Прецизионная проверка Стандартной Моделиэлектрослабых взаимодействий и поискэффектов "новой" физики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

91 - 179

На правах рукописи

Лиходед Андрей Анатольевич

Прецизионная проверка Стандартной Модели электрослабых взаимодействий и поиск эффектов "новой" физики

01.04.02 — теоретическая физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фипико-матемагитеских наук

Долгопрудный 1991

Работа выполнена на кафедре теоретической физики МФТИ и в Институте физики высоких энергий (г. Протвино Московской обл.).

Научный руководитель-член-корреспондент АН СССР профессор С. С. Герштейн.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В. А. Кузьмин, доктор физико-математических наук Г. П. Пронько.

Ведущее предприятие — Санкт-Петербургский институт ядерной физики (г. Гатчина).

Защита диссертации состоится » 2$ » ер&ЬрьА^ 1992 г.

в № 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 " & " З-И&О^Х_1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета МФТИ С. М. Коршунов

© Московский физико-технический институт, 1991

а

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день базовой 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 остается нерешенным ряд вопросов, таких, как "натуральность" СМ, проблема большого числа свободных параметров, проблема иерархии поколений п 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.

Основная трудность при поиске выходов за рамки СМ заключается в том, что результаты проводимых прецизионных экспериментов (в частности, экспериментов на холлайдерах 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 палых отклонений от предсказаний СМ. Следовательно, для обнаружения этих эффектов наряду с прецизионными экспериментальными данными необходимо вычисление предсказаний СМ с высокой степенью точности - с учетом радиационных поправок высших порядков.

Одним из возможных сценариев физики вне стандартной SU(2) ® С/(1)-калибровочной теории, обсуждаемым в представленной диссертационной работе, являются модели с композитной структу-

рой электрослабых взаимодействий, обуславливающие возникновение дополнительных векторных бозонов. Представляет интерес поиск и изучение возможных феноменологических проявлений моделей данного класса, связанных, например, с 7 — и — ¿^'-интерференционными эффектами, наблюдение которых возможно в экспериментах на существующих е+е~-коллайдерах.

Другим рассматриваемым направлением поиска сигналов "новой" физики является исследование процессов с трехбозонными \VW~f- и \VWZ- взаимодействиями, структура которых в рамках СМ строго определяется 811(2)1 ® и(1 ^-калибровочной инвариантностью. В силу того, что данные.процессы крайне чувствительны к возможным отклонениям от СМ, прецизионное изучение реакций с трехбозонными взаимодействиями предоставляет интересную возможность проверки предсказаний СМ для взаимодействий калибровочных бозонов и поиска эффектов физики вне СМ.

Стоит также отметить, что планируемый перевод коллайдера ЬЕР, эксперименты на котором на сегодняшний день являются основным источником прецизионных результатов, в режим работы с повышенной светимостью НЬЕР предоставляет уникальную возможность проверки СМ на уровне радиационных поправок высших порядков и поиска эффектов "новой" физики.

Цель диссертационной работы:

1) уточнение вклада КЭД радиационных поправок в реакции е+е~-аннигиляции в фермион-антифермионную пару вблизи полюса Z0-резонанса, необходимое для прецизионной проверки СМ;

2) поиск проявления эффектов дополнительных нейтральных векторных бозонов, возникающих в моделях с- композитной структурой электр о слабых взаимодействий;

3) анализ возможности получения дополнительной информации о параметрах трехбозонного взаимодействия в области энергий ниже порога парного рождения IV-бозонов, соответствующей диапазону энергий коллайдера ЬЕР.

Научные результаты и новизна работы

1. В рамках СМ электрослабых взаимодействий проводится анализ формы кривой ¿^-резонанса с учетом вкладов слабых, КХД и КЭД радиационных поправок. Получены аналитические выражения, аппрок-

симирующие сечения рождения фермион-аятифермпопных пар в е+ е~-аннигиляции при энергиях вблизи резонансного полюса Z0.

2. Для двух основных типов КЭД-поправок, а именно: а) радиационных эффектов, обусловленных излучением мягких фотонов в начальном состоянии реакции, и б) поправок на излучение фотонов в конечном состоянии реакции, показана возможность модификации полученных ранее результатов, описывающих эффекты фотонных поправок для случая векторных частиц, для их использования прн изучении резонансной кривой б озона в реакциях е+е~ —► ff.

3. Для радиационных КЭД-поправок иа излучение, фотонов в начальном состоянии представлены аналитические результаты интегральной свертки выражения для сечения процесса е+е~ Z° —> ff, учитывающего вклады слабых и КХД-поправок, с функционалом КЭД-поправок, обеспечивающего вблизи полюса ^"-резонанса точность не хуже 0.2%.

4. При анализе парциальных ширин распада 2Г°-резонанса в фермп-оны показано, что в случае наложения ограничений на энергии и угол аколинеарпости конечных фермнопов, диктуемых реальнымп условиями эксперимента, учет вклада от излучения фотонов в конечпом состоянии и поправки к вершинной функции приводят к значительным отрицательным поправкам (порядка нескольких процентов) к парциальным ширинам фермионных каналов по отношению к соответствующим величинам, вычисленным в СМ в борновском приближении.

5. Для экспериментальных обрезаний по энергиям и углу аколинеарпости фермионов в конечном состоянии, характерных для экспериментальных установок LEP, приведены величины поправок к парциальным ширинам распада £°-бозона для e+e~-, и т+т~- каналов.

6. Рассмотрен альтернативный СМ сценарий, основанный на моделях с композитной структурой электрослабых взаимодействий и приводящий к расширению сектора калибровочных бозонов. При исследовании феноменологических проявлений дополнительных изоскаляр-ных векторных У(У£)-бозонов, возникающих в моделях данного класса, для процесса е+е~ —► // в области энергий коллайдеров TRISTAN и LEP показано, что включение дополнительного У-бозона приводит к заметному уменьшению величины R для мюонного канала при энергиях коллайдера TRISTAN, что может являться естественным объяснением экспериментально наблюдаемого на TRISTAN отклонения Rц от предсказаний СМ.

7. Для диапазона энергий коллайдера TRISTAN в случае Y- и Yl-моделей получены оценки эффектов дополнительных бозонов в величинах Jtß = а(е+е~ P*h~)/(7qed и Д/ = (а(е+е~ //) - <tsm)/vsm {aSM - сечение процесса в СМ) для мюонного и адронного каналов.

8. Показано, что включение дополнительного F-бозона с параметрами, допускающими описание экспериментальных данных TRISTAN, приводит к измеримым эффектам в адронном и мюонном (лептонном) сечениях в диапазоне энергий коллайдера LEP.

9. В результате анализа положения и величин соответствующих Z0 — Y(Yi) интерференционных максимумов в сечениях процессов е+е~ —> (адроны) предложена простая стратегия поиска "прямого" сигнала от дополнительных нейтральных изоскалярных векторных бозонов в области энергий коллайдера LEP. Для случаев реализации Y-или У^-модели указаны оптимальные для поиска подобласти в диапазоне энергий LEP.

10. С точки зрения проверки предсказаний СМ электрослабых взаимодействий для калибровочной структуры трехбозонного взаимодействия рассмотрена возможность детектирования сигнала от процессов с WW¿^-взаимодействием в экспериментах на коллайдере LEP. Показано, что в случае перевода LEP в стадию HLEP с повышенной светимостью изучение процессов е+е~ W*W —+ {qiqj)W с последующей адронизацией кварк-антлхварковой пары в мезон, представляющих интерес с точки зрения простой сигнатуры конечного состояния, позволит получить дополнительную информацию о величине констант

А г-, параметризующих вершину трехбозонного взаимодействия.

11. Для 7г±-, р±-) Af-, Z)f- и D*^- мезонов, соответствующих диагональным элементам матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскава и дающих основной вклад в сечения процессов е+е~ —+ W*W —> (мезон)^, получены оценки количества событий от реакций данного типа для LEP I и HLEP стадий коллайдера LEP.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы в процессе обработки прецизионных экспериментальных данных с коллайдеров LEP(HLEP) и SLC при поиске возможных сигналов "новой" физики.

Апробация работы. Результаты диссертации опубликованы в работах [1-8] и докладывались на международном совещании по фено-

менологсга Стандартной Модели в Триесте (1991), I Всесоюзном рабочем совещании ВЛЭПП в Протвино (1991), XX Бакурианской зимней школе по физике элементарных частиц (1991), семинарах Отдела теоретической физики ИФВЭ п семинарах группы DELPHI.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав основного текста и заключения. Список литературы содержит 108 наименований. Объем диссертации 84 страницы.

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 проводится анализ формы кривой Я°-резонанса с учетом вкладов слабых, КХД и КЭД радиационных поправок, что является необходимым для последующего изучения возможных эффектов "новой" физики на уровне малых отклонений от предсказаний СМ.

Получены аппроксимирующие аналитические выражения [1] для сечения рождения фермион-антпфермионной пары в е+е~-аннпгиляции е+е~~ ->//(/- фермпон (/!, т, кварк)) для области энергий вблизи полюса 2°-резонанса, учитывающие радиационные поправки различных типов.

Для двух основных тппов КЭД-поправок, а именно: 1) радиационных эффектов, обусловленных излучением мягких фотонов в начальном состоянии реакции, которые составляют основную часть КЭД-поправок и приводят к уменьшению высоты и смещению положения резонансного пика, 2) поправок на излучение фотонов в хонечном состоянии реакции, эффект которых сводится к изменению парциальных ширин распада Л°-бозона в фермион-антнфермионную пару, обсуждается возможность модификации полученных ранее результатов, описывающих эффекты фотонных поправок для случая векторных частиц, и их использования для изучения резонансной кривой ¿^-бозона [1].

Для радиационных КЭД-поправок на излучение фотонов в начальном состоянии представлены аналитические результаты [1] пнтеграль-

ной свертки выражения для сечения процесса е+е~ —* -у, Z0 —► //, учитывающего вклады слабых и КХД-поправок, с функционалом КЭД-поправок, обеспечивающего вблизи полюса 2°-резонанса точность не хуже 0.2%.

При анализе [1,2] парциальных ширин распада ^"-резонанса в фермионы рассматривается влияние наложенных на энергии и угол аколпнеарности конечных фермионов ограничений Ej, Ej > i?m„ , де < ДЭщах и | cos @j < с < 1 (0 — угол рассеяния), диктуемых реальными экспериментальными условиями. Для кинематических обрезаний по энергии и углу аколинеарности фермионов, характерных для экспериментальных установок LEP, вычисляются величины КЭД-поправок 8f [2] к парциальным ширинам распада ¿Г°-бозона:

TfJy{Emia, Д©та£, с) = |(1 + б/)Г/7 / (1 + cos2 0) dcos0

|cos0|<c

для е+е~-, ¡i+¡-С- и т+т~- каналов по отношению к соответствующим величинам, вычисленным в СМ в борцовском приближении.

Вторая глава посвящена рассмотрению альтернативного СМ сценария, основанного на моделях с композитной структурой электрослабых взаимодействий и приводящего к расширению сектора калибровочных бозонов.

При исследовании феноменологических проявлений дополнительных изоскалярных векторных Y{Y£)-бозонов, возникающих в моделях данного класса, для процесса е+е_ —> // в области энергий ко л лайд еров TRISTAN и LEP показано, что включение дополнительного У-бозона приводит (оа счет деструктивного вклада -у — У-интерференции) к заметному уменьшению величины R для мюонного канала при энергиях коллайдера TRISTAN [3], что может являться естественным объяснением наблюдаемого в экспериментах AMY, TOPAZ и VENUS (TRISTAN) отклонения Rß — а(с+е~ —> [l+p~)/oqed от предсказаний СМ. На рнс.1 приведены -./«-зависимости величины RM в случае присутствия дополнительного изоскалярного векторного У-бозона [3], а также экспериментальные данные, полученные на е+е~-коллайдерах PEP, PETRA и TRISTAN.

1.2

1.1

1.0

0.9

0.8

R^ (У-модель)

~l I I г

о -РЕР

о - PETRA

• - TRISTAN

Г

-М-

I . . .1. )_| I |

30

40 50

V^ (ГэВ)

60

Рис.1. Rß в случае Y-модели для опачений массы нового бозона Му = 850 (пунктирная линия), 1000 ГэВ (штриховая) и величины параметра 7 — У-смешивапия \у = 0.09. Сплошная линия — Стандартной Модели.

Отмечается, что включение дополнительного F-бозона с параметрами, допускающими описание экспериментальных данных TRISTAN, приводит к измеримым эффектам [4] в адронном и мюонном (лептон-ном) сечениях в диапазоне энергий коллайдера LEP. Данные отклонения в поведении сечений процессов е+е~ —> ff от. предсказаний СМ при энергиях вблизи полюса ^"-резонанса обусловлены конструктивным (при л/1 < Mz) и деструктивным (при y/s > Mz) вкладами — У-интерференции, имеющей максимальные значения при энергиях yfi~Mz±Tz/2.

В качестве иллюстрации на рис.2 приведена -^-зависимость отклонения сечепия процесса е+е~~ —* fi+fi~ от предсказаний СМ в терминах величины где

_ ст(е+е~ -> 7, Z, Y - <?sm

А« — 1 ,

OSM

а 0sm ~ сечение процесса в СМ.

Ац (F-модель)

чД(ГэВ) '

Рис.2. Ди в случае Y—бооона для Му =850 (сплошная линия), 1000 (штриховая) и 1300 ГэВ (пунктирная) при Ау = 0.09 с учетом ведущих однопетяевых слабых и 0(а2) КЭД радиационных поправок.

В результате анализа [5] положения и величин соответствующих Z0 — Y(Y£) интерференционных максимумов в сечениях процессов е+е~ —+ —* fi+fi~ (адроны) предложена простая стратегия поиска "прямого" сигнала от дополнительных нейтральных изоскалярных векторных бозонов в области энергий LEP. Для случаев реализации У- или У^-модели указаны [5] оптимальные для поиска подобласти в диапазоне энергий LEP.

В третьей главе с точки зрения проверки предсказаний СМ электрослабых взаимодействий для калибровочной структуры трехбозон-ного взаимодействия рассмотрена возможность детектирования сигнала от процессов с Ж W ¿^-взаимодействием [7] в экспериментах на кол-лай дере LEP. Показано, что в случае перевода LEP в стадию HLEP с повышенной светимостью изучение процессов е+е~ —► W*W —* (qiqj)W с последующей адрошгоацией кварк-антикварковой пары в мезон, представляющих интерес с точки зрения простой сигнатуры конечного состояния, позволит получить дополнительную информацию о величине констант kz п Аz, параметризующих вершину трехбозонного взаи-

модействпя. Для мезонов, соответствующих диагональным элементам матрицы Кабиббо-Кобаянш-Маскава и дающим основной вклад в сечения процессов е+е~ —+ IV*IV —> (мезон)И^, получены [7,8] оценки количества событий от реакций данного типа для ЪЕР I и НЪЕР стадий коллайдера ЪЕР. Оцениваются возможные ограничения на парг метры трехбозонного взаимодействия, которые могут быть получены из комбинированного анализа данных по изучению процессов е+е~ —» I*иХ п е+е~ —+ ]¥*\У —► (мезон) И^ при энергиях коллайдера ЪЕР I в случае его работы в варианте НЬЕР.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лнходед А.А. и Ющенко О.П. Форма кривой Z0 -резонанса. // ЯФ. 1991. Т.54. Вып.1(7). С.148; Preprint IHEP 90-156. - Protvino, 1990.

2. Likhoded A.A. and Yushchenko О.Р. QED corrected partial widths of Z°-resonance with kinematical cuts. Preprint IHEP 90-159. - Protvino, 1990 (to be published in Sov. Journ. Nucl. Phys.).

3. Likhoded A.A., Pankov A.A. and Yushchenko O.P. Possible effects of additional vector bosons in e+e~ —» ff at the TRISTAN energies. Preprint IHEP 91-116. - Protvino, 1991 (to be published in Inter. Journ. Mod. Phys. A).

4. Gershtein S.S., Likhoded A.A., Pankov A.A. and Yushchenko O.P. Direct manifestation of the additional isoscalar bosons in the process e+e~ -* f~f at LEP . Preprint IHEP 91-117. - Protvino,"1991 (to be published in Phys. Lett. B).

5. Gershtein S.S., Likhoded A.A., Pankov A.A. and Yushchenko O.P. Effects of Additional Isoscalar Vector Bosons in e+e~ —♦ ff processes at the TRISTAN and LEP Energies. Preprint IHEP 91-137. - Protvino, 1991.

6. Лиходед A.A. Физика на встречных e+e~ -пучках в диапазоне энергий ВЛЭПП. // Труды I Всесоюзного рабочего совещания ВЛЭПП

"Физика на встречных электрон-пооитронных пучках". - Протвино, 4-6 июня, 1991.

7. Likhoded А.А. Z° decays due to the three-boson interaction. // Phys. Lett. B257(1991), 207; Preprint IHEP 90-92. - Protvino, 1990.

8. Лиходед А.А. Мезонные конечные состояния в реакциях с трехбо-зопным взаимодействием. Ц ЯФ. 1991. Т.54. Вып.2(8). С.564.

Рукопись поступила 12 декабря 1991 года.