Физика за пределами стандартной модели в низкоэнергетических процессах и космологии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

)БЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2-98-129

На правах рукописи УДК 530.145.1; 539.12.01

КОВАЛЕНКО Сергей Григорьевич

ФИЗИКА

ЗА ПРЕДЕЛАМИ СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ В НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ И КОСМОЛОГИИ

Специальность: 01.04.02 — теоретическая физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Дубна 1998

РГ6 од

? 2 ^

Работа выполнена в Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований.

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор Д.И.Казаке

Доктор физико-математических наук,

профессор В.А.Кузьми

Доктор физико-математических наук,

профессор Л.В.Прохоре

Ведущая организация:

НИИЯФ МГУ им. Д.В.Скобельцына, г. Москва

Зашита диссертации состоится 1998 г. на заседании диссе}

тационного совета Д047.01.01 при Лаборатории теоретической физики Объедипенног института ядерных исследований, г. Дубна Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ.

Автореферат разослан " А-сЬ" ьАЛ&л^ 1998 г.

Ученый секретарь совета кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Стандартная модель сильных слабых и электромагнитных взаимодействий (СМ) является одной из наиболее успешных теоретических схем когда-либо созданных в физике элементарных частиц. До сих пор не выявлено ни одного противоречащего ей экспериментального факта. Открытия нейтральных токов, а затем переносчиков слабого взаимодействия, и 2-бозонов, предсказанных СМ, стали убедительным свидетельством в пользу этой модели. Последующая тщательная проверка предсказаний СМ в ускорительных и неускорительных экспериментах устранили всякие сомнения в её справедливости. Даже пока еще ненайденная частица Хигтса — необходимый ингри-диент СМ — не меняет общей картины успеха теории. Примечательно, что недавнее открытие во Г'ИЛЬ тяжелого Шкварка, также необходимого для самосогласованности СМ, было воспринято физическим сообществом как само собой разумеющееся.

Между тем, теоретический базис СМ вызывает немалые сомнения. Уже давно было осознано, что в данной модели присутствуют проблемы, не позволяющие рассматривать ее как фундаментальную теорию. Кроме того, что в ней содержится большое количество свободных параметров, СМ сталкивается с проблемами внутренней самосогласованности. Хорошо известным примером является проблема иерархии энергетических масштабов и связанная с ней проблема квантовой стабильности массы Хиггса. СМ не может рассматриваться как окончательная теория, еще и потому, что она не включает гравитацию. Известны также и проблемы, которые встречает СМ в космологии и астрофизике. Так например, проблема холодной темной материи во Вселенной не находит реалистического объяснения в этой модели.

Все это стимулирует многочисленные попытки выхода за пределы СМ в поисках более фундаментальной теории, способной пролить свет на проблемы СМ и дать единую основу для описания всех взаимодействий, включая и гравитацию. За последнее время на этом пути достигнуты впечатляющие успехи, так что постепенно становится общепринятой точка зрения о том, что открытие экспериментальных проявлений новой физики — дело времени.

Наиболее перспективные модели физики за пределами СМ, которая возможно существует уже при сравнительно низких энергиях, основаны на идее "мягконарушен-ной" суперсимметрии. Будучи замечательной, как чисто теоретическая и математическая концепция, суперсимметрия дает элегантное объяснение многих неразрешимых в СМ проблем, в частности, упомянутой проблемы иерархии масштабов. В этих моделях присутствует также частица со свойствами, которые необходимы для решения космологической проблемы темной материи. Суперсимметрия оказалась тесно связанной и с идеей объединения взаимодействий. Выяснилось, что в СМ не происходит слияния констант связи сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, составляющего главный смысл объединения. Добавление же в СМ мяпсонарушенной суперсимметрии, предсказавыющей для каждой обычной частицы ее суперпартнера, коренным образом меняет эту ситуацию. Исходя из значений констант связи, полученных в прецизионных измерениях последних лет, удается получить слияние всех трех констант в одной точке на масштабе порядка ~ 1016 ГэВ. Эти и другие замечательные свойства суперсимметричных моделей привели в последние годы к тому обоснованному мнению, что модели данного класса являются прообразом будущей фундаментальной теории.

Пока такая теория не создана и данная область переживает стадию поиска и создания пробных моделей, представляется актуальным изучение их внутренних свойств, феноменологических следствий, выяснение их непротиворечивости современным экспериментальным данным, поиск специфических проявлений, которые могли бы наблюдаться в будущем или быть выявленными при целенаправленном анализе существующих данных.

Цель диссертации состоит в изучении общих свойств суперсимметричных и леп-токварковых расширений стандартной модели, их феноменологии и возможных проявлений новой физики такого типа в низкоэнергетических процессах, включая безнейтринный двойной бета-распад и рассеяние на ядрах гиппотетических частиц холодной темной материи, представленных в данном подходе легчайшими суперсимметричными частицами — нейтралино.

Научная новизна и практическая ценность.

В диссертации получены новые результаты, касающиеся общих свойств суперсимметричных и лептокварковых расширений стандартной модели, их феноменологии и возможных проявлений в низкоэнергетических процессах. Рассмотрены также следствия минимального суперсимметричного расширения СМ для проблемы холодной темной материи (CDM) во Вселенной.

Доказанная низкоэнергетическая теорема, справедливая для любой модели с мяг-конарушенной суперсимметрией связала Майорановскую массу нейтрино, (B-L) нарушающий массовый член снейтрино и амплитуду безнейтринного двойного бета (Qvfifj) распада. Было показано, что в присутствии массовых членов такого типа в спектре масс снейтрино возникает расщепление, как следствие устойчивости физического вакуума. Наличие такого расщепления приводит к ранее неизвестному явлению — осцилляциям снейтрино-антиснейтрино. Эффекты расщепления масс и осцилляций снейтрино, возможность их экспериментального наблюдения широко обсуждаются в литературе, о чем свидетельствует включение данного вопроса в обзор современного состояния суперсимметричной феноменологии Particle Data Group (http://pdg.ibl.gov/) издания 1998 года.

Природа массы нейтрино остается одной из нерешенных проблем физики элементарных частиц. Это делает актуальным поиск возможных механизмов ее генерации. В диссертации предложен новый суперсимметричный механизм генерации массы нейтрино на квантовом уровне. Майорановская масса у нейтрино возникает в этом механизме за счет радиационных поправок к оператору собственной энергии нейтрино, отличных от нуля при наличии расщепления в спектре масс снейтрино.

В диссертации открыто новое направление, лежащее на стыке теории элементарных частиц и атомного ядра — феноменология суперсимметричных и лептокварковых моделей в безнейтринном двойном бета-распаде ядер. Развитый в диссертации микроскопический подход дал основу для последовательного учета эффектов структуры нуклонов и ядер при переходе от кваркового уровня описания, где формулируются предсказания указанных моделей, к уровню ядерному, непосредственно связанному с экспериментом. Доказанная в диссертации низкоэнергетическая теорема вскрыла тесную связь этого экзотического распада с суперсимметрией. Найденные в диссертации конкретные суперсимметричные механизмы Оу/З/З-распада позволили установить из экспериментальных данных жесткие ограничения на некоторые суперсимметричные расширения стандартной модели. Так, ограничения полученные для R-нечетной Юкавской

константы связи первого поколения стали общепринятыми при интерпретации данных и планировании экспериментов по поиску суперсимметрии. В частности, они положены в основу интерпретации так называемой НЕКА-аномалии: избытка событий в глубоко неупругом е+;)-рассеянии при больших значениях Бьёркеновской переменной х и переданного 4-импульса (}г.

В диссертации изучены новые возможности лабораторного наблюдения частиц СОМ посредством регистрации их рассеяния на ядрах. Результаты этих исследований изменили стратегию экспериментального поиска этих частиц, поскольку было показано, что спин ядра мало влияет на величину потока событий. Ранее же считалось, что спин ядра играет определяющую роль в рассеянии Майорановских частиц темной материи и. поэтому, при планировании экспериментов предпочтение отдавалось ядрам с ненулевым спином. Это неоправданно усложняло создание детекторов темной материи и методы ее поиска. Эксперимент коллаборации Гейдельберг-Москва. один из наиболее успешных в данной области, полностью базируется на результатах исследований, вошедших в диссертацию.

В диссертации рассмотрена также новая нетрадиционная модификация стандартной модели, основанная на введении нелокального взаимодействия в секторе Хнггсовых полей. Это позволило реализовать эти поля как виртонные, т.е. с пропагатором без полюсов, и исключить из наблюдаемого спектра частицу Хиггса. Такая, новая, реализация спонтанно нарушенной электрослабой симметрии представляется актуальном в виду того, что частица Хиггса пока не найдена. Построенная в диссертации модель дает пример подхода, согласующегося с фактом ненаблюдення этих частиц.

На защиту выдвигаются следующие результаты:

1. Теоретически предсказаны ранее неизвестные явления — расщепление в спектре масс снейтрино и осцилляции снейтрино-антиснейтрино, возникающее в суперсимметричных теориях с Майорановскими нейтрино. (Снейтрино — это скалярный суперпартнер нейтрино).

2. Доказана общая теорема, связывающая параметр расщепления в спектре снейтрино с Майорановской массой нейтрино и матричным элементом безнейтринного двойного бета-распада.

3. Предложен суперсимметричный механизм генерации массы нейтрино. Майора-новская масса нейтрино возникает как квантовый эффект за счет расщепления масс в спектре скалярных снейтрино.

4. Завершено построение минимального расширения стандартной модели, включающего скалярные и векторные лептокварки. Найдены ранее неучтенные члены пичкоэнер-гетического Лагранжиана, отвечающие взаимодействиям лептокварков с полями Хиггса. Их учет существенно изменяет феноменологию лептокварков. Найден новый мехашпм нарушения лептонного числа за счет смешивания лептокварков.

5. Построена новая версия стандартной модели слабых и электромагнитных взаимодействий, не содержащая наблюдаемых частиц Хиггса. Модель основана на введении нелокального взаимодействия в секторе скалярных полей. Изучены её феноменологические следствия.

6. Дано количестванное описание рассеяния гипотетических частиц суперсимметричной темной материи галактики на атомных ядрах. Полученные результаты изменили ранее принятую стратегию поиска этих частиц в лабораторных условиях посредством регистрации ядер отдачи.

7. Развит микроскопический подход в теории безнейтринного двойного бета-распада, позволяющий описать данный процесс в терминах микроскопического кваркового Лагранжиана с учетом нуклонной и ядерной структуры, включая мезонные степени свободы ядра.

8. Получена общая параметризация эффективного Лагранжиана, описывающего вклад физики за пределами стандартной модели в безнейтринный двойной бета-распад. На его основе проведена классификация возможных механизмов этого экзотического процесса, запрещенного в стандартной модели.

9. Найдены новые механизмы безнейтринного двойного бета-распада, а именно: суперсимметричные механизмы в моделях с нарушенной и ненарушенной Л,,-четностью, а также лептокварковый механизм.

10. Предсказан эффект ядерного усиления вклада суперсимметрии и лептокварков в безнейтринный двойной бета-распад.

11. Получены новые ограничения на фундаментальные параметры новой физики, исходя из данных экспериментов по поиску безнейтринного двойного бета-распада и космической темной материи. Эти ограничения стали общепринятыми, на их основе планируются многие эксперименты по поиску суперсимметрии.

12. Предложен метод отделения эффектов новой физики от проявлений структуры нуклонов и ядер, участвующих в реакции. Метод основан на факторизации зависимости сечений реакций от нуклонных и ядерных матричных элементов и применении локализованных моментов в КХД-партонной модели. На этой основе найдены новые соотношения типа Паскоса-Вольфенштейна для сечений (квази-)упругого лептон-нуклонного (ядерного) рассеяния, независящие от нуклонной (ядерной) структуры.

Апробация работы.

Результаты, представленные в диссертации докладывались на семинарах в Лаборатории теоретической физики и в Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (Дубна), в Институте физики высоких энергий (Протвино), Институте теоретической физики неапольского университета, институте Макса Планка в Гейдельберге, университете Карлсруе, институте теоретической физики тюбингенского университа, техническом университете в Мюнхене, а также на международном симпозиуме по слабам и электромагнитным взаимодействиям в ядрах WEIN'92, Дубна, 1992; WEIN'95, Осака, Япония, 1995; конференции по двойному бета-распаду и смежным проблемам, Тренто, Италия, 1995; 28-й международной конференции Физике Высоких Энергий, Варшава, 1996; международной конференции по проблемам Темной Материи DARK'96, Гейдельберг, 1996; международной конференции по Суперсимметрии SUSY97, Мариланд, США, 1997; международной школе "Нейтрино в астрофизике, физике элементарных частиц и атомного ядра", Эриче, Италия, 1997; конференция по новой физике "Beyond the Desert", Castle Ringberg, Tegernsee, Германия, 1997.

Работы вошедшие в диссертацию цитируются в мировой литературе.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав и заключения. Она содержит 215 страниц машинописного текста, 26 рисунков, 12 таблиц и 2 приложения, расположенных в тексте. Список литературы включает 230 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан обзор современного состояния Стандартной модели электрослабых .< сильных взаимодействий, ее внутренних проблем. Обоснована принципиальная необходимость ее расширения. Сформулирована цель работы, обоснована актуальность проведенных в диссертации исследований и изложено ее краткое содержание.

Первая глава носит вводный характер. Основная цель главы — ввести определения и обозначения, используемые в последующих главах диссертации.

Дан обзор минимальной суперсимметричной модели с нарушенной R-четностью {$v MSSM). Последняя определяется как мультипликативная Z2 симметрия вида Яр = где с^ В \\ L есть спин, бармониое и лептонное числа полей модели.

Щр MSSM описывается перенормируемы,м суперпотелциатом:

W^Wib+Wft,- (1)

Сохраняющие R-четность члены записываются в форме:

WRp = hLHiLEc + hoH\QDc + huH2QUc + /iHYH2. (2)

Здесь L, Q - лептонный и кварковый дублеты лево-киральный суперполей, тогда как Е°, Uc, Dc соответствуют синглетным суперполям лептснов, а также и- d- кварков. Ч\ and #2 - дублеты Хштсовых суперполей со слабым гиперзарядом Y = — 1, +1 :оответственно.

Члены суперпотенциала нарушающие R-четность имеют вид:

Wfr = \ijkLiLjEck + KyMh'K + ^ ^Н2 + \1)кщцщ, (3)

Окавские Др-нечетные связи Ац^ и \'i]k являются предметом исследования Глав 7 и 8.

Далее в Главе 1 дается сводка формул для массовых матриц полей модели, излагаются 1етоды получения спектра масс частиц, а также приводится явный вид некоторых членов 1агранжиана взаимодействий MSSM.

Во второй главе изучены некоторые новые аспекты проблемы массы нейтрино, воз-[икающие в контексте суперсимметричных моделей.

Показано, что самосогласованная форма массового члена в секторе полей нейтрино-нейтрино имеет вид

Cass = + h-c-) -\{rh2MvLvL + h.c.) - m2Di>lvL. (4)

¡fi и = uc Майорановское поле. Первые два члена этого выражения нарушают глобаль-ую (B-L) симметрию, тогда как последний ей удовлетворяет. Первый член представляет обой Майорановский массовый член нейтрино. По аналогии второе слагаемое, нару-тющее (B-L) симметрию, названо Майорановским массовым членом снейтрино.

Доказана общая теорема, связывающую три (B-L) нарушающие величины: Май-рановскую массу нейтрино т"м, Майорановскую массу снейтрино т2и и амплитуду езнейтринноного двойного бета-распада Rovflp. Теорема состоит из двух утверждений.

Утверждение 1: Если одна из трех величин т"м, тм или обращается в ноль,

э равны нулю и две оставшиеся.

Утверждение 2 является обратным к предыдущему: Если, по-крайней мере, одна из трех величин т"м, тпм, ми П^рр отлична от нуля, то и две другие не равны нулю.

Последнее утверждение можно понимать так, что если одна из этих (В-Ь)-нарушающих величин не равна нулю, то две другие генерируются в высших порядках теории возмущений. Это продемонстрировано на конкретных примерах диаграмм. Доказательство первого утверждения строится на анализе допустимых симметрий низкоэнергетического Лагранжиана моделей с мягконарушенной суперсимметрией.

Показано, что в случае ненулевого значения т'пм комплексное скалярное поле сней-трино V перестает быть состоянием с определенной массой и расщепляется на два действительных поля

(5)

с противоположными СР-четностями и массами тп{2 = '"'о ± 1^1/1- Стабильность вакуума требует т2в > Таким образом Майорановская масса снейтрино имеет

смысл параметра расщепления в снейтринном спектре.

Как развитие этих представлений, предложен суперсимметричный механизм генерации Майорановской массы нейтрино, за счет 1-петлевого вклада снейтрино и нейтра-лино в оператор собственной энергии нейтрино. Майорановская масса в этом механизме дается формулой

ТП:

Изучены другие феноменологические следствия моделей с ненулевым значением п{1и и возможности их экспериментальной проверки. Одно из них — (В-Ь)-нарушающие осцилляции снейтрино-антиснейтрино V — Vе. Этот феномен возникает вследствие того, что собственные состояния Гамильтониана взаимодействия т> и Vе не являются собственными состояниями массового оператора. Поэтому начальное чистое состояние сней-тринного поля \й) эволюционирует с течением времени в смешанное 0 - йп состояние.

Временная эволюция вектора состояния дается формулой:

)£>(£)) = (7)

л/2

где Г, — полная ширина распада состояний снейтрино с определенной массой ¡1/,). Величины и А(1)о-сс — амплитуды \>—й и й—Vе переходов соответственно. Отсюда найдена полная проинтегрированная по времени вероятность найти антиснейтрино \Р') в суперпозиции (7).

В третьей главе рассматриваются лептокварковые расширения стандартной модели сильных и электрослабых взаимодействий, со стандартным составом полей, дополненным новыми скалярными и векторными полями — лептокварками. Они взаимодействуют перенормируемым образом с кварками и лептонами и несут одновременно и лептонный, и барионный заряды.

Симметрии и состав полей стандартной модели допускают всего 5 скалярных и 5 векторных лептокпарков в следующих представлениях 1руппы 5С7(3)г х 5{7(2)/. х (.'1У:

50 = (Зс, 1,-2/3), 5,/2 = (з;,2, -1/3). К, = (з;, 1,-4/3), У,/2 = (Зс, 2,1/3),

50 = (Зс, 1.-8/3).

5) = (3С,3, -2/3) У0 = (3*. 1. —10/3).

V, = (з;, 3.-1/3).

5,/2 = (3*, 2. —7/3). У,/2 = (Зс, 2. —5/3).

(8)

Исходя из требований калибровочной симметрии определяется общий вид перенормпру-емого Лагранжиана модели. Новым в диссертации является включение взаимодействии лептокварков с полями Хигтса. Соответствующие члены Лагранжиана имеют вид:

(9)

+

Сщ-и = ь^н-щБф ■ + • I;; +

+ /».V, Н,Т-А ■ 5,/, + 1,у, Шт-,У>' ■ \\п„ +

+ к,« {Шг^\п) ■ {¡¡{„и) + У^ [н>тг\'№) • {!;•,„//; + (///г25?//) ■ £„ + Кг, (Штг\\\,н) ■ \\С +

+ (я^,я) ■ 5,'/ + • V;;/, + /,.,-. -

Здесь Я — 5(7(2)),-дублет поля Хипса с гиперзарядом V = 1.

Учет лептокварк-Хигсовских взаимодействий (9) изменяет феноменологию лепю-кварков, привнося новые взаимодействия, обусловленные смешиванием лепгокварков разных представлений электрослабой 1руппы. В частности, смешивание приводи! к нарушению полного лептонного числа, оставляя при этом сохранение барионного числа незатронутым. Последнее важно с точки зрения стабильности протона.

В низкоэнергетическом пределе получены следующие нарушающие лептонное число эффективные взаимодействия в кварк-лептонном секторе:

/•<7/ '-из

(*РцГГ) (и-у "Р,У

( 10)

ЛЮ

у(»)

■ +

(Гп„Рн<() -

<\{1-]

—^т Н--—

А/.; Л/г

('"п,./'/,'/)

где коэффициенты а, с обращаются в ноль, если взаимодействия (9) лептокварков с полями Хиггса отсутствуют.

Нарушение лептонного числа приводит, в частности, к нетривиальному вкладу лептокварков в безпейтрпнный двойной бета-распад. Причем, такие вклады окапываются усиленными когерентным воздействием ядерной среды.

В заключении главы кратко рассматриваются ограничения на параметры модели, которые накладываются данными по распаду 7Г —у г//, подавленному в скшдартной модели законом сохранения углового момента.

В четвертой главе изучаются общие свойства бешейтрннного двойного бега-распада мотивируется уникадьность этого ядерного процесса для физики элемен ирных частиц. ()1//^-распад возможен лишь при наличии взаимодействий нарушающих

лептонное число, что запрещено в стандартной модели, а следовательно подразумевает выход за ее пределы. Дается общая параметризация возможных вкладов новой физики в О^Дй-распад в форме низкоэнергетического эффективного Лагранжиана

£^(0и00) = - — {М^щУй, + ^АЛ + ■ сГ,{1)»1 + (11)

. а!2) „,_ _ г . А'3»

т "2 ^ ~ 777"3

'' ''пет '' Лею

д(0 л(5)

"С _

Синглетные по цвету дикварковые операторы определены как ]г = йпО,с1п, где а — цветовой индекс. Объекты Г^ц и Ог представляют собой некоторые конструкции из 7-матриц Дирака и производных, тпеш — характерный масштаб новой физики.

Рассмотренные на основе Лагранжиана (11) общие свойства возможных вкладов новой физики в О^/З-распад задают направления поисков конкретных механизмов в различных расширениях стандартной модели.

Далее развивается микроскопический подход к О^ДО-распаду, позволяющий вычислять его амплитуду, исходя их кваркового Лагранжиана. Излагается формализм перехода к нуклонным и мезонным степеням свободы ядра. Соответствующий адронный Лагранжиан записывается в виде о

alNJkJk + а11,тт~}Р + а1ж (?г)21

Си0»т = е(1-Ь75)ес

+ (12)

+ <¿(1 + 7г,М ■ (•//' + Л-) + <Ф + 7яК ' + С/'

+ ^д^П^1 - 75 К ■ -¡АУ + У, Р г1->п 7Г

+

Здесь Зр^т — скалярный, псевдоскалярный и тензорный нуклонные токи, 7г — поле пи-мезона.

На основе этого Лагранжиана вычисляется амплитуда О^ДО-распада в терминах нерелятивистских операторов перехода П,:

0+->0+) = С^Х+ъУ]^)^^]!). (13)

г

Дается явный вид всех базисных операторов О, и вычисляются их ядерные матричные элементы для всех экспериментально интересных изотопов в рамках подхода, известного в литературе, как рп-Я(211РА.

Пятая глава посвящена рассмотрению конкретных механизмов О^ДЗ-распада в суперсимметричных и лептокварковых расширениях стандартной модели. Расматриваются дальнодействугощий и короткодействующий механизмы. На Рис. 1 приводится простейший пример диаграммы, дающей вклад в данный процесс, в суперсимметричных моделях с нарушенной К-четностыо. Промежуточное состояние диаграммы содержит два скварка й и глюино д. В низкоэнергетическом пределе диаграмма соответствует короткодействующему механизму. Эффективный Лагранжиан, описывающий вклад всех диаграмм такого типа, имеет вид:

£?г (т.) = ^ ёРКес [ч™ йРн<1 ■ йРн<1 - 7]г йо>"Рп<1 ■ иа^Рп<1} . (14)

и

Й

и

Рис. 1: Пример К-нечетного суперсимметричного вклада в О^Д/З-распдд.

Данный Лагранжиан описывает вклад короткодействующего механизма в первом порядке теории возмущений. Дальнодействующий механизм, включающий диаграммы с нейтринным обменом, описывается во втором порядке теории возмущений:

(Х) = Ш ("М* ~ Чпш) ■ Кг ■ ЬР&Ч ■ йРц<1.

(15)

Матрица смешивания нейтрино UiJ определена стандартным образом. Эффективные параметры г/, аккумулируют фундаментальные параметры $рМ58М и 7} ~ А'2.

Механизим, основанный на смешивании частиц с суперчастицами, использует тот факт, что билинейные члены в суперпотенциале (3) и в секторе мягкого нарушения суперсимметрии приводят к смешиванию нейтрино с нейтралино и левого электрона с чарджино. Это в свою очередь порождает новые вклады в О^/З/З-распад. Они описываются во втором порядке теории возмущений Лагранжианом

\х)

1

= р 8тр

+- 7?хй7■ ЩЛс1} {ёРпес)

щ(иРц(1 ■ иРц(1 - -йа^РаЛ ■ иа1ШРц<1)+

Параметры г) зависят от вакуумного среднего снентринного поля (0|У>|0) и параметра смешивания щ (см.(З)).

Включение в теорию ненулевой Майорановской массы снейтрино тм, рассмотренной в Главе 3, приводит к появлению нетривиального вклада в 0(//?/3-распад в моделях с сохраняющейся Я-четностью. В этом случае источником нарушения лептонного числа является массовый член снейтрино. Эффективный Лагранжиан описывающий данный вклад в 4-порядке теории возмущений имеет вид:

(16)

, \v~w-

гЬох __ С

-'ое /IVIV „

• ёРЕес +

Ъч

(17)

В этом случае г/ ~ т2м.

Наконец, в лептокварковых моделях получен вклад в Ог^ДО-распад, обусловленный нарушением лептонпош числа Ь за счет смешивания лептокварков (Ь<3) с различающимся значением Ь. Вклад в 01//3/?-распад описывается во 2-порядке теории возмущений эффективным Лагранжианом (10).

На основе формализма, разработанного в предыдущей главе, определяется вклад каждого механизма в амплитуду ОуДв-распада.

В шестой главе рассмотриваются возможные проявления новой физики в безнси-тринном двойном бета-распаде ядер. Ог^/З/З-распад до сих пор не наблюдался. Однако из этого факта удается получить очень жесткие ограничения на некоторые параметры новой физики. Исходя из результаов Главы 5, получены и проанализированы ограничения, которые накладываются экспериментами по поиску этого экзотического процесса на параметры суперсимметричных и лептокварковых расширений стандартной модели. Полученное в диссертации ограничение на ЯгГнечетную Юкавскую константу связи

является наиболее сильным из известнах в литературе ограничений такого типа.

Далее дана оценка перспектив поиска суперсимметрии и лептокварков в различных ОмДв-экспериментах и проведено сравнение с соответствующими перспективами некоторых ускорительных экспериментов.

Седьмая глава посвящена проблеме холодной темной материи (CDM) во Вселенной. В качестве частиц CDM рассматривается легчайшая суперсимметричная частица — нейтралино. Изучаются возможности экспериментального наблюдения этих частиц в лабораторных условиях по процессу их упругого рассеяния на ядрах вещества детектора. Эффективный Лагранжиан нейтрально-кваркового х ~ Я взаимодействия в общем виде может быть представлен в форме:

Ъп = £ (л • Х7Л5Х ' Ч1"ЪЧ ■ С, ■ XX ■'/'/) ■ (19)

Коэффициенты Л,, и С,,, соответствующие спин-зависимой Rs,i и когерентной спин-независимой Rsz частям амплитуды нейтралино-ядерного упругого рассеяния, вычислены в рамках минимальной суперсимметричной модели (MSSM). Ядерная структура учтена на основе odd-group оболочечной модели. Величина Rsti, Rbi проанализирована с учетом известных экспериментальных ограничений на параметрическое пространство MSSM. Установлено, что Rsd~RSi т.е. спин ядра не играет существенной роли в рассеянии нейтралино, вопреки широко распространенному мнению о его доминантности. Это послужило основанием для переориентации некоторых планируемых экспериментов по поиску CDM нейтралино со спиновых ядер мишени на бесспиновые. Изучены перспективы будущих экспериментов такого типа и возможные ограничения на параметры MSSM, которые могут быть ими получены.

В восьмой главе предложена нелокальная версия стандартной модели без частиц Хиггса. Подобные теоретические схемы представляются актуальными в виду того, что частицы Хиггса до сих пор не наблюдались экспериментально.

Модель основана на так называемой виртонной реализации полей Хиггса. В такой реализации после спонтанного нарушения электрослабой симметрии пропагатор поля

Хштса теряет полюс, что означает отсутствие в спектре асснмптотических состояний частиц Хипса. Вместе с тем механизм Хштса остается в силе и воспроизводит все массовые члены обычной СМ. Нелокалыюсть вводится в самодействие скалярного Хиггсова поля следующим образом:

- С = ф]{.г)(в2 + т2)0(х) 4- А (ф(.г)* * Ф(г))2 (20)

где т2 < 0, а нелокальное поле Ф(.г) получено из локального д(.г) путем "размазки" по некоторой области с характерным масштабом 1\>- Природа нелокалыюсти не рассматривается. Ей сопоставляется некоторый феноменологический формфакторо /С, с помощью которого нелокальное ноле записывается в виде:

Ф(.г) = / <1у Ц.г - у) ф(у) = ¡С {(I в2) ф{х). (21)

Нелокальный оператор К, О2) может быть представлен в форме:

Обобщенная функция К.(.г—у) = К- О2) 6(.г—ц) принадлежит к одному из пространств нелокальных обобщенных функций введенных и исследованных в работах Г.В.Ефимова. Включая взаимодействия (20) в Лагранжиан СМ и используя методы квантования развитые в этих работах, получаем следующее выражение для Лагранжиана модели после спонтанного нарушения симметрии:

-С' = \ф)£(д2)ф) + \„ (,,)•' + - (23)

- £ [«)' + 2щ] (и-и- + -

Здесь 1) поле Хиггса в виртонной реализации с пропагатором £Г~1. не обладающим полюсами, поскольку по построению £ — целая функция.

Показано, что феноменология данной модели при энергиях, достигнутых в современных экспериментах неотличима от феноменологии стандартной модели.

В девятой главе предложены некоторые методы анализа сечений упругого и г.чуГкжо-неупругого рассеяния лептонов на нуклонах и ядрах, позволяющие снизить зависимость некоторых измеряемых величин от нуклонной и ядерной структуры и явно выделить их зависимость от фундаментальных параметров стандартной модели и новой физики. Примером является полученное в диссертации соотношение типа Паскоса-Вольфешптейна для квазиупругого 1/Л/-рассеяния:

<'1р) - ^(ир

„2

4 СОИ2 А,- /';> ~

где /(,,, „ - мапштные моменты протона и нейтрона.

В заключении дана сводка основных результатов, полученных в диссертации.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. V.A. Bednyakov, S.G. Kovalenko, "Extra Z'-boson in elastic and diffractive г/.V-scattermg", JINR prepr., E2-88-395, Dubna, 1988.

2. V.A. Bednyakov, S.G. Kovalenko, "Extra Z'-boson in ¡/jV-elastic and some quasielus-tic processes", Phys. Lett., 214B (1988) 640.

3. B.A. Бедняков, С.Г. Коваленко, "Суперструнный Z'-бозон при энергиях УНК". ЯФ, 49 (1989) 866.

4. В.А. Бедняков, С.Г. Коваленко, "Суперструнный Z'-бозон в экспериментах па фиксированной мишени", препр. ОИЯИ, Р2-89-356, Дубна, 1989.

5. V.A. Bednyakov, S.G. Kovalenko, "New relations in lepton-nucleon scattering, independent of the nucleón structure", JINR prepr., E2-89-295, Dubna, 1989.

6. V.A. Bednyakov, S.G. Kovalenko, "Paschos-Wolfenstein relation in elastic uN-scattering." Phys. Lett., 219B (1989) 96.

7. V.A. Bednyakov, S.G. Kovalenko, "New relations between W-scattering cross sections and neutral current parameters", Z.Phys.C. 45 (1990) 515.

8. V.A. Bednyakov, Yu.P. Ivanov, S.G. Kovalenko, "Nucleón Structure as a Background for Determination of Fundamental Parameters." Phys. Rev., D48 (1993) 129.

9. S.G. Kovalenko, "Hidden Higgs Particle" Mod. Phys. Lett. A9 (1994) 1933.

10. S.G. Kovalenko, "Standard model without Higgs particles" in Proc. the Int. Symposium on Weak and Electromagnetic Interactions in Nuclei (WEIN'92), Dubna, 1992, p. 505.

11. V.A. Bednyakov, H.V. Klapdor-Kleingrothaus, S.G. Kovalenko, "Possible Constraints on SUSY-model Parameters from Direct Dark Matter Search", Phys. Lett. B329 (1994) 5.

12. V.A. Bednyakov, H.V. Klapdor-Kleingrothaus, S.G. Kovalenko, "On Direct Detection of Supersymmetric Dark Matter and the Role of the Target Nucleus Spin". Phys.Rev. D50 (1994) 7128.

13. M. Hirsch, H.V. Klapdor-Kleingrothaus, S.G. Kovalenko, "New Supersymmetric Contribution to Neutrino!ess Double Beta Decay", Phys.Lett. B352 (1995) 1.

14. M. Hirsch, H.V. Klapdor-Kleingrothaus, S.G. Kovalenko, "New Constraints on Super-symmetry from Neutrinoless Double Beta Decay", Phys .Rev .Lett., 75 (1995) 17.

15. M. Hirsch, H.V. Klapdor-Kleingrothaus and S.G. Kovalenko, "Test of Supersymmetry: double beta decay and particle accelerators", Phys.Bl. 51 (1995) 418. (in German)

16. M. Hirsch, H.V. Klapdor-Kleingrothaus and S.G. Kovalenko, "Supersymmetry and Neutrinoless Double Beta Decay", Phys. Rev. D53 (1996) 1329.

17. M. Hirsch, H.V. Klapdor-Kleingrothaus and S.G. Kovalenko, "Supersymmetry and Neutrinoless Double Beta Decay", In the Proc. of the Int. Symposium on Weak and Electromagnetic Interactions in Nuclei (WEIN'95), Osaka, 1995, p.204.

18. M. Hirsch, H.V. Klapdor-Kleingrothaus and S.G. Kovalenko, "On the SUSY Accompanied Neutrino Exchange Mechanism of Neutrinoless Double Beta Decay", Phys.Lett. B372 (1996) 181.

19. M. Hirsch, H.V. Klapdor-Kleingrothaus, S.G. Kovalenko, H.Paes "On the observability of Majoron emitting double beta decays" Phys.Lett. B372 (1996) 8.

20. V.A. Bednyakov, H.V. Klapdor-KIeingrothaus, S.G. Kovalenko, "Expectations for Su-persymmetric Dark Matter Searches Underground", in Proc. of the Workshop on Double Beta Decay and Related Topics, Trento, Italy, 1995, ed. by H.V. Klapdor-KIeingrothaus and S. Stoica (World Scientific, Singapore, 1996), p. 304.

21. M. Hirsch, H.V. Klapdor-KIeingrothaus, S.G. Kovalenko, "The R-parity violating su-persymmetric mechanism of neutrinoless double beta decay", in Proc. the Workshop on Double Beta Decay and Related Topics, Trento, Italy, 1995, ed. by H.V. Klapdor-KIeingrothaus and S. Stoica (World Scientific, Singapore, 1996), p. 91.

22. M. Hirsch, H.V. Klapdor-KIeingrothaus, S.G. Kovalenko, "New Low-energy Lepto-quark Interactions". Phys.Lett. В 378 (1996) 17.

23. M. Hirsch, H.V. Klapdor-KIeingrothaus, S.G. Kovalenko, "New Leptoquark Mechanism for Neutrinoless Double Beta Decay". Phys.Rev. D54 (1996) R4207.

24. M. Hirsch, H.V. Klapdor-KIeingrothaus, S.G. Kovalenko, "Probing physics beyond the standard model with neutrinoless double beta decay". Proc. 28th Inter. Conference on High energy physics, 25-31 July 1996, Warsaw, Poland, World Scientific, Singapore, eds. Z. Ajduk and A.K.Wroblewski, p. 1426.

25. S.G. Kovalenko, "Low-energy theorem in softly-broken supersymmetry", JINR Rapid Communications 81 (1997) 103.

26. A. Faessler, S. Kovalenko, F. Simkovic and J. Schwieger, "Pion-exchange Supersym-metric Mechanism of Neutrinoless Double Beta Decay." Phys.Rev.Lett. 78 (1997) 183.

27. V.A. Bednyakov, V.B. Brudanin, S.G. Kovalenko and Ts.D. Vylov, "On Prospects for Exploration of Supersymmetry in Double Beta Decay Experiments." Mod.Phys.Lett. AI2 (1997) 233.

28. M. Hirsch, H.V. Klapdor-KIeingrothaus and S.G. Kovalenko, "(B-L)-violating Masses in Softly Broken Supersymmetry." Phys.Lett. В 398 (1997) 311.

29. M. Hirsch, H.V. Klapdor-KIeingrothaus and S.G. Kovalenko, "Sneutrino Oscillations and Neutrinoless Double Beta Decay", Phys. Lett. В 403 (1997) 291.

30. V.A. Bednyakov, H.V. Klapdor-KIeingrothaus and S.G. Kovalenko, "On the lower limit for the mass of the dark matter neutralino" In the Proc. of the Int. Workshop DARK'96, Heidelberg, 1996, p. 151.

31. M. Hirsch, H.V. Klapdor-KIeingrothaus and S.G. Kovalenko, "R-parity Conserving Supersymmetry, Neutrino Mass and Neutrinoless Double Beta Decay", Phys.Rev.D 57 (1998) 1947.

32. M. Hirsch, H.V. Klapdor-KIeingrothaus, St. Kolb and S.G. Kovalenko, "Phenomeno-logical implications of "Majorana" sneutrinos at future accelerators", Phys.Rev. D 57 (1998) 2020.

33. M. Hirsch, H.V. Klapdor-KIeingrothaus and S.G. Kovalenko, "Double beta decay, supersymmetry and lepton number violation", in Proc. Int. Conf. SUSY97, University of Maryland, 1997, p. 126.

34. A. Faessler, S.Kovalenko, F. Simkovic and J. Schwieger, "Pion Exchange Currents in Neutrinoless Double Beta Decay and Limits on Supersymmetry", ЯФ, 61, вып. 7 (1998) 537.

35. A. Faessler, S. Kovalenko, F. Simkovic and J. Schwieger, "The Pauli Principle, Nuclear Structure and Double Beta Decay", in Proc. Int. School on Nuclear Physics "Neutrinos in Astro, Particle and Nuclear Physics " Erice, Italy; September 16-24, 1997, p. 237.

36. M. Hirsch, H.V. Klapdor-Kleingrothaus, St. Kolb and S.G. Kovalenko, "Supersym-metry and Majorana (S)neutrino", ЯФ, 61, вып. 7 (1998) 770.

37. M. Hirsch, H.V. Klapdor-Kleingrothaus, S.G. Kovalenko, H.Paes "A general parame-trization for the long-range part of neutrinoless double beta decay" in Proc. of the Erice School on Nuclear Physics, 19th course "Neutrinos in Astro, Particle and Nuclear Physics", Erice, Italy, 16-24 September 1997, p. 221.

38. M. Hirsch, H.V. Klapdor-Kleingrothaus, S.G. Kovalenko, H.Paes "Towards a superformula for neutrinoless double beta decay", in Proc. of the workshop "Beyond the Desert", Castle Ringberg, Tegernsee, Germany, June 8-14 1997 (ed. by H.V. Klapdor-Kleingrothaus and H.Paes), p. 145; hep-ph/9804374.

39. A. Faessler, S. Kovalenko, F. Simkovic, "Bilinear R-parity Violation in Neutrinoless Double Beta Decay", accepted for publication in Phys.Rev. D; hep-ph/9712535, препр. ОИЯИ E4-98-124.

40. A. Faessler, S. Kovalenko, F. Simkovic, "Pions in Nuclei and Manifestations of Su-persymmetry in Neutrinoless Double Beta Decay", submitted to Phys. Rev. D (1998); hep-ph/9803253, препр. ОИЯИ E4-98-123.

Рукопись поступила в издательский отдел 15 мая 1998 года.

КОВАЛЕНКО Сергей Григорьевич

ФИЗИКА

ЗА ПРЕДЕЛАМИ СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ В НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

И КОСМОЛОГИИ

Специальность: 01.04.02 - теоретическая физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Дубна 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Суперсимметричные расширения Стандартной модели.

1.1 Минимальная суперсимметричная стандартная модель (МЗЗМ)

1.2 Нарушение И-четности

1.3 Скалярный потенциал и спонтанное нарушение электро-слабой симметрии

1.4 Массовые матрицы и спектр частиц

1.5 Базисные взаимодействия МББМ

Глава 2. Суперсимметрия и масса нейтрино.

2.1 Майорановская или Дираковская масса.

Связь с безнейтринным двойным бета-распадом.

2.2 Майорановское нейтрино и суперсимметрия.

2.3 Расщепление в спектре скалярных снейтрино и устойчивость вакуума.

2.4 Суперсимметричный механизм генерации массы нейтрино.

2.5 Осцилляции и расщепление скалярных снейтрино. Экспериментальные проявления.

Глава 3. Дополнительные поля. Лептокварки.

3.1 Лептокварковые расширения стандартной модели

3.2 Феноменологический Лагранжиан лептокварков.

3.3 Смешивание мультиплетов и нарушение лептонного числа во взаимодействиях лептокварков

3.4 Эффективные 4-х фермионные кварк-лептонные взаимодействия. Ограничения из распада 7г-мезонов.

Глава 4. Безнейтринный двойной бета-распад ядер как зонд новой физики.

4.1 Экзотический процесс - безнейтринный двойной бета-распад

4.2 Эффективные кварк-лептонные О^/5/З-операторы.

5 11

36

58

Параметризация вклада новой физики.

4.3 Переход к эффективному лептон-адронному Лагранжиану.

4.4 Амплитуда 0г//3/?-распада и операторы ядерных переходов.

4.5 Время 0г//"^-полураспада и ядерные матричные элементы.

4.6 Ядерная структура. Подход основанный на методе квазичастиц в приближении случайных фаз.

Глава 5. Суперсимметрия и лептокварки в двойном бета-распаде. 100

5.1 Суперсимметричный механизм контактного характера.

5.2 Суперсимметричные механизмы с дальнодействием.

5.3 Механизм, основанный на смешивании обычных частиц с суперпартнерами.

5.4 Суперсимметрия с сохраняющейся Я-четностью

5.5 Лептокварки в О^/З/З-распаде.

Глава 6. Экспериментальные ограничения и перспективы поиска

новой физики в О^/З/З-распаде. 123

6.1 Краткий обзор экспериментальных методов поиска -распада.

6.2 Суперсимметрия в 0//Д/3-распаде: современное состояние и перспективы поиска.

6.3 Ограничения на фундаментальные параметры новой физики.

6.4 Сравнение с ускорительными экспериментами.

Глава 7. Суперсимметрия и проблема скрытой массы Вселенной. 142

7.1 Скрытая масса Вселенной как суперсимметричная темная материя - нейтралино

7.2 Общие свойства взаимодействия нейтралино с ядрами.

7.3 Предсказания SUSY моделей

7.4 Роль спина ядер мишени

Глава 8. Стандартная модель без частиц Хиггса. 161

8.1 Поля без асимптотических состояний в нелокальной квантовой теории поля

8.2 Спонтанное нарушение симметрии в нелокальной теория поля. Нелокальный эффект Хиггса.

8.3 Стандартная модель слабых и электромагнитных

взаимодействий с виртуальным полем Хиггса. 8.4 Некоторые феноменологические следствия.

Глава 9. Эффекты новой физики на фоне проявлений

нуклонной и ядерной структуры. 174

9.1 Соотношения типа Паскоса-Вольфенштейна

в (квази-)упругом рассеянии лептонов на нуклонах

9.2 Эффективный лагранжиан и сечения ¿/V-рассеяния

9.3 Факторизация и устранение зависимости от структуры нуклона

9.4 Метод подавления некоторых неопределенностей квантовой хромодинамики при описании глубоконеупругого рассеяния лептонов на нуклонах

Заключение 190

Приложение 1. Приближенный метод диагонализации массовых матриц. 192

Приложение 2. Константы связи дополнительного Z'-бозона в Е6 модели. 195

Литература 197

ВВЕДЕНИЕ

Стандартная модель сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий (СМ) является одной из наиболее успешных теоретических схем когда-либо созданных в физике элементарных частиц. До сих пор не выявлено ни одного противоречащего ей экспериментального факта. Открытия нейтральных токов, а затем переносчиков слабого взаимодействия, и Ъ бозонов, предсказанных СМ, стали убедительным свидетельством в пользу этой модели. Последующая тщательная проверка предсказаний СМ в ускорительных и неускорительных экспериментах устранили всякие сомнения в её справедливости. Даже пока еще ненайденная частица Хиггса - необходимый ингредиент СМ - не меняет общей картины успеха теории. Примечательно, что недавнее открытие во FNAL тяжелого Шкварка, также необходимого для само согласованности СМ, было воспринято физическим сообществом как само собой разумеющееся.

Между тем, теоретический базис СМ вызывает немалые сомнения. Уже давно было осознанно, что в данной модели присутствуют проблемы, не позволяющие рассматривать ее как фундаментальную теорию. Кроме того, что в ней содержится большое количество свободных параметров, СМ сталкивается с проблемами внутренней само согласованности. Хорошо известным примером является проблема иерархии энергетических масштабов и связанная с ней проблема квантовой стабильности массы Хиггса. СМ не может рассматриваться как окончательная теория, еще и потому, что она не включает гравитацию. Известны также и проблемы, которые встречает СМ в космологии и астрофизике. Так например, проблема холодной темной материи Вселенной не находит реалистического объяснения в этой модели.

Все это стимулирует многочисленные попытки выхода за пределы СМ в поисках более фундаментальной теории, способной пролить свет на проблемы СМ, и дать единую основу для описания всех взаимодействий, включая и гравитацию. За последнее время на этом пути достигнуты впечатляющие успехи, так что, постепенно становится общепринятой точка зрения о том, что открытие экспериментальных проявлений новой физики дело времени.

Наиболее перспективные модели физики за пределами СМ, которая возможно существует уже при сравнительно низких энергиях, основаны идее "мягко" нарушенной суперсимметрии [1]-[4]. Будучи замечательной, как чисто теоретическая и математическая концепция, суперсимметрия дает элегантное объяснение многих неразрешимых в СМ проблем, в частности, упомянутой проблемы иерархии

масштабов. В этих моделях присутствует также частица со свойствами, которые необходимы для решения космологической проблемы темной материи. Суперсимметрия оказалась тесно связанной и с идеей объединения взаимодействий. Выяснилось, что в СМ не происходит слияния констант связи сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, составляющего главный смысл объединения. Добавление же в СМ "мягко" нарушенной суперсимметрии, предсказывающей для каждой обычной частицы ее суперпартнера, коренным образом меняет эту ситуацию. Исходя из значений констант связи, полученных в прецизионных измерениях последних лет, удается получить слияние всех трех констант в одной точке на масштабе порядка ~ 1016ГэВ. Эти и другие замечательные свойства суперсимметричных моделей привели в последние годы к тому обоснованному мнению, что модели данного класса являются прообразом будущей фундаментальной теории.

Пока такая теория не создана, и данная область переживает стадию поиска и создания пробных моделей, представляется актуальным изучение их внутренних свойств, феноменологических следствий, выяснение их непротиворечивости современным экспериментальным данным, поиск специфических проявлений, которые могли бы наблюдаться в будущем или быть выявленными при целенаправленном анализе существующих данных.

Цель диссертации состоит в изучении общих свойств суперсимметричных и лептокварковых расширений стандартной модели, их феноменолоши и возможных проявлений новой физики такого типа в низкоэнергетических процессах, включая безнейтринный двойной бета-распад и рассеяние на ядрах гипотетических частиц холодной темной материи, представленных в данном подходе легчайшими суперсимметричными частицами - нейтралино. Сюда же входит и рассмотрение следствий минимального суперсимметричного расширения СМ для проблемы холодной темной материи (СБМ) во Вселенной.

Диссертация написана по материалам работ [5]-[44].

Доказанная в диссертации низкоэнергетическая теорема [34]-[35], справедливая для любой модели с "мягко" нарушенной суперсимметрией, связала Майоранов-скую массу нейтрино, В-Ь нарушающий массовый член снейтрино и амплитуду безнейтринного двойного бета (О1//З/З)-распада. Было показано, что в присутствии массовых членов такого типа в спектре масс снейтрино возникает расщепление, как следствие устойчивости физического вакуума [38]. Наличие такого расщепления приводит к ранее неизвестному явлению - осцилляциям снейтрино-антиснейтрино [36]. Эффекты расщепления масс [37] и осцилляции снейтрино, возможность их

экспериментального наблюдения широко обсуждаются в литературе, о чем свидетельствует включение данного вопроса в обзор современного состояния суперсимметричной феноменологий Particle Data Group (URL: http://pdg.ibl.gov/) издания 1998 года.

Природа массы нейтрино остается одной из нерешенных проблем физики элементарных частиц. Это делает актуальным поиск возможных механизмов ее генерации. В диссертации предложен новый суперсимметричный механизм генерации массы нейтрино на квантовом уровне [38]. Майорановская масса у нейтрино возникает в этом механизме за счет радиационных поправок к оператору собственной энергии нейтрино, отличных от нуля при наличии расщепления в спектре масс снейтрино.

В диссертации открыто новое направление, лежащее на стыке теории элементарных частиц и атомного ядра - феноменология суперсимметричных и леп-токварковых моделей в безнейтринном двойном бета-распаде ядер. Развитый в диссертации микроскопический подход [24], [26]-[29], [32], [33] дал основу для последовательного учета эффектов структуры нуклонов и ядер при переходе от кваркового уровня описания, где формулируются предсказания указанных моделей, к уровню ядерному, непосредственно связанному с экспериментом. Доказанная в диссертации низкоэнергетическая теорема вскрыла тесную связь этого экзотического процесса с суперсимметрией. Найденные в диссертации конкретные суперсимметричные механизмы О^/З/З-распада [19], [21], [38], [40], [42] позволили установить из экспериментальных данных жесткие ограничения на некоторые суперсимметричные расширения стандартной модели. Так, ограничения полученные для R-нечетной Юкавской константы связи первого поколения [22] стали общепринятыми при интерпретации данных и планировании экспериментов по поиску суперсимметрии. В частности, они положены в основу интерпретации т.н. HERA-аномалии: избытка событий в глубоко неупругом е+р-рассеянии при больших значениях Бьёркеновской переменной х и переданного 4-импульса Q2.

В диссертации изучены новые возможности лабораторного наблюдения частиц CDM посредством регистрации их рассеяния на ядрах [15]-[17], [18]. Результаты этих исследований изменили стратегию экспериментального поиска этих частиц, поскольку было показано, что спин ядра мало влияет на величину потока событий. Ранее же считалось, что спин ядра играет определяющую роль в рассеянии Майорановских частиц темной материи и, поэтому, при планировании экспериментов предпочтение отдавалось ядрам с ненулевым спином. Это неоправданно

усложняло создание детекторов темной материи и методы ее поиска. Эксперимент коллаборации Гейдельберг-Москва, один из наиболее успешных в данной области, полностью базируется на результатах исследований, вошедших в диссертацию.

В диссертации рассмотрена также новая нетрадиционная модификация стандартной модели, основанная на введении нелокального взаимодействия в секторе Хигтсовых полей. [13], [14]. Это позволило реализовать эти поля как виртонные, т.е. с пропагатором без полюсов, и исключить из наблюдаемого спектра частицу Хигтса. Такая, новая, реализация спонтанно нарушенной электро-слабой симметрии представляется актуальной в виду того, что частица Хигтса пока не найдена. Построенная в диссертации модель дает пример подхода, согласующегося с фактом ненаблюдения этих частиц.

В диссертации рассмотрены также некоторые вопросы, связанные с проблемой выделения слабого сигнала новой физики в процессах с участием нуклонов и ядер. Предложены методы выделения зависимости от нуклонных и ядерных матричных элементов в наблюдаемых величинах - типа асимметрий рассеяния [5]-[12]. Это позволяет в определенных случаях существенно уменьшить неопределенности, связанные с теоретически плохо контролируемым фактором структуры рассеивающихся частиц и извлечь из экспериментальных данных более достоверную информацию о новой физике.

Диссертация состоит из введения, 9 глав и заключения.

Первая глава носит вводный характер. Основная её цель - ввести определения и обозначения, используемые в последующих главах диссертации. В ней дан обзор минимальной суперсимметричной модели с сохраняющейся ГМЗБМ) и нарушенной Л-четностью ($РМ88М).

Во второй главе изучены некоторые новые аспекты проблемы массы нейтрино, возникающие в контексте суперсимметричных моделей. Доказывается общая теорема, связывающая параметр расщепления в спектре снейтрино с Майорановской массой нейтрино и матричным элементом безнейтринного двойного бета-распада. Рассматриваются различные феноменологические следствия расщепления в сней-тринном спектре, в частности, ранее неизвестное явление - осцилляции снейтрино-антиснейтрино. В этой главе также сформулируем новый суперсимметричный механизм генерации массы нейтрино.

В третьей главе рассматриваются лептокварковые расширения стандартной модели сильных и электро-слабых взаимодействий со стандартным составом полей, дополненным новыми скалярными и векторными полями - лептокварками. Они

взаимодействуют перенормируемым образом с кварками и лептонами и несут одновременно и лептонный, и барионный заряды. Исходя из требований калибровочной симметрии, мы восстанавливаем общий вид перенормируемого Лагранжиана модели. Новым является включение взаимодействий лептокварков с полями Хиггса. Их учет изменяет феноменологию лептокварков, привнося новые взаимодействия, обусловленные смешиванием лептокварков разных представлений электро-слабой группы. В частности, смешивание приводит к нарушению полного лептонного числа, оставляя при этом сохранение барионного числа незатронутым.

В четвертой главе изучаются общие свойства безнейтринного двойного бета-распада (О¡/(З/З) и мотивируется уникальность 0///3/?-распада для физики элементарных частиц. В сущности это процесс, который возможен лишь при наличии в природе взаимодействий нарушающих лептонное число, что запрещено в обычной стандартной модели, а следовательно, подразумевает выход за ее пределы. Мы даем общую параметризацию эффектов новой физики на уровне кварковых степеней свободы и излагаем формализм перехода к уклонным и мезонным степеням свободы ядра, нерелятивистское импульсное приближение и методы вычисления операторов ядерного 0^/3/3-перехода. Завершает главу краткое изложение модели ядерной структуры, использованной для вычисления ядерных матричных элементов.

Пятая глава посвящена рассмотрению конкретных механизмов Ог//?/?-распада, которые мы находим в суперсимметричных и лептокварковых расширениях стандартной модели. Опираясь на формализм, разработанный в предыдущей главе, мы определяем вклад каждого механизма в амплитуду Ог//3/3-распада. Мы воспользуемся этими результатами в следующей главе, чтобы извлечь экспериментальные ограничения на характерные параметры новой физики, лежащей в основе рассматриваемых механизмов.

В шестой главе рассматриваются возможные проявления новой физики в безнейтринном двойном бета-распаде ядер. 01/(3(3-распад до сих пор не наблюдался. Однако из этого факта удается получить очень жесткие ограничения на некоторые параметры новой физики. Исходя из результатов главы 5, получены и проанализированы ограничения, которые накладываются экспериментами по поиску этого экзотического процесса на параметры суперсимметричных и лептокварковых расширений стандартной модели.

Седьмая глава посвящена проблеме холодной темной материи (СЮМ) во вселенной. В качестве частиц СБМ рассматривается легчайшая суперсимметричная

частица - нейтралиио. Изучаются возможности экспериментального наблюдения этих частиц в лабораторных условиях по процессу их упругого рассеяния на ядрах вещества детектора.

В восьмой главе предложена нелокальная версия стандартной модели без частиц Хиггса.

В девятой главе рассмотрены некоторые методы анализа сечений упругого и глубоко неупругого рассеяния лептонов на нуклонах и ядрах, позволяющие снизить зависимость некоторых измеряемых величин от нуклонной и ядерной структур