Эффекты электрослабых взаимодействий в процессах аннигиляционного рождения новых нейтральных калибровочных бозонов и тяжелых векторных кваркониев тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ . ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ* ИНСТИТУТ г У в п - ФИЗИКИ

У Л имени Б.И.СТЕПАНОВА

На правах рукописи ПАНКОВ АЛЕКСАНДР АЛЬВЕРТОВИЧ

ЭФФЕКТЫ ЭЛЕКТРОСЛДВЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ПРОЦЕССАХ АННИГИЛЯЦИОННОГО РОЖДЕНИЯ НОВЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ КА ЛИВРОВ ОЧНЫХ ВОООНОВ И ТЯЖЕЛЫХ ВЕКТОРНЫХ КВЛРКОНИЕВ

(01.04.02 - теоретическая физика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических паук

Мпнск-199^

Работа выполнена в Гомельском политехническом институте

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Н.М. Шумейко (НИИЯП, БГУ, Минск)

доктор физико-математических наук А.К. Лиходед (ИФВЭ, Протвино)

доктор физико-математических наук Э.А. Кураев (ОИЯИ, Дубна)

Ведущая организация: Институт физики высоких энергий, Протвино

Защита диссертации состоится " илар^Ч 1934 г. в 11*е~г1 асов на оаседанпц Специализированного Совета Д 006.01.02 при Институте физики им. Б.И. Степанова АН Беларуси (220602, Мццск, пр. Скорины, 70)

С диссертацией мозшо ознакомиться в библиотеке Института физики АН Беларуси.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного Совета

кандидат фип.-мат. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Стандартная модель (СМ) сильных и электрослабых взаимодействий элементарных частиц, основанная на калибровочной группе SU(3)c х SU(2)c х Ь(1)у, достигла впечатляющих успехов п описании экспериментальных данных, полученных во всем интервале имеющихся на сегодняшний день энергий. Тем не менее СМ не может претендовать на роль всеобъемлющей теории в силу ряда причин. В частности, она содержит большое число (более десятп) свободных параметров, определяемых лишь экспериментом. С другой стороны, способ объединения сильных, электромагнитных п слабых взаимодействий в СМ не является удовлетворительным как по-оа значительного различия масштабов величин содержащихся в ней констант связи, соответствующих трем капибрппочным группам симметрии, так и из-за их взаимной независимости (калибровочная проблема). Кроме того, СМ не в состоянии дать ответ на ряд фундаментальных вопросов, связанных, например, с проблемой иерархии масс частиц, числом поколений, природой нарушения пространственной и СР четностей, включением в объединение гравитации и т.п. Все эти причины приводят к необходимости дальнейшей, более глубокой проверки СМ, а также к поискам более общей теории, которая, включая СМ как свою составную часть, устраняла бы присущую модели фономенологпч-ность.

Среди кандидатов, на которые возлагают большие надежды в

опнсашш этой фундаментальной .....>тины, выделяется довольно

большой класс теорий (суперструнные теории, теории великого объединения), шпкоэнергетическнй предел которых составляют модели с расширенной (по отношению к СМ) калибровочной группой и с элементарной структурой хиггсовского сектора (лево-право симметричные, .альтернативные лево-право симметричные, Еб-моделп и др.). Общим для мно-нх па этих моделей является предсказание новых физических яв-еппй на масштабе энергий G( 1 ТэБ), в частности, связанных с существованием

дополнительных нейтральных (2') или наряженных (Ц/1±) векторных бозонов. Наличие 2'-бозона должно приводить к характерному отклонению эксперимента, от предсказании СМ во псех процессах, обусловленных нейтральными токами. Следует отмстить, что новые нейтральные бозоны могут появляться и по многих других теориях, например в альтернативных, нарушение электрослабой симметрии в которых происходит оа счет механизма, отличного от хпггсовского (это модели техницвета, состгшных IV и 2 бозонов и др.). Поэтому интерпретация возможных отклонении как указание на проявление 2' бозона, предсказываемого какой-либо конкретной теорией, требует изучения наиболее широкого класса процессов с его участием.

Переходя к области более высоких энергий и переданных импульсов, мы надеемся обнаружить сигналы новой физики. Несомненно, что коллаидеры следующего поколения обладают огромным потенциалом для "прорыва" в новую физику: открытие новых частиц с массами в сотни ГтВ (¿Г-бозоны, тяжелые нейтрино, пептоны и некоторые другие), новых физических явлений и закономерности!, обусловленных возможной составной природой фундаментальных частиц, новыми типами симметрии п т.п. Однако вполне возможно, что в рассматриваемой области энергий новая физика проявится не прямо, а косвенно через относительно небольшие отклонения от предсказана! СМ. Это обстоятельство стимулирует прецизионные измеренш параметров СМ. Они могут служить указаниями н< существование иовых частиц или явлений и накладывав ограничения на структуру более общей теории.

В последнее время большое внимание уделяется теоретпчес кому поучению ожидаемых экспериментальных проявлений 2' бозона в глубокопеупругих, упругих и квазиупругих нейтрино нуклонных взаимодействиях, в рассеянии нейтрино на электрон« в глубокоиеупрутом электрон-нук лонном рассеянии, в процесса е+е~ -аннигиляции и рр -столкновениях, а также в атомны яшг аях, протекающих с песохранением Р-четности. Вопрос: экспериментального поиска ^'-бозона занимают важное место фиойчеекпх программах исследований на электрон-позитронны

(TRISTAN, SLC, LEP, VLEPP, NLC), адронных (УНК, LUC, SSC) Ii ep (HERA) коллайдерах. Так проверка существования дополнительного Z'-бозона осуществима на efe~ и рр {рр)~колландерах несколькими способами: во-первых, прямым резонансным рождением Z' и анализом его распада на обычные фермно-ны; во-вторых, изучением косвенных эффектов виртуального Z'\ в-третьих, исследованием модификации взаимодействия слабых нейтральных токов, обусловленных смешиванием стандартного Z- п дополнительного ^'-бозонов.

Такпм образом, теоретическое исследование эффектов новых калибровочных /Г'-бозоноп отвечает существующим потребностям л возможностям эксперимента и является актуальной задачей d современной физике электрослабых взаимодействий при высоких энергиях.

Целью диссертации является теоретическое исследование возможных проявлений дополнительных нейтральных калибровочных бозонов посредством измерения эффектов электрослабых взаимодействий в различных процессах е+е~-ашшгиляцнп п адрон-адронных столкновений на действующих и строящихся коллайдерах; изучение особенностей рождения тяжелых векторных кварконнев (tf, Ь'Ь', hïi) в процессах е+е~-ашшгпляцпп и адрон-адроииых столкновений вблизи дополнительного Z' калибровочного бозона.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Выявлена возможность получения сведений о свойствах Z'-бозонов при энергии е+е~-пучков, меньшей порога рождения стандартного нейтрального калибровочного üT-бозона, посредством измерения 7 — ¿"-цнтерференцни в сечениях рассеяния аннигиляционных процессов с лептоннымп и адрон-нымп конечными состояниями, а также в продольной поляризации конечных г-лептовов. Установлены возможности экспериментального обнаружения Z — Z'-пнтерферен-ЦЦонных эффектов на установке LËP1 в процессах —»

1+1~ П е+е~ —» адроны, проявляющиеся наибпдее ярко в

окрестности резонансного пика стандартного Я-бозона.

2. Рассчитаны Р-нечетные аффекты (поляризационная и оаря-дово-поляризационная асимметрии, продольная поляризация конечных лептонных состояний) дополнительных ^'-бозонов в процессе инклюзивного рождения пары лептон-антнлеп-тон большой инвариантной массы, а также лептонных пар с большим поперечным импульсом в случае неполярнзованных и продольно поляризованных исходных адронных пучков.

3. Установлена целесообразность использования С-четных и нечетных поляризационных асимметрии для выявления различий в рождении пары новых тяжелых наряженных пептонов (кварков) в процессах е+е~-аннпгпляцнн и адрон-ад-ронных столкновений. Показана перспектива использования поляризационных (продольной и поперечной) асимметрий в качестве основных наблюдаемых для выделения процессов рождения скалярных мюонных и кварковых состояний в е+е~-ашшгилящш с учетом вклада дополнительного 2'-б оз она.

4. Выявлены и рассчитаны околорезонансные интерференционные эффекты в процессе е+е~-анннгцляцин с рождением векторных кваркониев Уц = ^((^ф) (состоящих либо из ¿-кварков, либо из Ь'-кварков четвертого поколения, либо Из экзотических Цзоагнглетных Л-кварков с зарядом -1/3), вырожденных* по массе с дополнительным нейтральным бозоном. Выполнен численный анализ основных мод распада Векторных кваркониев сечений рассеяния, а также Р-11 С-нечеТИЫХ асимметрий в процессах е+е_ —♦ Кр —>

и е+е" —+ Vq —» е+е~. Доказана возможность экспериментального обнаружения аффектов дополнительных слабых нейтральных токов тяжелых (^-кварков (С? = £,Ь\/1) в процессе адрон-адронных соударений с инклюзивным рождением пары лептон-антияептон при близости инвариантной массы Пары массе векторного кваркония Vq.

5. Выявлено действие механизма усиления косвенных эффектов

С

дополнительных нейтральных £'-бозонов в процессе аннн-гнляцнонного рождения пары И^-бозоно^., проявляющееся ( в значительном увеличении чувствительности ннтегрально-го сечения рассеяния к подобного рода явлениям с ростом энергии. Показано, что действие механизма усиления в | процессе е+е~ —> распространяется на широкий класс

) эффектов новой фпзпкп (лептонное смешивание, аномальные | моменты 1У±-бопоноп н др.). Рассчитаны эффекты 2 — 2' смешивания, предсказываемые различными моделями ; с расширенным калибровочным сектором, на линейных I коллайдерах с продольно поляризованными с+с~-пучкамн и , энергией = 0,5 — 1 ТэВ. Установлено,. что благодаря

механизму усиления исследование процесса е+е~ —► ■ значительно улучшит современные ограничения на параметр 2-2' смеппшанпя (| ф |< 10~3 - 10~5 рад) и массу 2'-бозона (Мг' > (2 — 6) • у/в). Сравнение потенцияльных возможностей процессов е+е~ —> IVп е+е~ —» // в нзученшг явлений 2 — 2' смешивания демонстрирует значительное преимущество первого пз них над вторым как в нерезонансной, так п в резонансной области энергий.

Научная новизна. Постановка задачи и результаты исследований по выдвинутым выше положениям, обобщенные и кратко изложенные в разделе "Основные положения", получены впервые и являются новыми.

Научная и практическая ценность. Полученные в работе предсказания для различных эффектов новых нейтральных калибровочных ^'-бозонов в электрон-позитронной аннигиляции н адронных столкновениях могут служить основой для постановки соответствующих экспериментов как на уже действующих, так п на будущих е+е~ и адронных коллайдерах. Сопоставление полученных результатов с данными эксперимента могло бы пролить свет на такие важные вопросы как установление структуры калибровочного сектора расширенных полевых теорий и на выяснение особенностей и динамики взаимодействия 2'-бозонов с полями материн в области высоких энергии.

Ьхиериментальное исследование некоторых по предсказываемых ■ффектов уже ведется на установках TRISTAN и LEP, а полученные результаты по измерению адронного п лептонного сечений рассеяния, в частности, наблюдение небольшого превышения адронного и заметного понижения лептонного сечений над соответствующими наблюдаемыми, предсказываемыми СМ, могут быть интерпретированы как первое проявление эффектов дополнительного Z'-бозона.

Апробация работы: Основные результаты, содержащиеся в диссертации, докладывались на сессиях и конференциях Отделения ядерной фпзпки АН СССР 1983-1991, рабочих совещаниях "Фпэшса на ВЛЭПП" (Протвино 1991-1993), международном пептон-фотонном симпозиуме (Стенфорд, США, 1989), между народных школах по физике высоких энергий (Триест, Италия, 1989-1993), международной конференции по спиновой физике (Нагоя, Япония, 1992), международной адриатнческой конференции по фиопке высоких энергий (Т^шчт, 1992), международных семинарах "Физика высоких энергий и квантовая теория поля" (Протвино, 1986, 1991), международном рабочем комитете программы "Гиперон" (Дубна, 1987), международных симпозиумах по фпоике элементарных частиц (Казимеж, Польша, 1690, 1991), Научных семинарах теоретических отделов CERN (Женева, 1989), JCTP (Триест, 1989-1993), Национального института ядерной физики (Италия, 1989-1993), Института л^ерных исследовании (Варшава, Польша, 1989-1992), кафедрах теоретической физики Трпестского университета, Гомельского ь^университета, ЛТФ и ЛФВЭ ИФ АН Беларуси, кафедре •Ъизит ГПИ.

Публикации.. По материалам диссертации опубликованы статьи в международных и отечественных журналах и сборниках. Основной списог. опубликованных по диссертации работ приведен ниже.

Объсгл п структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, 17-ти параграфов, трех приложений, оаключ.пия и списка цитируемой литературы, содержащего

200 наименований. Общин объем диссертации составляет 3: страницы машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обсуждается актуальность темы, мотивируются основные направления п цель работы, обосновывается научная новизна поставленных задач, коротко перечисляются основные результаты.

Первая глава диссертации посвяшена выявлению возможностей исследования эффектов дополнительных нейтральных калибровочных Z'-бозонов, предсказываемых .Еб-теориямн Великого объединения, п процессах е+с~-ашшгиляцни при энергии исходных пучков, меньшей или равной массе покоя стандартного Л-бозона. Предсказываемые интерференционные эффекты могут быть обнаружены ii детально исследованы на установке TRISTAN

н LEP.

В §1 Дано феноменологическое описание различных моделей сильных и электрослабых взаимодействий ранга 5 и G, основанных на группе Е6, приведен лагранжиан взаимодействия нейтральных токов .пептонов ц кварков в расширенных моделях; при этом использована единая параметризация констант связи полей материи с дополнительным калибровочным бозоном для всех рассматриваемых моделей. Обсуждаются современные ограничения на спонства новых калибровочных бозонов, в частности, предельные значения для их масс и параметров смеишпания Z' со стандартным 17-бозоиом, вытекающие по данных по нейтральным токам', из экспериментов па е+е~- и рр-коллайдеров П др.

В §2 показано, что при энергии е+е--иучкоп, меньшей иорога рождения стандартного Z-бозопа (,/s < Мз), можно получпть ценную информацию о свойствах дополнительных Z'-Gooohob но измерению сечений рассеяния лпдагпляцпотщх чроцессов с лептоннымн п адротшмп конечными состояниями, а также

продольной полярпэацнн г-лепгонов в реакции е+е~ —* Ц* ■ В частности, показано, что при энергиях л/1 — 50 — 60 ГэВ сечение лептонного процесса е+е~ —> может пметь

интерферс цпонный провал, вызываемый деструктивной 7-2'-интерференцией, глубина и энергетические координаты которого зависят от параметров ^'-бозона причем подобный эффект отсутствует в СМ, а относительный вклад ^'-бозона в сечение этого процесса достигает максимальной величины (| <5| 9%) при несколько г'олее высокой энергии, у/1 = 65 — 70 ГэВ. Установлено, что электрослабая (7 — 2', 2 — 2') интерференция в сечении процесса е+е~ —> адроны конструктивна и ведет к заметному увеличению сечения в сравнении с предсказанием СМ, однако ее величина не велика, не превышает 6%. Обращается внимание на большую чувствительность величины представляющую собой отношение адронного сеченпя к лептонному с учетом вкладов всех промежуточных состояний для обоих процессов, к косвенным (виртуальным) эффектам ^'-бозона, а также продольной поляризации т-лептона в процессе е+е~ —» т+т-. В частности, установлено, что относительный вклад ¿/'-бозона в величину Л' в наиболее благоприятной ситуации может достигать 15% при ч/а = 70 ГэВ, а в продольную поляризацию г-лептона — даже ~ 100 %. Подчеркивается, что выявление интерференционного минимума в сечении лептонного процесса и одновременное наблюдение превышения адронного сечения над величиной сечения, предсказываемой СМ, а также наблюдение отклонения продольной поляризации г-лептона, имеющего общую природу с двумя предыдущими эффектами, позволит получить косвенные указания на существование 2?'-бозона либо дать дополнительные ограничения на его параметры даже при энергии ниже порога рождения стандартного 2-бооона.

Следует подчеркнуть, что данное предложение по поиску интерференционных эффектов ¿?'-бозона при энергиях, лежащих значительно ниже его полюса 7 <С Мг>, основываются на общем методе исследования векторных реаонансов в дорезонансной области энергии, впервые предложенным И.С.Сацункевичем. В частности, этот метод был выдвинут в

связи с проблемами исследования параметров и свойств узкпх векторных кварконпевых реоонансов

В §3 выявлены возможности экспериментального обнаружения на .установках БЬС и ЬЕР эффектов дополнительных 2'-бозонов в процессах е+е" —» /+/- по измерению продольной поляризации конечных фермнонных состояний (/ = г, и, (1,.'..), а также в процессе инклюзивного рождения барионов е+ + е~'\ —» В + X при энергии е+е~-спстемы, равной или большей порога рождения стандартного ¿Г-бозона. Показано, что резонансная продольная поляризация при усреднении по углу вылета фсрмпона определяется только электрослабыми константами связи конечных фермпонов и не зависит от параметров исходных е+е~-состояний, а также от масс 2 и ^'-калибровочных бозонов. Установлено, что измерение дифференциальной продольной поляризации фермпонов ч Я-пнке и выше его даст сведения об угле смешивания г, — ¿Г'-со стояния, параметре, определяющем конкретную схему нарушения Ев-снмметрин, а также о массе ^'-бозона.

Вторад глава посвящена исследованию Р- и С-нечетных эффектов, инициируемых дополнительным.! нейтральными £ ~~ бозонами, в инклюзивных процессах адронного рождения лептон-антилептонной пары. Измерение этих эффектов может быть положено в основу экспериментов по детальному исследованию свойств новых нейтральных калибровочных ^'-бозонов.

В §4 дан детальный анализ и установлены возможности измерения Р-нечетных эффектов 2'-бозонов в процессе адрон-адронных соударении с инклюзивным рождением пары лептон-антнлептон для неполяризованных и продольно поляризованных адронных пучков. Приведены численные оценки поляризационной асимметрии, поляризационной асимметрии вперед-назад и продольной поляризации лептона для различных моделей, описывающих суперструнный ^'-бозон. Установлено, в частности, что изотропная часть резонансной продольной поляризации в случае, когда инвариантная масса дилептона равна массе Ъ или ^'-бозона, определяется только электрослабыми лептонными константами связи и не зависит от параметров начальны?*

адронных состояний. Экспериментальное исследование Р-нечетных аффектов (полярпоацип и асимметрии) предоставит благоприятную возможность для выбора модели, предсказывающей существование Z'-бозонов со специфическими свойствами.

В рамках пертурбатпвноп квантовой хро.аодинампки рассчитаны (§5) эффекты, Инициируемые дополнительными Z'-бозонамп, в процессе инклюзивного рождения пары лептон-антплептон с большими инвариантными массами п поперечными пмпульсамп при столкновении поляризованных адронов, в частности, pjp — у, Z, Z' + X + X. На

основе различных Еб-моделей приведены количественные оценки поляризационной асимметрии вперед-назад для вылетающего пептона либо антплептона. Эти асимметрии могут быть попользованы для получения информации о константах связи нового калибровочного нейтрального jj'-бозона с заряженными фермнонамп (лептонамп и кварками), дополняющей соответствующую информацию из столкновений неполярпзованных частиц.

С третьей главе рассмотрены различные эффекты дополнительных нейтральных калибровочных бозонов Z' в процессах аннпгпляцпонного рождения новых заряженных фермнонных и скалярных состояний лептонов п кварков на е+е~- ц рр-коллайдерах. Доказана целесообразность использования поляризационной асимметрии вперед-назад для выявления различий в е+е~-аннпгпляционном рождении пары тяжелых заряжен-лептонов и кварков (экзотические состояния из фундаментального представления группы Еь, либо лептон четвертого поколения, либо их зеркальные партнеры). Подобные различия >.-огут быть также обнаружены в С-четных и нечетных поляризационных асимметриях для процессов адрон-адронных столкновений с инклюзивным рождением пары новых лептонов.

В §6 показано, что измерение поляризационной асимметрии вперед-назад А£~в в процессе е+ + е~ —» / + / дополна- информацию о константах связи нового калибровочного Z'-бозона с тяжелыми фермнонамп, которая может быть получена из данных по измерению поляризационной

аспмметрнп Ар п асцммстрпц вперед-назад Ар~в. Установлено, что обладает очевидным преимуществом в сравнении

с этими наблюдаемыми, благодаря возможности извлечения из нее однозначной информации о слабых константах связп тяжелых конечных фсрмиопов и определения типа рожденного фермиона. Установлено, что использование поляризационной асимметрии вперед-назад в процессе е+е--анпигнляцпп в пару тяжелых фермпонов позволит получить полную информацию об электрослабых константах связп конечных фермпонов п тем самым создаст благоприятные условия для наблюдения различий их рождения п точного определения типа конечного состояния. Показано, (§7), что использование для этих целей адронных кодлайдеров с поляризованными исходными пучками позволит расширить этот анализ на лептопы с массами, не доступными рождению на действующих или строящихся е+е~-коллайдерах.

В §8 в рамках теорий, представляющих расширение СМ, рассчитан вклад суперструнного дополнительного £'-бозопа в различные наблюдаемые для процесса аннпгнляционного рождения пары скалярных мюонов с поляризованными исходными е+е~-пучкамн. Получены выражения для поляризационных, продольной А1 и поперечной 4г> асимметрий вылета мюона от распада скалярного суперсимметрнчного мюона с учетом вклада ¿/'-бозона. Отмечено, что поведение продольной и поперечной асимметрий существенно отличаются знаком и величиной от соответствующих зависимостей поляризационных наблюдаемых в процессе аннигнляцнонного рождения пары мюонов. Если продольной асимметрии эта особенность присуща только для реакций с рождением невырожденных конечных скалярных мюонных состоянии с противоположными киральностями, то различия в поперечных асимметриях в процессах рождения скалярных а еппнорных мюонов ие зависят от данного условия. Кроме того, подчеркивается, что продольная И поперечная поляризационные асимметрии чувствительны к выбору модели с нарушенной ^-симметрией, описывающей дополнительный ¿Г-бозон. Установлено, что А1 и Ат являются падежными индикаторами процс сса рождения скалярных мюоноп

Н, вместе с тем, пх экспериментальное исследование предоставит ценную информацию о константах связи скалярных частиц с нейтральными калибровочными бозонами и даст возможность для выбор., определенного варианта модели с нарушенной Е6-спмметрпей.

Выявлена перспектива использования поляризационных продольной и поперечной асимметрий в качестве основных наблюдаемых для выделения процессов рождения скалярных кварковых состояний в е+е--ашшгплящш с учетом вклада суперструнного ¿?'-бозона (§8). Отмечено, что поведение продольной н поперечной поляризационных асимметрий существенно отличаете*! знаком и величиной от соответствующих наблюдаемых в процессах рождения обычных кварков. Для продольной асимметрии различие существенно только для невырожденных по массе состояний скалярных кварков с противоположными киральностямп. Для поперечной асимметрии это условие не существенно. Кроме того, подчеркивается, что А1 н Ат чувствительны к выбору конкретной модели с нарушенной спмметрией. Такпм образом установлено, что экспериментальное исследование продольной и поперечной асимметрий даст ценную информацию о процессе рождения скалярных кварков, и пх экспериментальное определение предоставит информацию о величине констант связи скалярных частпц с нейтральными калибровочными бозонами.

Четвертак глава посвящена исследованию процесса рождения тяжелых векторных кваркониев й, Ь'Ь', кК вблизи нейтральных калибровочных боэонов в е+е_-аннцгпляцпн п адрон-адронных столкновениях. Особенно акцентируется внимание на проявлении феноменологических следствий в физике е+е~-аннц-гиляцин явления вырождения по массам тяжелых кварконцевых состояний с дополнительным £'-бозопом.

Рассчитаны околорезонаисные интерференционные эффекты в процессе е+г "-аннигиляции с рождением тяжелых векторных кваркониевых резонансов Уд = ^(ФФ) состоящих либо но ¿-кварков (топоний), либо из экзотических изоеннглетных /»-кварков с зарядом -1/3, предсказываемых ^-теориями Великого

объединения, или из последовательных Ь'-кварков четвертого поколения в случае их сильного вырождения по массе с дополнительным суперструнным ^'-бозоном. Проанализированы основные моды распада тяжелых кваркониевых. систем (§9), полное сечение рассеяния процесса е+е~ —» (§10)1

асимметрия вперед-назад и поляризационная асимметрия (§11) в теориях, предсказывающих существование дополнительных нейтральных калибровочных бозонов, а также выявлено влияние ¿?'-бозона на свойства векторных кваркониев. Установлено, что поведение всех наблюдаемых в околорезонансной области энергии существенно зависит от типа коистнтуентных кварков С}, а также от выбора конкретной модели, определяющей свойства 2'-бозона.

В частности, показано, что в случае вырождения по массе — Ь', И) и £'-резонансов происходит сильный рост ширины распада кваркония, а также резонансное увеличение сеченпя рассеяния, инициируемое присутствием диаграмм с обменом ^'-бозона. При этом полная ширина распада Уд-состояния становится сравнимой по величине с разбросом по энергиям п е+е~~пучках. Поэтому даже после усреднения сеченпя по энергетическому профилю исходных пучков интерференционные эффекты в сечении, вызванные рождением кваркония, будут составлять несколько десятков процентов. В противном случае, т.е. когда | А/у — Мг> !>■ IV, резонансное усиление сечеиня рассеяния и ширины распада кваркония отсутствует. Поэтому резонансный сигнал в сечении будет чрезвычайно слабым, в частности, отношение резонансного сеченпя рождения Уд-состояния к фоновому сечению составит лишь несколько процентов. Таким образом, наиболее благоприятная ситуация для обнаружения п изучения свойств векторных кваркониев Уд возникает в случае их частичного или полного вырождения по массе с ^'-бозоном. В то же время показано, что из-за отсутствия векторной связи ¿-кварков с дополнительным ^'-бозоном в -моделях свойства топоння не претерпевают изменений по сравнению с предсказаниями СМ.

В §12 показано, что при существовании кваркония (топония) с массой) близкой мас-.'е -бозона, исследование свойств

кваркония можно осуществлять по интерференционно!! картине, возникающей в дифференциальном сечении рассеяния процесса упругой е+е_-ашшгнляции. В частности, это существенно облегчило 'ы определение таких параметров системы, как масса н векторная константа связи ф-кварка с ¿^-мезоном. Установлено, что при полним вырождении по массам одного из уровней векторного кваркония (например, основного состояния) -бозоном в дифференциальном сечении реакции е+е~ —» е+е~ возникает интерференционная картина, проявляющаяся (как и в е+е~ —+ провалом в точке резонанса даже

после усреднения по вероятному энергетическому разбросу исходных е+е"-пучков и учета радиационных поправок. Исследована пит ерференцня сильно вырожденных по массе состояний векторного кваркония и нейтрального калибровочного ¿?0-бозона в процессе поляризационного рассеяния Баба, Показано, что измерение поляризационной асимметрии позволит определить электрослабую векторную константу связи ф-кварка. Проведен анализ энергетического и углового поведений поляризационной асимметрии, а также ее зависимости от ма^-ы кваркония. На этой основе определена область кинематических переменных, в коюрой интерференционные эффекты проявляются наиболее ярко и тем самым имеют реальные шансы быть экспериментально обнаруженными. Обсуждена возможность исследования эффектов слабых нейтральных токов ф-кварков в процессе упругой е+е~-аннпгнляццн в случае неполяризованных исходных е+е~-пучков.

Установлено, что все качественные особенности в поведении сечения рассеяния и поляризационной асимметрии, перечисленные в §§10 и 11 для С} — имеют место также в случае вырождения тяжелых векторных кварконпев Ур (С} — Ь', И.) с дополнительным ¿/'-бозоном.

В §13 исследованы возможности экспериментального обнаружения эффектов дополнительных слабых центральных Токов тяжелых (5-кварков (С? = Ь, Ь', /1) в Процессе адрон-адронных соударений с инклюзивным рождением пары лептон-антилептон при близости инвариантной массы пары массе векторного

кварконня QQ. Показано, что исследование резонансной продольной поляризации лептона в этом процессе Может стать полезным средством Получения сведений о векторной константе связи Q-кварка со стандартным и дополнительным Z'-бозоном. Установлено, что продольная поляризация лептонов не зависит от ; того или иного способа рождения кварконня и обусловлена лишь интерференцией амплитуд, описывающих электрослабый резонансный распад кварконня. Благодаря этому продольная поляризация лептона чувствительна только к злектрослабым константам связи Q-кварка и конечного лептона I. Кроме того, резонансная продольная поляризация не модифицируется пертур-батпвнымн хромодннамическпмн поправками за счет испускания глюонов соударяющимися партонами, а также не завпспт от типа соударяющихся адронов, от функций распределения начальных партонов в них, от полной или парциальной ширин распада кварконня. На основании этого делается вывод о возможности получения однозначной информации об электрослабых константах сцязп Q-кварка в адрон-адронных столкновениях, сравнимой с соответствующей информацией из е+е~-анннгнляцш1.

В пятой главе всесторонне анализируются возможности исследования Z — Z' смешивания в рамках различных расширенных моделей (Ев, лево-право симметричной п альтернативной лево-право симметричной) на е+е~ линейных коллайдерах следующего поколения с продольно поляризованными начальными пучками п зг^ргией t/s > 500 ГэВ в процессе парного рождения IV*, а также сравниваются с соответствующими потенциальными возможностями д.;л процесса рождения пары фермионов //.

В §14 приводится детальное описание физической природы механизма усиления косвенных эффектов човой физики в процессе е+е~ —> W+W~. В §15 обсуждаются возможности использования механизма усиления для поиска косвенных эффектов Z'-бозона в реакции е+е~ —* W+W~ и полученчя соответствующих ограничений на угол Z — Z' смешивания п массу Z' для различных классов расширенных моделей. Особое внимание

акцентируется на ролн, которую играет продольная поляризация начальных е+е~-пучков для улучшения ограничений на исследуемые параметры /'-бозона. В §16, основываясь на предположении о существовании достаточно легких для пх прямого рождения на е+е~ коллайдерах следующего поколения, рассматривается процесс рождения пар в резонансной области энергий. При этом внимание обращается на эксперименты как в традиционной (резонансной, = Мг>) области энергий, так и вблизи резонансного пика у/1 « Мг< ± Гг'/2), где открывается возможность установления наиболее жестких границ на область изменения угла ф. В §17 анализируются потенциальные возможности процесса е+е~ —» // для установления ограничении на угол смешивания посредством измерения различных наблюдаемых в пи „с ¿/'-резонанса. Проводится сравнение ограничений на угол ф, получаемых пз экспериментов в нерезонансной и резонансной областях энергий в процессах е+е~ —» и е+е~ —* //.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

В приложении А приводятся формулы для поляризационных дифференциального и интегрального сечений рассеяния процесса е+е" —» \У+\У~ с учетом вклада ^'-бозона.

В приложении В даиы точные выражения для констант связи ¿Г'-бозона с левыми и правыми фермионамн в моделях с расширенным калибровочным сектором: Ев, лево-право симметричная п альтернативная лево-право симметричная.

В приложении С приведены формулы для различных резонансных = М2) наблюдаемых процесса е+е~ —» // в линейном приближении по углу смешивания ф.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Панков A.A., Сацункевпч И.С.

Резонансная поляризация лептонов а процессах адронного

рождения дилептов.

ЯФ. 1985. т.41. вып.2. с.395 - 399.

2. Панков A.A., Сацункевпч И .С.

Упругая электрон-позитронная аннигиляция в области топоним ЯФ. 1985. т.41. вып.4. с.1007 - 1014.

3. Панков A.A., Сацункевич И.С.

О продольной поляризации лептонов - продуктов аннигиля-ционного распада векторного топония. ЯФ. 1986. т.43. вып.З. с.662 - 665.

4. Панков A.A., Сацункевич И.С.

Об эффектах слабых нейтральных токов t-кварков в процессах упругой е+е~-аннигиляции.

Иовестпя АН БССР, сер.физ.-мат.наук. 1986. N4. сЛ03-106.

5. Панков A.A., Сацункевич И.С.

Интерференция Z0-мезона и векторного топония в реакции е+е~ —»е+е~.

Проблемы физики высоких энергий и теории поля. Т^уды IX семпн ipa. Протвино, 7-13 июля 1986 г. М. Наука. 1987. с.255 - 259.

6. Панков A.A., Сацункевич И.С.

Об особенностях интерференции вырожденных Z0-мезона и векторного топония в упругой е+е~-аннигиляции. ЯФ. 1987. т.64. N 12. с. 1724 - 1728.

7. Панкоц A.A., Савченко Л.Д.

О смешивании топоним и 2а-бозона в процессе упругой е~ -аннигиляции.

Навестил вуиаи. Фнздка. 1988. N 10. с.38 - 42.

8. Панков A.A., Садувкевпч U.C.

Об особенностях интерференции вырожденных состояний 2°-мезпна Ч векторного топоним в процессе рассеяния Баба. Навестил АН БССР, сер.физ.-мат.наук. 1988. N 3. с.54-59.

9. Панког A.A., Сацуншшч И.С.

Смешивание топония и 2а-мезони о процессе поляризационного рассеяния Баба.

ЯФ. 1988. т.47. выц.4. с.1004 - 1068.

10. Пашгов А-Ач Сацуыкевич U.C.

О новой возможности исследования эффектов дополнительных калибровочиьгх21 -бозопоо в процессе е+е~ —♦ 1+1~ на установке

TRISTAN.

ЯФ. 19S8. т.47. еый.5. с.1333 - 1335.

11. Пайков A.A., Сацункевич U.C.

О Р-нечетиых эффектах дополнительных нейтральных Z1-

бовоиов и процессе Дрелла-Яна.

Паи. byaoû, фюша. 10SD. N 11. с.117 - 119.

12. Панков A.A., Сздулксилп U.C.

О Р-кечст',:ых аффектах дополнительных слабых нейтральных токов ißepMuauoo о е+е~-аннигиляции.

ЯФ. loeo. т.<|9. и а. сМ2 - В20.

13. Пинков A.A., Сацункеадч U.C.

О Р-псчсг^чых эффектах дополнительных Z'-бозонов в процесс

адроннога рождения дилсптоков. ЯФ. 1989. т.49. N 3. с.771 - 780.

14. Бабич A.A., Папков A.A., Сацупкевпч Н.С.

О поляризационных эффектах суперструнных 2'-бозонов в аннигиляционных процессах парного рождение новых заряженных фермионов.

ЯФ. 1989. т.50. вып. 12. c.IG4Q - 1654.

15. Панков A.A., Сацункевйч И.С.

Эффекты дополнительных 2'-бозотв нарушенной Et-сиМметрии в процессах е+е~ гйннигиляции и адрон-адрочных столкновений. Минск. 1989. 49 с. Препривт Ин-Т фпзикй АН BCCPi N 640.

16. Pankov A.A., Verzegnassi С.

Theoretical speculations on the TRISTAN results at-/s< 60 GeV. Phys. Lett. 1989. Vol.B233» N 1,2. P.250 - 2G2.

17. Панков A.A.

Рождение тяжелых векторных кваркониеа в е+е~-аннигиляции вблизи дополнительного 2*-бозона. ЯФ. 1989. т.52. вып.10. с.1069 - 1081.

18. Pankov А.А.

Heavy quarknium production close to neutral gauge Ёь boson in e+e~ annihilation.

Preprint ICTP: IC/89/313. Trieste, Italy. 1989. 38 P.

19. Pankov A.A., Satsunkcvich 1.9.

On the possibility of studying extra gauge Z'-boson effects in e+e- - J+f- at TRISTAN.

Nuovo Cimento. 1990. Vol.l03A. ser.l. P.1121 - 1130.

20. Pankov A.A., Satsunkevich I.S.

Polarized asymmetries of large Pt leptons at hadron colliders in Es theories.

Nuovo Ciinento. 1990. Vol.KMA. ser.l. P.1389- 1401.

21. Бабич A.A., Панков A.A.

О поляризационных асимметриях дополнительных суперструнны Z'-бозонов о процессе анпигилжционного рождения пары скалярн лептонов.

ЯФ. 1990. т.52. вып.11. с.1463 - 1472.

22. Панков А.А., С.чцунксвнч И.С.

Поляризационные эффекты от дополнительных Z'-бозонов в процессах адронного рождения дилептонов больших поперечны импульсов.

ЯФ. 1990. т.52. вып.9. с.868 - 875.

23. Бабпч А.А., Панков А.А.

Об эффектах суперструнных Z'-бозонов в процессе адронного рождения тяжелых лептонов.

Известия АН БССР, сср.фпз.-мат.наук. 1991 .N 2. с.75-80.

24. Бабич А.А., Панков А.А.

Дополнительный Z'-бозон и поляризационные асимметрии в процессе аннигиляционного рождения пары скалярных кварков. Известия вузов. Физика. 1991. N4. с.101 - 106.

25. Pankov А.А., Satsunkevich I.S.

Effects of extra neutral gauge Z' bosons in e+e" annihilation at

Ecm. < MZ.

in Proceedings of the 13 Warsaw Symposium on Elementary Particle Physics, Kazimierz, Poland, 28 May - 1 June 1990, Ed.

Z.Ajduk, S. Pokorski, World Scientific Publ.(1991), P.249-254.

26. Pankov A.A., Raczka R., Satsunkevich I.S.

A dependence of perturbative predictions of extended standard model on Z — Z' mixing and QCD - renormalization scheme parameters.

Nuovo Cimento. 1991. Vol.l04A. ser.12. P.1697 - 1706.

27. Pankov A.A.

On the enhancement mechanism of indirect Z' boson effects in e+e" -» W+W~ process at the VLEPP collider. in Proc. of First Workshop on Physics at VLEPP, 4-Ö June, 1991, Serpukhov, (1991) Vol.1, P.181-189.

28. Pankov A.A., Paver N.

Manifestations of heavy extra neutral gauge bosons in e+e~ —» W+W~.

Phys. Lett. 1991. Vol.B272. P.425-430.

29. Gerstein S.S., Likhoded A.A., Pankov A.A., Yushchenko О .P. Direct manifestation of the additional isoscalar bosons in e+e~ —» /+/" at LEP.

Phys. Lett. 1992. Vol.B275. P.169-171,

30. Pankov A.A., Paver N.

On the enhancement mechanism of new physics effects ine+e~ —» W+W~.

in Proc. of the 14 International Warsaw Meeting on Elementary Particle Physics, Puzzles on the Electroweak Scale, Warsaw, Poland, 27 - 31 May 1991, Eds.: Z.Ajduk, S.Pokorski and A.K. Wroblewski, (1992) P. 423-431.

'U. Папков A.A.

О механизме усиления эффектов новой физики о процессе

е+е- _ W+W-.

ЯФ. 15Э2. т.55 с.401-465.

32. Likhoded A.A., Pankov A.A., Yushchenko O.P.

Possible effects of additional vector bosons in e+e~ —> f+f~ at the TRISTAN energies.

Int.J.Mod.Phys, 1692. A7 Vol.22. P.1537-1542.

33. S.S. Gerstel», A.A. Likhoded, A.A. Pankov, O.P. Yushchenko Effects of additional isoscalar vector bosons in e+e~ —► f+f~ processes at the TRISTAN and LEP energies.

Z. Phys. 1992. Vol.C56. P.279-286.

34. Pankov A.A., Paver N.

Looking for extra neutral gauge boson effects in longitudinally

polarized e+e~ —♦ W+W~.

Phys. Lett. 1002. Vol.B274. P.483-488.

35. Pankov A.A.

Signals of new neutral gauge bosons in e+e~ —> W+W~ at VLEPP. in Proc. of Second Workshop on Physics at VLEPP, 2-4 June 1092, Protvino, Moscow (1092), Vol.1, P.D5-108.

36. Bablch A.A., Pankov A.A., Paver N.

Lepton mixing in W*W~ pair production with polarized e+e~ collisions.

Phys. Lett. 1993. Vol.B299. P.351-358.

37. Pankov A.A., Paver N.

Prohing Z — 2' mixing at future e+e~ colliders. Phys. Rev. 1993. Vol.D48. P.63-77.