Поиск эффектов новой физики на коллайдерах с поляризованными пучками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

МОС|£<р|ЖИд дФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

94-25 На правах рукописи

Шевлягин Михаил Васильевич

ПОИСК ЭФФЕКТОВ "НОВОЙ" ФИЗИКИ НА КОЛЛАЙДЕРАХ С ПОЛЯРИЗОВАННЫМИ

ПУЧКАМИ

01.04.02 — теоретическая физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Долгопрудный 1994

М-24

Работа выполнена в аа кафедре теоретической физики МФТИ и в Институте физики высоки* энергий (г. Протвино).

Научный руководитель - профессор А.К. Лиходед.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук М.И. Высоцкий, кандидат физико-математических наук Г.В. Джикия.

Ведущая организация - Научно исследовательский институт ядерной физики МГУ (г. Москва).

Зашита диссертации состоится " 2-_" _с^еша^ р 3\_ 1994 г.

в Ю — часов на заседании специализированного совета К 063.91.02 при Московском физико-техническом институте (141700, г. Долгопрудный Московской обл.).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан "_Л__" _ои-Тд^р-з_1994 г.

Ученый секретарь

специализированного совета К 063.91.02 С.М. Коршунов

© Институт физики высоких энергий, 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день основной теорией для описания электрослабых взаимодействий в физике элементарных частиц является Стандартная Модель (СМ). Хотя предсказания СМ прекрасно согласуются с экспериментом, в ее рамках до сих пор остаются нерешенными ряд вопросов, таких, как "натуральность" СМ, проблема большого числа свободных параметров, проблема иерархии поколений и др. В связи с этим существуют вполне естественные теоретические основания предполагать, что СМ электрослабых взаимодействий является эффективной моделью, воспроизводящей в низкоэнергетическом пределе поведение некой глобальной теории с более высокой симметрией.

Одним из возможных сценариев физики вне стандартной 5(7(2) ® [/(1)-калпбровочной теории, обсуждаемым в представленной диссертационной работе, являются модели, предсказывающие существование дополнительных тяжелых векторных бозонов Представляет интерес поиск и изучение возможных феноменологических проявлений моделей данного класса, связанных, например, с 7 — и Z0 — -интерференционными эффектами, наблюдение которых возможно в экспериментах на существующих и проектируемых е+е~-коллайдерах.

Важной задачей экспериментов на коллайдерах высокой энергии и светимости является также измерение констант трехбозонных И/И'*7-и И^И'^-взанмодейстпий. В рамках СМ вершины \VWi- и 1УНевзаимодействий строго определяются 5(7(2)® (7(1)-калибровочной инвариантностью, так что прецизионные измерения данных вершин предполагают уникальный тест калибровочной структуры электрослабой теории.

Однако основная трудность при поиске выходов за рамки СМ заключается в том, что' результаты проводимых прецпзпонпых экспериментов (в

частности, экспериментов на коллайдерах LEP и SLC) на сегодняшний день, несмотря на достигнутую высокую точность, не дали указаний на присутствие сигналов "новой" физики вне СМ. Поэтому вполне естественно ожидать, что эффекты "новой" физики могут проявиться только в качестве малых отклонений от предсказаний СМ. Следовательно, особенно важной является задача увеличения чувствительности экспериментальных наблюдаемых к возможным проявлениям "новой" физики, выходящей за рамки СМ.

На многих существующих и проектируемых коллайдерах предполагается использование поляризованных пучков. В этой связи актуальным является исследование тех дополнительных возможностей, которые может предоставить использование поляризованных пучков для целей тестирования структуры СМ, а также поиска расширенных моделей вне рамок СМ.

Цель диссертационной работы.

1. Обнаружение сигналов "новой" физики, связанных с сушествовани--ем дополнительных нейтральных векторных бозонов, возникающих в моделях с композитной структурой элёктрослабых взаимодействий, а также исследования возможностей, предоставляемых поляризованными пучками.

2. Постановка ограничений на массы новых нейтральных векторных бозонов на е+е_ - коллайдерах с поляризованными пучками.

3. Получение дополнительной информации о величинах электрослабых формфакторов, параметризующих вершину трехбозонного WWZ (И^И^-взаимодействия, при изучении процесса е+е~ —+ W+W~ на коллайдерах с поляризованными пучками.

4. Исследование возможных механизмов деполяризации пучков.

Научные результаты и новизна работы.

1. При исследовании феноменологических проявлений дополнительных изоскалярных векторных К(У"^)-бозонов, возникающих в моделях с композитной структурой электрослабых взаимодействий, для процессов е+е~ —* /7 и е+е~ —* W+W~ в области энергий коллайдеров TRISTAN и LEP 1(11) показано, что включение дополнительного У-бозона приводит к заметному уменьшению величины R для мюонного канала на энергиях коллайдера TRISTAN, что может являться возможным объяснением экспериментально наблюдаемого отклонения в Rß от предсказаний СМ. В

случае У^-модели эффект дополнительного бозона в R и А для мюонного" и адронного каналов при энергиях TRISTAN не превышает 1.% в области допустимых значений параметров, что исключает возможное количественное объяснение экспериментальных отклонений данных TRISTAN от предсказаний СМ в рамках У^-модели.

2. Включение дополнительного У(У/,)-бозона приводит на энергиях LEP II к значительному уменьшению (примерно десятков процентов) сечений для мюонного и адронного каналов по отношению к соответствующим сечениям СМ. Для параметров У-модели, допускающих как качественное, так и количественное описание данных TRISTAN, эффект отклонения для мюонного (адронного) канала составляет 22 -г 45 (9 — 21)% в зависимости от энергии. В то время как рост энергии приводит к увеличению эффекта, увеличение массы дополнительного У-бозона и/или величины параметра смешивания приводит к его уменьшению.

3. Для процесса е+е_ —> W+W~ эффект отклонения сечений от предсказаний СМ для У(Уг,)-модели пренебрежимо мал и не превышает величины 0.2 (0.06)% во всем возможном интервале энергий колл&йдера LEP IJ (160 < -Js < 200 ГэВ). Хотя введение обрезания по углу рассеяния | cos в\ < 0.7, приводящего к подавлению вклада i-канальной диаграммы СМ, и обеспечивает относительное усиление отклонения в ~ 2-2,5 раза, по всей видимости, эффект находится за пределом экспериментальной чувствительности LEP И.

4. Показано, что реализация на коллайдере LEP II поляризованных е+е_-пучков позволит значительно повысить чувствительность наблюдаемых к указанным выше эффектам дополнительного У(Уд)-бозона. Для параметров модели, обеспечивающих описание данных TRISTAN, включение поляризации приводит к усилению чувствительности лептонного сечения (е+е~ —* в ~ 2-2,1 раза, сечения процесса е+с~ —» адроны в ~ 3 раза, мюонной асимметрии рассеяния вперед-назад — в 2,5-2,7 раза.

5. В случае необнаружения эффекта поляризационные исследования на LEP II позволят поставить весьма жесткие ограничения снизу на массу и параметр смешивания У-бозона — от 1300 ГэВ до 5300 ГэВ для интервала Ау от 0,03 до 0,3. Данные пределы значительно превосходят ограничения, достижимые на LEP II с неполяризованными пучками.

6. При рассмотрении возможностей е+е~-коллайдера нового поколения (y/s = 500 ГэВ) по поиску эффектов новых тяжелых нейтральных векторных бозонов, связанных с возможной реализацией различных моделей вне СМ, показано, что реализация е+е~-коллайдера с возможностью выбора

степеней поляризации начальных пучков позволит значительно увеличить чувствительность коллайдера к виртуальным эффектам Z'-бозона. Для исследованного набора моделей с дополнительным бозоном эффект усиления составляет в среднем величину ~ 1,5 -т- 2,5 раза в зависимости от типа модели. Для оптимальных значений поляризаций начальных пучков достижимые ограничения на массу нового бозона позволяют утверждать, что 500-ГэВ коллайдер с поляризованными пучками может быть эквивалентен, в смысле постановки массовых ограничений, коллайдеру с неполяризовакными пучками, в котором либо энергия пучков в 2-3 раза больше, либо в ~5 раз больше светимость.

7. В результате анализа возможностей 500(1000)-ГэВ е+е""-коллайдера с интегральной светимостью 50(100)fb-1 по постановке ограничений ка величины аномальных параметров трехбозонных WW'-f (WWZ) вершин в реакции е+е~ W+W~ получено, что использование поляризованных пучков позволит значительно улучшить чувствительность экспериментальных данных к исследуемым параметрам. Для достижения максимально жестких ограничений необходимо проведение комбинированного анализа при различных степенях продольной поляризации начальных пучков s| = s? = 0,8(-0,8).

8. Показано, что для е+е""-коллайдера с поляризованными пучками y/s = 500 ГэВ и светимостью 50 /Ь-1 возможно достижение следующих ограничений на аномальные параметры трехбозонных взаимодействий: 0.998 < ку < 1.02 и -0.025 < Ат < 0.03, 0.994 < к2 < 1.003 и -0.015 < Az < 0.015. Для е+е~-коллайдера с поляризованными пучками s/s = 1000 ГэВ и светимостью 100 /Ь-1 ограничения составят: 0.9995 < ку < 1.005, -0.0Об < Ат < 0.0065 и 0.999 < к2 < 1.001, -0.0035 < А2 < 0.0035,

9. Рассмотрено столкновение поляризованных е+е~-пучков коллайдера ВЛЭПП при энергиях и светимостях, характерных для следующего поколения линейных коллайдеров. Показано, что при движении в полях встречных сгустков спины электронов и позитронов, первоначально поляризованные в определенном направлении, испытывают поворот, т.е. происходит деполяризация пучков. Получены аналитические формулы, позволяющие вычислить вклад деполяризационных эффектов в экспериментально наблюдаемое количество событий изучаемого процесса. На примере отношения числа адронных и лептонных событий продемонстрирована величина этих эффектов, которая оказалась сравнимой с ожидаемыми статистическими и систематическими ошибками эксперимента. Указано на важность учета данного эффекта при проектировании е+е~ -коллайдеров следующего поколения.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы в процессе обработки прецизионных данных с современных (TRISTAN, LEP I, SLC) и будущих (LEP И, VLEPP, CLIC, JLC) е+е~-коллайдеров при поиске возможных сигналов "новой" физики в экспериментах с поляризованными пучками.

Апробация работы. Результаты диссертации опубликованы в работах [1-8] и докладывались на II рабочем совещании "Физика на ВЛЭПП" (Протвино, 1992), на VII международном совещании "Workshop on High Energy Physics and Quntum Field Theory" (Сочи, 1992), на международных совещаниях "Workshop on High Energy Physics and Quntum Field Theory and VLEPP Physics" (Звенигород, 1993), "SPIN-93" (Протвино, 1993), а также на семинарах Отдела теоретической физики ИФВЭ, ИЯФ СО РАН и семинарах группы DELPHI. Работа прошла предварительную апробацию на семинаре Отдела теоретической физики ИФВЭ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста и заключения. Список литературы содержит 84 наименования. Объем диссертации 118 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации. Дается краткий обзор последних экспериментальных результатов по прецизионной проверке СМ и определяется круг задач, решаемых в диссертации.

В первой главе рассмотрен альтернативный СМ сценарий, основанный на моделях с композитной структурой электрослабых взаимодействий и приводящий к расширению сектора калибровочных бозонов.

При исследовании феноменологических проявлений дополнительных изоскалярных векторных F(F¿)-6030H0b, возникающих в моделях данного класса, для процесса е+е~ —» fj в области энергий коллайдеров TRISTAN и LEP рассмотрено включение дополнительного У-бозона; которое приводит (за счет деструктивного вклада у — К-интерференшш) к заметному уменьшению величины R для мюонного канала при энер-

гиях коллайдера TRISTAN, что может являться естественным объяснением наблюдаемого в экспериментах TRISTAN возможного отклонения

= а(е+е~ —> fi+ß~)/ffQED от предсказаний СМ [1]. Проводится анализ процессов е+е~ —» // и е+е~ —> W+W~ при энергиях LEP II и VLEPP. Для параметров У-модели, допускающих описание данных TRISTAN, отклонения от предсказаний СМ в лептонных и адронных сечениях при энергиях LEP II становятся значительными. Между тем анализ вклада индуцированной 7 — Y 'и Z — Y смешиванием WWY вершины в процесс е+е~ —* W+W~ свидетельствует о том, что вклад данной вершины при энергиях LEP II мал [1, 2].

Получены аналитические формулы для сечений процессов с учетом начальной поляризации пучков. Результирующие отклонения анализируются в терминах чисел стандартных отклонений. Показывается, что для энергий LEP II статистическая значимость возможных отклонений от предсказаний СМ может быть существенно увеличена [3].

Вторая глава посвящена исследованию тех возможностей, которые могут предоставить поляризрванные е+е~-пучки при поиске тяжелых векторных бозонов на будущих коллайдерах.

Получены явные аналитические формулы для сечения процесса е+е~ —* ff с учетом поляризации начальных частиц [4]. Дается краткий обзор основных классов моделей, предсказывающих существование дополнительных нейтральных векторных бозонов, Eq- и LH-модели, а также приведены современные ограничения на параметры этих моделей [5]. Рассматриваются способы увеличения чувствительности экспериментальных наблюдаемых к эффектам "новой" физики, обусловленной существованием Я'-бозонов. Показывается, что нижняя граница на массу Z'-бозона в зависимости от полной энергии пучков Е, интегральной светимости L п состояния продольной поляризации пучков (s®, spz) определяется следующим образом [4]:

Mz^f^sDg-^sDE^L^,

где функции g{se2,sp1) и f(sez, sp2) определяют поведение сечения е+е~ —> // и вклад "новой" физики соответственно. Уменьшая сечение процесса (а тем самым и ошибку измерения) и увеличивая вклад "новой" физики путем подбора соответствующей поляризации начальных пучков, можно добиться значительного увеличения достижимой границы на массы Z1-бозонов.

В качестве иллюстрации для ряда моделей, предсказывающих существование ^'-бозонов (Е^-, ЬК- и У{У[)~ моде лей), в таблице приведены ограничения снизу на массу ¿¿'-бозона, которые могут быть получены с использованием оптимально поляризованных е+е~-пучков. Для сравнения в скобках указаны достижимые ограничения с неполяризовапными пучками.

Таблица..Ограничения на Мг- (в ТэВ), полученные из а,ег'< аш, Л'Др.

Ф V Ш V Уь

а"" 3.5(2.6) 1.15(1.05) 2.15(1.95) 2.0(1.4) 15.5(11.5) 6.5(4.1)

сго™1 1.7(1.6) 0.62(0.60) 1.75(1.35) 3.7(1.5) 12.5(7.0) 2.0(1.7)

д'Ы' 1.75(0.9) 1.75(1.50) 1.35(1.15) 2.7(2.1) 8.5(5.5) 5.8(4.3)

В третьей главе, с точки зрения проверки предсказаний СМ электрослабых взаимодействий для калибровочной структуры 5^7(2)^ ® (7(1), исследуется возможность постановки ограничений на аномальные параметры трехбозонных взаимодействий 7 (\V\VZ) в процессе е+е~ —► на будущих е+е~~коллайдерах с поляризованными пучками.

В диссертации обобщены существующие и перспективные ограничения на аномальные параметры трехбозонного взаимодействия. Получены явные аналитические формулы для процесса е+е~ —» \У+\У~ с поляризованными начальными пучками с учетом наличия аномальных трехбозонных вершин [б, 7]. Отмечается, что изменение поляризации пучков приводит к существенному изменению вкладов аномальных вершин, а также ошибок измерения. В этой связи особенно полезной оказывается правая поляризация электронов и левая 5^=1 позитронов, поскольку в этом случае вклад "фоновой" диаграммы с нейтринным обменом подавляется.

Рис.1. Ограничения на к,, Л7.

Рис.2. Ограничения на kz, Xz-

В качестве иллюстрации на рис. 1 и 2 для будущего е+е~-коллайдера с y/s = 500 ГэВ и / Ldt — 50 fb-1 приведены ограничения (95% C.L.) на аномальные параметры fc7,Ä7 и kz, \z, полученные из анализа процесса е+е~ —> W+W~, для случаев различной продольной поляризации i" электрона и позитрона: s' — = 0.0 (штриховой эллипс), s® = — —0.8 (большой сплошной эллипс), s® — s? =0.8 (малый сплошной эллипс).

В диссертации также отмечается, что для достижения максимально жестких ограничений на параметры трехбозонного взаимодействия необходимо проведение комбинированного анализа при различных степенях продольной поляризации начальных пучков s'z = s? = 0.8(—0.8).

В четвертой главе исследованы возможные проблемы, которые могут возникать при работе будущих коллайдеров в режиме столкновений поляризованных е+е~-пучков. Обсуждаются параметры коллайдеров, проектируемых в настоящее время. Показывается, что при энергиях и светимостях, типичных для следующего поколения линейных е+е~-коллайдеров, оказываются значительными эффекты взаимодействия спинов электрона и позитрона с интенсивными полями встречных пучков [8]. При движении в полях встречных сгустков спины электронов и позитронов, первоначально поляризованные в определенном направлении, прецес-сируют, т.е. происходит деполяризация пучков.

Исследуется характерная картина изменения компонент вектора спина со временем при движении в иоле встречного пучка. Показывается, что вектор спина вращается в плоскости пучка (для плоских пучков) [8]. Рассматривается зависимость сечений взаимодействия от состояния поляризации частиц. Поскольку поляризация частиц пучка изменяется в процессе столкновения пучков, необходимо явно учитывать обусловленное этим изменение сечение взаимодействия частиц.

Получены аналитические формулы, позволяющие вычислить вклад де-поляризационных эффектов в экспериментально наблюдаемое количество событий изучаемого процесса [8]. На примере отношения числа адронных и лептонных событий R = —► адроны)/п(е+е~ —» /х+р~) демонстри-

руется величина этих эффектов, которая оказалась сравнимой с ожидаемыми статистическими г систематическими ошибками эксперимента.

В заключении перечислены основные результаты, полученные и л "; сертации.

Список литературы

[1] Shevlyagin M.V. et al. Isoscalar bosons at LEP II // Int. J. Mod. Phys. 1993. V.A8 (25). P. 4547; Preprint IHEP 92-53, Protvino, 1992.

[2] Shevlyagin M.V. et al. Isoscalar Vector Bosons at LEP II and VLEPP. // In: Proceedings of the "Workshop "Physics at VLEPP". 1992. V.l. P.58.

[3] Shevlyagin M.V. et al. Search for new neutral vector bosons at LEP II with polarized beams: Preprint IHEP 92-56. Protvino, 1992.

[4] Шевлягин M.B. Поиск новых нейтральных векторных бозонов на е+е~ коллайдерах с поляризованными пучками. В кн.: Труды II рабочего совещания "Физика на .ВЛЭПП". — Протвино, 1992. т.1, с. 117; Int. J. Mod. Phys. 1993. V.A8. (28). P. 5063.

[5] Шевлягин M.B. Анализ интерференционных эффектов новых нейтральных векторных бозонов в процессах е+е~-аннигиляции. В кн.: Труды И рабочего совещания "Физика на ВЛЭПП.'; - Протвино, 1992. т.1, с.142.

[6] Shevlyagin M.V. et al. Probing three-boson anomalous couplings in e+e~ —> W+W~ at future linear e+e~ colliders with polarized beams: Preprint IC/93/288 (1993), UTS-DFT-93-22 (1993).

[7] Shevlyagin M.V. et al. Probing three-boson anomalous couplings in e+e~ —» W+W~ at next e+e~-collider with polarized beams: Preprint IHEP 93-139. — Протвино, 1993.

[8] Шевлягин M.B., Лиходед А.А., Кушниренко E.A. Деполяризацион-ные эффекты при столкновении поляризованных е+е~ пучков: Препринт ЙФВЭ 93-131. — Протвино, 1993. 4

Рукопись поступила 2 марта 1994 г.