблюдения G'-бозона по этому превышению.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
-
Вычислено и проанализировано полное сечение рождения скалярных глюонов F в рр-столкновениях на LHC в зависимости от их массы и обсуждены необходимые для их поиска доминирующие распады этих частиц в МКЛС-модели. Показано, в частности, что сечение рождения скалярных глюонов с массами uif < 1300 ГэВ является достаточным для эффективного (Advents ^ Ю0 — 1000 при L = 10 — 100 фбн-1) рождения этих частиц на LHC, а число сигнальных ttbb событий от распадов скалярного глюона Fi при трх < 990 ГэВ и L = 10 фбн-1 может на > 3<т превышать фон СМ.
-
Получены в древесном приближении и проанализированы вклады предсказываемых четырехцветовой кварк-лептонной симметрией дополнительного Z'-бозона и дублетов скалярных глюонов F в сечение att и асимметрию вперед-назад АрВ процесса парного рождения tt-кварков на Тэватроне.
Показано, что вклады Z'-бозона и дублетов скалярных глюонов F оказываются малыми (не превышающими текущих экспериментальных ошибок по этим величинам) и недостаточными для объяснения имеющегося расхождении между теоретическим (в СМ) и экспериментальным значениями асимметрии АрВ.
-
Рассмотрена калибровочная модель с киральной цветовой симметрией кварков как одно из возможных расширений Стандартной Модели при дь ф Qr- Найдены взаимодействия предсказываемого этой симметрией G'-бозона с кварками, дано краткое описание скалярного сектора модели и отмечено наличие в нем безмассового (в древесном приближении) электрически нейтрального 5'[/^(2)-синглетного бесцветного скалярного поля.
-
Вычислены сечение и асимметрия вперед-назад процесса парного рождения QQ-кварков в партонных подпроцессах ад-аннигиляции (/(/-слияния с учетом вкладов
G'-бозона, предсказываемого киральной цветовой симметрией кварков.
-
Вычислены сечение Оц и асимметрия вперед-назад ^4pg процесса парного рождения tt-кварков на Тэватроне с учетом вкладов G'-бозона, предсказываемого киральной цветовой симметрией кварков, и исследована зависимость этих величин от от двух свободных параметров модели, массы G'-бозона тс> и угла смешивания во-
-
Из данных Тэватрона по а и и АрВ получены и исследованы ограничения на массу G'-бозона в зависимости от во и в плоскости тс — Ос найдена область значений (упс ^ 1-03 ТэВ, 10 < во < 20), одновременно совместная с этими данными в пределах la. Показано, что в этом случае G'-бозон может давать вклад в АрВ порядка 10% и тем самым уменьшать существующее различие между экспериментальным и теоретическим (в СМ) значениями асимметрии вперед-назад АрВ процесса парного рождения tt-кварков на Тэватроне.
-
Рассмотрено возможное проявление G'-бозона в процессе парного рождения tt-кварков на LHC при yS = 7 ТэВ, 14 ТэВ в виде увеличения сечения этого процесса и появления резонансного пика в распределении сечения по инвариантной массе it-пары. Исследовано возможное превышение числа сигнальных событий над фоном и указана область значений масс G'-бозона (в зависимости от 9g), доступная для наблюдения G'-бозона по этому превышению. В частности, показано, что при yS = 14ТэВ для углов 9G = 45, 30, 20, 15 G'-бозон с массами
тС/<6.5ТэВ, 7.0 ТэВ, 7.9 ТэВ, 9.8 ТэВ
может проявляться на LHC в it-событиях при интегральной светимости L = 10 фбн-1 на уровне значимости > За.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных форумах: Научной сессии-конференции Секции ядерной физики ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий» (ИТЭФ, Москва, 2007, 2009 и 2011 гг.), Гельмгольцевской международной школе «HEAVY QUARK PHYSICS» (ЛТФ ОИЯИ, Дубна, 2008 г.), Научной сессии-конференции Секции ядерной физики ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий» (ГНЦ ИФВЭ, Протвино, 2008 г.), XVI Международном семинаре по физике высоких энергий QUARKS-2010 (Коломна, 2010 г.),
Второй международной конференции «Математическая физика и ее приложения» (Самара, 2010 г.), а также на регулярных научно-практических конференциях и научных семинарах в Ярославском государственном университете.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ: 3 статьи в журнале Modern Physics Letters А, 2 статьи в журнале Ядерная физика, одна статья в Вестнике Сам. гос. техн. ун-та. (входящем в список ВАК), 3 статьи в трудах международных конференций.
Личный вклад автора. Все полученные результаты, включенные в диссертацию, получены лично автором или при его определяющем участии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии из 175 наименований. Она содержит 16 рисунков. Общий объем диссертации составляет 108 страниц.
