Нейтральные токи с изменением аромата в Стандартной Модели и ее расширениях с синглетным кварком тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

1. Введение. Современное состояние Стандартной Модели, высокоэнергетические расширения и поиск новых частиц.

1.1. Экспериментальный и теоретический статус Стандартной Модели.

1.2. Экспериментальные и теоретические предпосылки возможности существования синглетного кварка

1.3. Современное состояние проблемы изучения низкоэнергетической феноменологии синглетных кварков.

1.4. Постановка задачи систематического анализа феноменологии синглетного кварка и построение соответствующего формализма и методики.

2. Теоретическая схема включения синглетного кварка в формализм Стандартной Модели.

2.1. Низкоэнергетический Лагранжиан модели с синглетным кварком. Структура нейтральных и заряженных токов.

2.2. Обобщенная матрица смешивания. Параметризация матрицы смешивания и реконструкция с использованием малого параметра.

2.3. Сравнительная характеристика механизмов генерации НТИА в различных расширениях Стандартной Модели.

3. Феноменологические следствия смешивания синглехного кварка со стандартными.

3.1. Редкие лептонные и полулептонные распады мезонов.

3.2. Смешивание в системах нейтральных мезонов.

3.3. Недиагональные процессы рождения синглетных и обычных кварков в е+е~, ер и рр реакциях.

3.4. Основные свойства синглетных кварков и новых тяжелых мезонов.

4. Расчет эффективных недиагональных вершин в Стандартной Модели и ее расширениях.

4.1. Методологические аспекты анализа интерференции вкладов СМ и ее расширений в НТИА.

4.2. Эффективные вершины qгqjZ, ЦгЦ^ в Стандартной Модели.

4.3. Эффективные вершины в модели с синглетным кварком.

Основные результаты диссертации:

1. Разработана теоретическая схема включения верхних и нижних сингл етных кварков в формализм Стандартной Модели.

2. Построена обобщенная матрица смешивания, описывающая структуру заряженных и нейтральных токов с изменением аромата в модели с синглетным кварком.

3. Рассмотрены низкоэнергетическая феноменология синглетного кварка в редких процессах — смешивании в нейтральных системах, редких лептонных и полулептонных процессах. На основе экспериментальных данных по редким процессам получены огарничения на величину смешивания синглетного кварка с обычными и на массу синглетного кварка.

4. Получены оценки сечений недиагонального рождения пар обычных и сингл етных кварков.

5. Рассмотрены основные свойства синглетного кварка и новых тяжелых мезонов, содержащих синглетный кварк.

6. Произведен расчет эффективных вершин Zqiqj, 7дед, ддед в одно-петлевом приближении в Стандартной Модели и модели с синглетным кварком. Получены аппроксимационные выражения для эффективных вершин, удобные для анализа и практического использования.

7. Рассмотрены методологические вопросы, связанные с расчетом эффективных недиагональных вершин. Проведены обсуждение и аргументация выбора для расчета унитарной калибровки, 75—дефиниции и процедуры ренормировки.

В качестве последующего приложения полученных результатов следует указать на более полное и детальное исследование редких процессов. В частности, к настоящему времени плохо изучены возможные проявления синглетного кварка в нелептонных распадах и процессах с нарушением СР—инвариантности. Последние представляют собой наибольший интерес, т.к. в модели с синглетным кварком имеется три СР—нарушающих параметра, в то время, как в СМ матрица Кобаяшй Маскава содержит только один такой параметр. Следует, также, учесть сформировавшееся к настоящему времени убеждение, что КХД-эффекты могут играть большую, иногда доминирующую роль в некоторых редких процессах, таких, как, например, радиационные распады мезонов. В этом отношении актуальность приобретает детальное изучение глюонной недиагональной вершины gqiqj как в СМ, так и в модели с синглетным кварком.

Полученные в четвертой главе результаты расчета эффективных вершин могут быть применимы при учете интерференции вкладов СМ и синглетного кварка. Этот учет позволит более детально изучить возможности обнаружения проявлений синглетного кварка при низких энергиях. Фитирование экспериментальных данных в рамках СМ и модели с синглетным кварком может дать ответ на вопрос в каком из вариантов уровень достоверности выше. Кроме того, результаты настоящего исследования можно использовать для обобщения задачи поиска сигналов новой физики. Одним из таких путей обобщения является введение нейтральных вершин с изменением аромата с произвольными параметрами, описывающими широкий класс расширений СМ.

Последующий параметрический анализ экспериментальных данных с выбором критериев правдоподобности позволит оценить уровень достоверности того или иного варианта расширения СМ.

В заключение хочу выразить благодарность Г.М. Верешкову за выбор направления исследований, анализ и обсуждение методики и результатов. Я благодарен В.А. Бейлину за сотрудничество в получении результатов и помощь и в их компьютерной обработке.

5. Заключение

В диссертации анализируется низкоэнергетическая феноменология син-глетных кварков, возникающих в суперсимметричных обобщениях Стандартной Модели, и возможности экспериментальной регистрации анализируемых эффектов.

1. Altarrelli G. Theory of precision electroweak experiments. CERN-TH 5562/89. p.1-18.

2. Treille D. Review of the Standard Model. CERN-PPE/92-107. p. 1-40.

3. Langacker P. and M. Luo. Implications of precision electroweak experiments for mt) po, sin2 Qw, and grand unification. Phys. Rev. D.1991. v.44. N 3. p.817-822.

4. Acton P.D. et all. The OPAL Collaboration. Precision Measurements of the Neutral Current from Hadron and Lepton Production at LEP. CERN-PPE/93-03. p.1-43.

5. Fisher P. and Becher U. Very high precision tests of the electroweak theory. CERN-PPE/94-183. p. 1-7.

6. Schaile D. Precision tests of the electroweak interaction. CERN-PPE/94-162. p.1-23.

7. Barbieri B. Looking beyond the Standard Model: the Supersymmetric Option. Riv. Nuovo Cimento. 1988. v.88. N 11. p.1-45.

8. Rubakov V.A. Beyond the Standard Model. Proc. JINR-CERN Sch. Phys. AONSU near Varna 9-19 Sept.1987. Dubna, 1988. p.139-179.

9. Ellis J.R.Physics beyond quarks and leptons. Proc. R. Soc. Lond. A. 1986. 404. p.273-284 .

10. Altarelli G. Phenomenology in and beyond the Standard Model: from mw to Mpi. CERN-TH/95-3. p. 1-20.

11. Коммингс Ю., Буксбаум Ф. Слабые взаимодействия лептонов и кварков. М. Энергоиздат, 1987, 438 с.

12. Particle Data Group, R.M. Barnett et. all, Review of Particle Properties. Phys. Rev. D.1996. v.54. p.l.

13. Langacker P. and London D. Mixing between ordinary and exotic fermions. Phys. Rev. D.1988. v.38. N 3. p.886-906.

14. Бейлин В.А., Верешков Г.М., Кукса В.И. Редкие распады Б—мезонов в модели с синглетным кварком. Ядерная физика. 1991. т.53. вьш.1. с.237-239.

15. Ma Е. New model of 6—quark interactions: A superstring alternative. Phys. Rev. Lett.1986. v.57. N 5. p.535-538.

16. Rattazzi R. Phenomenological implications of a heavy isosinglet up-type quark. Nucl. Phys.B. 1990. 335. p.301-310.

17. Nardi E., Roulet E. Are exotic stable quarks cosmologicaily allowed? Phys. Lett. B.1990. v.245. N 1. p.105-110.

18. Barger V., Deshpande N.G. et all. Extra fermions in E6 superstring models. Phys. Rev. D.1986. v.33. N 7. p. 1902-1924.

19. Ma E. Lepton number nonconservation in E6 superstring models. Phys. Lett. B.1987. v.191. N 3. p.287-289.

20. Decker R. Constraints on flavor mixing with an exotic down qurks. Z. Phys. C.1987. v.35. p.537-541.

21. Singh S., Nagawat A.K., Sharma N.K. Effects of mixing between ordinary and exotic charged leptons in the process e+e~ —¥ Z°Z°. Phys. Rev. D.1990.v.41. N 5. p.1438-1448.

22. Nardi E., Roulet E. Bounds on ordinary-exotic fermion mixing from LEP-1. Phys. Rev. Lett.B. 1990.v.248. N 1,2. p.139-145.

23. Barger V., Berger M.S., Phillips R.J.N. Quark singlets: Implications and constraints. Phys. Rev. D.1995. v.52. N 3. p.1663-1683.

24. Davidson A., Ranfone S., Wali K.S. Quark masses and mixing angles from universal seesaw mechanism. Phys. Rev. D.1990. v.41. N 1. p.208-218.

25. Eilam G. and Rizzo T.G. Quark and lepton flavor violating ZQ decays in E6. Phys. Lett. B.1987. v. 188. N 1. p.91-94.

26. Roldan J., Botella F.J., Videl F. d{di CP acymmetry in a model with an extra vector-like singlet quark. Phys. Lett. B.1992. v.238. p.389-394.

27. Sanchis M.A. Single c— and 6— quark production in charm and B—meson e+e" factories. Phys. Lett. B.1992. v.280. N 3,4. p.299-303.

28. Maalampi J., Roos M. Flavor mixing in the presence of a fourth down quarks. Phys. Lett. B.1987. v.188. N 4. p.487-492.

29. Mukhopadhyaya В., Raychoudhuri A., Ray-Mukhopadhyaya A. D° D° mixing in superstring-inspired E6 models. Phys. Lett. B.1987. v. 190. N 1,2. p.93-96.

30. Silverman D. Z—mediated В — В mixing and B—meson CP—violating asymmetries in the light of new flavor-changing neutral current bounds. Phys. Rev. D.1992. v.45. N 5. p. 1800-1803.

31. Branco G.C., and Parada P.A., Rebello M.N. D° D° mixing in the presence of isosinglet quarks. Phys. Rev. D.1995. v.52. N 7. p.4217-4222.

32. Greub C., Ioannissian A., Wyler D. Effects of new physics in the rare decays В Kl+Г and В К*1П~. Phys. Lett. B.1995. v.346 p.149-158.

33. Г.М. Верешков, В.И. Кукса. Редкие полулептонные распады В-мезонов в модели с синглетным кварком. Ядерная физика. 1991. т.53. вып.5. с.1352-1356.

34. В.А. Бейлин, Г.М. Верешков, В.И. Кукса. Матрица смешивания в модели с синглетным кварком. Ядерная физика. 1993. т.56. вып.8. с.186-196.

35. Ray-Makhopadhyaya A., Raychaudhuri A. Exotic quarks in superstring models: Implications on CP violation and heavy-meson mixing. Phys. Rev. D.1988. v.37. N 3. p.807-811.

36. Barger V., Phillips R.J.N. Recognizing the next heavy quark at pp colliders. Phys. Rev. D.1990. v.41. N 1. p.52-58.

37. Hewett J.L. Eq exotic quark production in ep collisions. Phys. Lett. B.1987. v.196. N 2. p.223-226.

38. Godfrey S. The production of heavy E6 fermions in ep collisions. Phys. Lett. B.1987. v.195. N 1. p.78-84.

39. Robinet R. W. New production mechanism for exotic quark of superstring-insppired E6 models at ep colliders Phys. Rev. D.1988. v.37. N 5. p. 13211324.

40. Rizzo T.G. New quark- and lepton-production at high-energy e+e-colliders. Phys. Rev. D.1989. v.40. N 5. p.1424-1429.

41. Hewet J.L., Rizzo T.G. Two-body hadronic decays of exotic quarks in E6 theories. Phys. Rev. D.1986. v.34. N 9. p.2790-2793.

42. Hewet J.L., Rizzo T.G. Asymmetries at e+e~ colliders for new quarks in E6 theories. Z. Phys. C. 1987. v.34. N 1. p.49-55.

43. Rizzo T.G. Exotic-quark production at e+e~ colliders. Phys. Rev. D.1989. v.40. N 5. p.754-759.

44. Алиев Т.М.,.Халил-Заде Ф.Т. Распад экзотического D—кварка с излучением глюона в суперсимметричных теориях. Ядерная физика. 1990. т.51. вып.1. с.253-258.

45. Бейлин В.А., Верешков Г.М., Кукса В.И. Недиагональные процессы рождения синглетных и обычных кварков. Ядерная физика. 1995. т.58. вып.5. с. 1-8.

46. Hewett J.L., Rizzo T.G. Fourth-generation and exotic quarkonium in Ee theories. Phys. Rev. D.1987. v.35. N 7. p.2194-2200.

47. Ebali O.J.P., Natale A.A., Simao F.R.A. Superheavy quarkonium decays with two Higgs doublets. Phys. Rev. D.1989. v.39. N 9. p.2668-2679.

48. Barger V., Phillips R.J.N., Whisnant K. Neutral-meson-antimeson mixing for a heavy isosinglet quark constraints. Phys. Rev. Lett. 1986. v.57. N 1. p.48-50.

49. Enqwist К., Maalampi J. Down-quark mixing in supersymmetric models. Phys. Lett. B.1986. v.176. N 3,4. p.396-402.

50. Бейлин В.А., Верешков Г.М., Кукса В.И. Смешивание синглетного кварка со стандартными и свойства новых мезонов. Ядерная физика. 1992. т.55. вып.8. с.2186-2192.

51. Beilin У., Kuksa V., Vereshkov G. On experimental verification of the super-heavy singlet quark effect. In Proc. of the III German-Russian Workshop. Heavy quark physics. Dubna, May 20-22, 1996. p.224-228.

52. Barger V., Phillips R.J.N. Singlet quarks beyond the top at the Tevatron? Phys. Lett. B.1994. v.335. p.510-514.

53. Choong W.-S. and Silverman D. New phases in CP—violating В decays asymmetries from mixing to singlet down quarks. Phys. Rev. D.1994. v.49. N 5. p.2322-2330.

54. Dunietz I. Rephase invariance of KM matrices and CP—violation. Annals of Physics. 1988. v. 184. N 2. p.350-415.

55. Kobayashi M. and Maskawa. Prog. Theor. Phys. Japan. 1973. v.49. p.652.

56. Wolfenstein L. Symmetrical parametrization of the Kobayashi-Maskawa matrix. Phys. Rev. D.1985. v.31. N 9. p.2381-2382.

57. Dattoli G., Sabia E. and Torre A. Exponential and Wolfenstein parametrization of the CKM matrix. Nuovo Cimento. 1996. v. 109. N 10. p. 1425-1437.

58. Jarlskog C. and Stora R. Unitarity polygons and CP violation areas and phases in the Standard Electroweak Model. Phys. Lett. B.1988. v.208. N 2. p.268-274.

59. Chernyak V. Calculation of the D— and B—meson lifetime and the unitarity triangle parameters. Nucl. Phys.B. 1995. v.457. p.96-146.

60. Korner J.G., Nasrallah N. and Schilcher K. Evolution of the flavor-changing vertex b —> s + H using the Breitenlohner-Maison-t'Hooft-Velman 75 scheme. Phys. Rev. D.1990. v.41. N 3. p.888-890.

61. Grzadkowski B., Krawczyk P. Higgs particle effects in flavor changing transitions. Z. Phys. C.-Particles and Fields. 1983. v.18. N 1. p.43-45.

62. Chivukula R.S., Manohar A.V. Limit on a light higgs boson. Phys. Lett. B.1988. v.207. N 1. p.86-90.

63. Willy R.S. and Yu H.L. Decays K* -f 7^l+l' and limits on the mass of the neutral higgs boson. Phys. Rev. D.1982. v.26. N 11. p.3287-3289.

64. Godbole R.M., Turke U. and Wirtel M. B light Higgs and . fourth generation. Phys. Lett. B.1987. v.194. N 2. p.302-306.

65. Xe X.-G., Nguyen T.D., Volkas R.R. B meson rare decays in two-Higgs-doublet models. Phys. Rev. D.1988. v.38. N 3. p.814-819.

66. Eilam G. and Soni A. Searching for the Standard model Higgs particles in B decays. Phys. Lett. B.1988. v.215. N 1. p.171-174.

67. Okada Y., Shimizu Y.> Tanaka M. b —>• sll process and multi-Higgs doublet model. Phys. Lett. B.1997. v.405. p.297-304.

68. Buras A.J., Krawczyk P., Loutenbacher M.E. and Salasar C. B° B° mixing, CP violation, K+ —>■ ix+vv and B —>■ H7 in a two-higgs-doublct model. Nucl. Phys.B 1990. v.337. p.284-312.

69. Hou W.-S. and Willey R.S. Effects of extended Higgs sector on loop induced B decays. MPI-PAAE/PTh 35/88. PITT 88-02. p. 1-27.

70. Hall L.J. and Wise M.B. Flavor changing Higgs boson couplings. Nucl. Phys.B. 1981. v.187. p.397-408.

71. Nguyen T.D. and Joshi G.C. Generation-changing processes in two-Higgs-doublet models. Phys. Rev. D.1988. v.37. N 11. p.3220-3224.

72. Nanopoulos D.V., Savoy-Navarro A. Supersymmetry confronting experiment. Phys. Reports. 1984. v.105. N 1,2. p.1-140.

73. Nanopoulos D.V. Superunification. Riv. Nuovo Cimento. 1985. v.8. N 8. p.1-54.

74. Ellis J. Supersymmetry. CERN. Science Reports. 1986. N 3/2. p.325-355.

75. Hinchliffe I. Supersymmetric models of particle physics and phenomenology. Annu. Rev. Nucl. and Part. Sci. Palo Alto, Calif., 1986. v.36. p.505-543.

76. Pietschmann H. Weak interactions of heavy quarks. Acta Physica Hangarica. 1987. v.62. N 2-4. p.211-217.

77. Shifman M.A., Vainshtein A.I., Zakharov V.I. QCD and resonance physics. Theoretical foundations. Nucl. Phys.B. 1979. v.147. N 4. p.385-477. QCD and resonance physics, applications. Ibid. p.448-534.

78. Алиев T.M., Елецкий В.А., Коган Я.И. Вычисление формфактора перехода D+ —» К°е+ис и элементы матрицы Кобаяши-Маскава. ЯФ. 1984. т.40. вып. 3(9). р.823-830.

79. Овчинников А.А. О вероятности распада В0 —> тг+е~Ре. ЯФ. 1989. т.50. вып. 3. с.831-837.

80. Киселев В.В., Ткабиадзе А.В. Определение аксиальной константы распада Вс—мезона из правил сумм КХД. ЯФ. 1989. т.50. вып. 6(12). с.1714.

81. Волошин М.Б. О Ва распаде. ЯФ. 1989. т.50. вып. 1(7). с.166-170.

82. Volkov М.К. Vector mesons in pion and kaon form factor. ОИЯИ, Дубна, 1996. У2-96-135. с. 1-14.

83. Deshpande N.G. and Trampetic J. Improved estimates for processes b —> sl+l~, В -> Hl+l~ and В Hl+l-. Phys. Rev. Lett. 1988. v.60. N 25. p.2583-2586.

84. Tanimoto M. B° — B° mixing and the standard theory. KEK Report. 1987. N 20. p.6-13.

85. Hagiwara K. BBmixing: A review of theory. KEK Report. 1987. N 187. p.315-342.

86. Altarelli G. B° B° mixing within and beyond the Standard Model. Z. Phys.C. — Particles and Fields. 1988. v.37. p.271-280.

87. Ellis J., Hagelin J.S., Rudar S. and Wu D.-D. Implications of recent measurements of В meson mixing and s'/vek. Nucl. Phys.В 1988. v.304. p.205-235.

88. Grimus W. CP violating phenomena and theoretical results. Fortschr. Phys. 1988. v.36. N 4. p.201-250.

89. Tanimoto M., Suetaka Y., Senba K. Mixing and CP violation of the B° — B° system in the four-generation model. Z. Phys.C. — Particles and Fields. 1988. v.40. p.539-546.

90. L3-Colaboration. Results from the L3 Experiment at LEP. Preprint CERN-PPE/93-31. 1993. p. 1-202.

91. Dittmar M. Searching for . rare exotic decays. CERN-PPE/92-177. 1992. p.1-17.

92. Park G.T. and Kuo Т.К. Flavor-changing Z° decays. Phys. Rev. D.1990. v.42. N 11. p.3879-3880.

93. Webb J.N. B° — B° mixing in a supersymmetric model without t—quark. Z. Phys. C. 1988. v.37. N 3. p.425-430.

94. Бейлин В.А., Верешков Г.М., Кукса В.И. Эффективные вершины для нейтральныхх токов с изменением аромата в Стандартной Модели и ее расширениях. ЯФ. 1988. т.61. N 9. с.1-12.

95. Barroso A. Flavor-changing neutral currents with heavy quarks. Phys. Rev. D.1990. v.42. N 3. p.901-904.

96. Inami T. and Lim C.S. Effects of superheavy quarks and leptons in low-energy weak processes Ki —> /лр,, K+ —> k+vv and K° <r¥ K°. Progr. Theor. Phys. 1981. v.65. N 1. p.297-314.

97. Deshpande N.G. and Eliam G. Flavor-changing electromagnetic transitions. Phys. Rev. D.1982. v.26. N 9. p.2463-2485.

98. Soares J.M. and Barroso A. Renormalization of the flavor-changing neutral currents. Phys. Rev. D.1989. v.39. N 7. p.1973-1985.

99. Коллинз Д. Перенормировка. M., Мир. 1988. 446 с.

100. Abdelhafiz M.I., Zralek М. The 75 and dimentional regulariation. TPJU-3/86. p.1-24.

101. Barroso A., Doncheski M.A., Grotch H., Körner J.G. and Schilcher K. Problems with the Breitenlohner-Maison 75—scheme in flavor changing neutral currents. Phys. Lett. B.1991. v.261. N 1,2. p.123-126.

102. Dirac P.A.M. Spinors in Hilbert Space. Plenum Press. New York. London. 1974.

103. Brauer R., Weyl H., Spinors in n—dimentional space. Arner. Journ. Math. .1935 v.57. p.425.

104. Боголюбов H.H., Ширков Д.В. Введение в теорию квантованных полей. М. Наука. 1973. 416 с.

105. Боголюбов H.H., Ширков Д.В. Квантовые поля. М. Наука. 1980. 320 с.