Исследование расширений хиггсовского сектора электрослабой теории

Исследование расширений хиггсовского сектора электрослабой
теории
Содержание
1 Введение 3
2 Эффекты расширенного хиггсовского сектора в редких распадах К-
мезона 8
2.1 Введение........................................................... 8
2.2 Модель Вайнберга................................................... 9
2.3 Экспериментальные наблюдаемые...................................... 15
2.4 Поперечная поляризация мюона в распаде................................. 16
2.4.1 Вклад СМ в поперечную поляризацию ............................. 16
2.4.2 Поперечная поляризация мюона в модели Вайнберга................. 24
2.5 Т-нечетная корреляция в 1<13у распаде.............................. 27
2.5.1 Вклад СМ в Г-нечетную корреляцию................................ 27
2.5.2 Т-нечетная корреляция в модели Вайнберга........................ 34
2.6 Экспериментальные перспективы...................................... 36
2.7 Выводы............................................................. 37
3 Поиск эффектов от псевдоскалярного бозона Хиггса на ЬЕР II 40
3.1 Введение........................................................... 40
3.2 Модельно независимый подход........................................ 42
3.3 Процесс е+е~ —* ииЫ) на ЬЕР II..................................... 43
3.4 Выводы............................................................. 54
4 Исследование хиггсовского сектора на N1,0 56
4.1 Введение ............................................................. 56
4.2 Выбор процессов для поиска сигнала от хиггсовского бозона........_. . 57
4.3 Исследование эффектов псевдоскалярного хиггсовского бозона в НЬЬ -
взаимодействии ....................................................... 60
4.3.1 Процесс е+е“ —♦ ЬЬе+е~........................................ 60
4.3.2 Процесс е+е" —* ЬЬии.......................................... 67
4.4 Использование поляризационных наблюдаемых для определения СР-свойств
хиггсовского бозона................................................ 75
4.5 Исследование эффектов псевдоскалярного хиггсовского бозона в Нт+т~-
взаимодействии ....................................................... 77
4.5.1 Процесс е+е“ —* т+т~1/Р ...................................... 77
4.5.2 Алгоритм восстановления СР-состояния хиггсовского бозона по продуктам распада т-лептона........................................ 83
4.6 Сравнительный анализ рассмотренных процессов........................ 84
4.7 Результирующие ограничения......................................... 86
4.8 Выводы............................................................. 87
5 Заключение 89
2
1 Введение
В настоящее время физика элементарных частиц является одной из основных ветвей современной науки. За последние несколько десятилетий в этой области был сделан серьезный прорыв в изучении свойств микромира. Одним из самых ярких достижений физики элементарных частиц во второй половине ХХ-ого века является создание так называемой Стандартной Модели (СМ) электрослабых взаимодействий, которая дала новый толчок развитию фундаментальной науки. После опубликования в 60-х годах первого варианта модели появились сотни и, возможно, тысячи работ, посвященных исследованию и развитию этой модели. Выло предложено несколько десятков ее модификаций, но оказалось, что исходная структура модели ближе к природе, чем ее многочисленные усовершенствования. В основу модели легли идея асимптотической свободы и создание КХД (1973 г.). Последующее использование неабелевой калибровочной группы .9[/(2)®[/(1) и применение предложенного в 1967 г. механизма Хиггса привело к созданию элегантной перенормируемой модели, объединившей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия в рамках единой стройной теории. Стандартная Модель поразительно точно предсказала структуру нейтральных токов (открыты на опыте в 1973 г.), свойства \У- и ^-бозонов (открыты на опыте в 1983 г.), число поколений нейтрино (данные коллайдера ЬЕР), глюонных струй в е+е“-аннигиляции, открытие ^-кварка и многое другое.
В рамках Стандартной Модели составляющие элементы материи объединяются в три группы — три кварк-лептонных поколения:.
взаимодействующих друг с другом сильным, слабым и электромагнитным образом. Каждое из этих взаимодействий определяется соответствующей группой симметрий 5£/(3)сор 5[/^(2) иМ(1)у. Все вместе они образуют общую группу 5£/(3)со1®5£/£(2)®£/(1)у симметрий Стандартной Модели. В рамках СМ все упомянутые частицы трех поколений представляются элементарными, точечноиодобными объектами..
Спектр физических частиц также включает в себя заряженные и нейтральный векторные бозоны (1/К±, -2°), глюоиы и фотон, которые являются
3
переносчиками слабого, сильного и электромагнитного взаимодействия, соответственно..
Для генерации масс частиц в модели используется так называемый механизм Хиггса, в основе которого лежит идея о том, что единственным путем генерации массы у фермионов является существование комплексного скалярного 2) дублета Ф,
Далее, применение спонтанного нарушения 5/7(2) х £/(1)-симметрии приводит к появлению массы у калибровочных бозонов, и компоненты скалярного дублета (четыре скалярных ноля Ф+, Ф“, Ф°, Ф°) распределяются
следующим образом: три из них — Ф+, Ф и комбинация ——г=— превра-
щаются в третьи (продольные) компоненты векторных частиц, превратив их в массивный трехкомпонентный векторный бозон, четвертое поле описывает физическое состояние нейтрального скалярного бозона Я, который дополняет спектр физических частиц модели.
Одной из главных проблем Стандартной Модели является тот факт, что в рамках этой теории масса хиггсовского бозона определяется как
где v - величина вакуумного среднего хиггсовского дублета, а Л - константа самодействия хиггсовского поля, которая не определяется в рамках самой модели. Эго приводит к тому, что масса хиггсовского бозона в Стандартной Модели является входным параметром и представляет собой terra incognita для построенной теории. В связи с этим, одной из главных задач исследований в физики электрослабых взаимодействий является поиск хиггсовского бозона.
Если, как предполагается, будет обнаружен один или более “Хиггсо-подобных” скалярных бозонов, следующей задачей немедленно станет измерение его массы и квантовых чисел, что позволит понять, является ли он хиггсовским бозоном СМ, либо скалярным бозоном одной из расширенных электрослабых теорий, например, схемы с двумя хиггсовскими дублетами
связанного с фермионами посредством взаимодействия, например, для грі = (ve,e)L и Фп = Є/Ї
Су = -}с[ФьЩа + эрм. соир.),
фО _ фО
4
(2НБМ-модель), Минимальной Суперсимметричной Стандартной Модели (МБЭМ), или другого, более экзотического расширения [1]. Исследование СР-свойств ожидаемой скалярной частицы представляется, в этом смысле, особенно важным. Подобные исследования позволят определить собственные СР состояния бозона Хиггса в случае если СР-симметрия сохраняется в реализующейся теории, или измерить величину смешивания между СР-четными и СР-нечетными состояниями, если расширенная модель предсказывает нарушение СР-симметрии. Стоит отметить, что С Р-н арушение в хиггсовском секторе [2], возможное в моделях с несколькими хиггсовски-ми дублетами, является весьма интересным источником СР-нарушения, отличного от механизма нарушения в СМ, и, возможно станет ключевым в понимании наблюдаемой барионной асимметрии Вселенной [3].
Для того, чтобы определить СР-нрироду бозона Хиггса, необходимо исследовать структуру его связи с известными частицами (либо в процессах рождения хиггсовского бозона, либо в процессах его распада). На древесном уровне связь нейтрального бозона Ф, являющегося или не являющегося собственным СР-состоянием, с фермионами и векторными бозонами может быть записана в виде:
//ф : -^/(а/+%75)/' УУФ : С1/’
где д - стандартная электрослабая константа связи, а/ и 6/ - юкавовские константы связи, с/ (V = И7, Z) - соответствующие константы связи с векторными бозонами1. В рамках СМ, для СР-четного хиггсовского бозона а/ = су = 1, а Ь/ = 0. Для СР-нечетного хиггсовского бозона величины а/ = су = 0, а Ь/ Ф 0, причем величина последней зависит от конкретной модели. В моделях с СР-нарушающими взаимодействиями все три вышеприведенные величины могут быть отличны от нуля на древесном уровне. В частности, в случае общей 2НОМ или МЭЭМ с СР-нарушением, существуют три нейтральных хиггсовских бозона <&, г = 1,2,3, которые смешиваются друг с другом и разделяют между собой связь с 2Г, Ж-бозонами и фермионами. Благодаря этому эффекту, ограничения на хиггсовский сектор рассматриваемых моделей, полученные из данных ЬЕР П, сильно зависят от присутствия СР-нарушающих эффектов [4]. В большинстве реализаций хиггсовского сектора с СР-нарушением [5], величина СР-нарушения мала и возникает на петлевом уровне, причем только одна из констант связи с калибровочными бозонами или фермионами велика. В ряде случаев пред-
*В общем случае, УУф взаимодействие может включать дополнительный псевдоскалярный член, который отсутствует в СМ и в 2НОМ на древесном уровне.
5
сказываемое СР-нарушающее смешивание является функцией СР-четных параметров модели с СР-нечетными фазами.
Все вышесказанное делает исследование СР-свойств хиггсовского сектора электрослабой теории крайне актуальным. Данная проблема и является „ предметом исследования представленной диссертационной работы.
4 Основные цели работы. Целью диссертации является изучение сле-
дующих проблем:
• Изучение возможного проявления эффектов расширения хиггсовского сектора электрослабой теории, в рамках модели Вайнберга в редких распадах каонов.
• Исследование возможности обнаружения сигнала от нового псевдоскалярного хиггсовского бозона из данных экспериментов на ЬЕР II.
• Определение потенциала будущего е+е~ линейного коллайдера по измерению юкавовских констант связи псевдоскалярного хиггсовского бозона в процессах с рождением т-леитонов и 6-кварков с/без возможности анализа поляризационных эффектов в конечном состоянии.
4-
Содержание работы
Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, обсуждается научная новизна темы проводимых исследований и ее практическая ценность.
В Главе 2 проведено исследование возможного проявления эффектов расширения хиггсовского сектора электрослабой модели по сценарию модели Вайнберга с тремя хиггсовскими дублетами в редких распадах К-мезонов. Проведен поиск сигнала от “новой физики” в двух основных процессах, К+ —> и К+ —»7г°/+^7, которые обладают высокой чувстви-
тельностью к эффектам СР-нарушения в модели.
Исследован эффект возникновения поперечной поляризации мюона в распаде. К^ за счет двух возможных источников: а) в рамках СМ за счет электромагнитного взаимодействия в конечном состоянии, и б) в рамках трехдублетной модели- Вайнберга за счет обмена новыми заряженными хиггсовскими бозонами, имеющими ненулевую разность фаз юкавовских констант связи с фермионами.
б
В рамках СМ н трехдублетной схемы Вайнберга проведено исследование возможных эффектов СР-нарушения в распаде з7. Предложен метод использования оригинальной экспериментально наблюдаемой величины, позволяющей выделить сигнал “новой” физики. Произведен расчет вклада “сигнальных” подпроцессов, обусловленных присутствием новых хиггсов-ских бозонов и определен вклад фоновых процессов, обусловленных однопетлевыми диаграммами Стандартной Модели.
Главе 3 исследована возможность обнаружения эффектов присутствия нового псевдоскалярного хиггсовского бозона при изучении данных но процессу е+е" —► ЬЪий в экспериментах на коллайдере ЬЕР II. В качестве индикатора СР-природы исследуемого хиггсовского бозона выбрана его связь с 6-кварками, которая для случая скалярного и псевдоскалярного состояний хиггсовского бозона определяется различными юкавовскими константами. В результате проведенного моделирования показано, что данные ЬЕР II но процессу е+е” —» ЬЪий могут либо дать указание на присутствие псевдоскалярного состояния хиггсовского бозона, либо позволят ограничить разрешенную область констант связи псевдоскалярного хиггсовского бозона с
6-кварками..
В Главе 4 проанализирован потенциал будущего линейного е+е“-кол-лайдера но определению СР-ирироды хиггсовского бозона путем изучения констант связи скалярного(псевдоскалярного) состояния хиггсовского бозона с 6-кварками и г-лептонами. Исследованы процессы е+е” —* т+г“гл/, е+е“ —* 66^Р, е‘ е~ —> е+е“66, обладающие высокой чувствительностью к аномальным константам связи хиггсовского бозона с фермионами.. Для наиболее общей модельно-независимой параметризации вершины взаимодействия Я// исследован набор экспериментально наблюдаемых величин, позволяющих выявить присутствие нового состояния хиггсовского бозона и поставить ограничения на величины его констант связи с фермионами. В результате анализа данных но исследуемым процессам выведены границы области допустимых параметров модели с псевдоскалярным хиггсовским бозоном, достижимые на будущем линейном коллайдере ТЕБЬА.. Приведен алгоритм использования поляризаций частиц в конечном состоянии реакции для разделения вкладов скалярного и псевдоскалярного состоя-\ ний хигссовского бозона.
В Заключении сформулированы результаты диссертации, представленной к защите.
7