За гранью Стандартной модели: новые поиски в эксперименте ATLAS

Автор: Денис Аветисян

В статье обобщены последние результаты эксперимента ATLAS, направленные на поиск частиц, выходящих за рамки современной физики элементарных частиц.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

Пределы на поперечное сечение процесса распада <span class="katex-eq" data-katex-display="false">T/Y \rightarrow Wb</span> в адронном канале зависят от массы гипотетической частицы VLQ, что позволяет установить ограничения на её существование, согласно результатам анализа, представленного в [undefh]. — Пределы на поперечное сечение процесса распада $T/Y \rightarrow Wb$ в адронном канале зависят от массы гипотетической частицы VLQ, что позволяет установить ограничения на её существование, согласно результатам анализа, представленного в [undefh].

Представлены обновленные ограничения на массу и параметры связей векторных кварков, лептокварок и векторных лептонов, полученные в ходе анализа данных, собранных в период работы LHC Run 2.

Несмотря на впечатляющие успехи, Стандартная модель физики элементарных частиц не способна объяснить все наблюдаемые явления. В работе, озаглавленной ‘Searches for VLQs and LQs from the ATLAS Experiment’, представлены новые результаты поиска за пределами Стандартной модели, а именно — векторных кварков, лептокварок и векторных лептонов, полученные детектором ATLAS на Большом адронном коллайдере. Полученные данные позволяют установить обновленные ограничения на массу и параметры взаимодействия этих гипотетических частиц. Какие новые физические явления могут быть открыты при дальнейшем исследовании этих за пределами Стандартной модели состояний?

За гранью Стандартной Модели: Поиски Новой Реальности

Несмотря на впечатляющие успехи в объяснении фундаментальных сил и частиц, Стандартная модель физики элементарных частиц оставляет без ответа ряд ключевых вопросов. Наблюдаемые массы нейтрино, существование темной материи и энергии, а также асимметрия между материей и антиматерией во Вселенной — всё это указывает на необходимость физики, выходящей за рамки существующих представлений. Например, Стандартная модель не объясняет гравитацию, оставляя её за пределами описываемых взаимодействий. Эти несоответствия побуждают ученых искать новые частицы и взаимодействия, которые могли бы заполнить пробелы в нашем понимании Вселенной и предложить более полную картину фундаментальной реальности. Таким образом, поиски «новой физики» являются одним из центральных направлений современных исследований в области физики высоких энергий.

Несмотря на впечатляющие успехи, Стандартная модель физики элементарных частиц оставляет без ответа ряд фундаментальных вопросов, что побуждает ученых к поиску новых частиц. Особое внимание уделяется векторным кваркам, лептонам и лептоквакам — гипотетическим элементарным частицам, которые могли бы объяснить аномалии, несовместимые с существующей теорией. Эти частицы, если они существуют, способны взаимодействовать с известными частицами, предоставляя возможность их обнаружения в экспериментах на Большом адронном коллайдере. Поиск этих новых частиц представляет собой ключевое направление в современной физике, способное расширить наше понимание фундаментальных законов Вселенной и разрешить существующие противоречия в Стандартной модели.

Эксперимент ATLAS, расположенный на Большом адронном коллайдере (LHC), обладает уникальными возможностями для исследования физики за пределами Стандартной модели. Благодаря столкновениям протонов на чрезвычайно высоких энергиях, ATLAS способен создавать и детектировать новые, тяжелые частицы, такие как векторные кварки, лептоны и лептокварки, которые могут объяснить несоответствия, наблюдаемые в текущих экспериментах. Высокая точность детекторов ATLAS позволяет исследователям реконструировать траектории и энергии этих частиц, а также идентифицировать их распады. Используя огромные объемы данных, полученные в результате этих столкновений, ученые надеются обнаружить косвенные признаки существования новых частиц, что откроет путь к более полному пониманию фундаментальных законов природы и расширит границы современной физики.

Пределы нижней массы скалярного лептоквака, распадающегося на мюон и b-кварк, определены в работе [undefm].

Целенаправленные Поиски: Стратегии и Методы

Поиск векторных кварков осуществляется по различным каналам, включая одиночное и парное производство. Анализ конечных состояний проводится как с одним лептоном, так и с полностью адронными сигнатурами. Одиночное производство подразумевает создание векторного кварка и его последующий распад, в то время как парное производство включает создание пары векторных кварков. Различные каналы позволяют охватить широкий спектр возможных распадов векторных кварков и максимизировать чувствительность к их поиску, учитывая, что конкретный канал поиска зависит от предполагаемых свойств и масс искомых частиц.

Эксперимент ATLAS использует данные, собранные в период работы LHC Run 2 (2015-2018 гг.), и продолжает сбор данных в рамках Run 3 (с 2022 г.) с целью максимизации потенциала для открытия новых частиц и явлений за пределами Стандартной модели. Объем собранных данных Run 2 составляет около 140 fb^-1, что позволило значительно улучшить точность измерений известных параметров и установить новые ограничения на параметры новых физических моделей. Продолжение экспериментов в рамках Run 3, с ожидаемым накоплением порядка 300 fb^-1, позволит существенно увеличить чувствительность поисковых стратегий и расширить область исследуемых энергий и параметров, что критически важно для поиска новых частиц, таких как векторные кварки и суперсимметричные частицы.

Для повышения эффективности выделения сигналов в сложных конечных состояниях, таких как моно-топ, на эксперименте ATLAS активно используются передовые методы машинного обучения, в частности, классификатор XGBoost. XGBoost, являясь алгоритмом градиентного бустинга, позволяет эффективно обрабатывать многомерные данные и выявлять слабые сигналы на фоне значительного уровня шума. Этот подход особенно важен при анализе моно-топ событий, характеризующихся сложной топологией и высокой фоновой нагрузкой, что позволяет улучшить статистическую значимость результатов поиска новых физических явлений.

Эксперименты ATLAS позволили расширить границы исключения массы векторных кварков до 1.8 ТэВ в каналах одиночного производства. Данный предел был достигнут при значениях κ_T = 0.5 и вероятности распада $BR(T \rightarrow Zt)$ равной 25%. Увеличение предела исключения массы свидетельствует о повышении чувствительности к данным сигналам и позволяет исключить существование векторных кварков с меньшей массой в рамках исследованного параметра κ_T и вероятности распада.

Процесс рождения пар виртуальных тяжелых лептонов (EE и NN) приводит к их распаду на векторные кварки <span class="katex-eq" data-katex-display="false">LQSU_1</span>, которые, в свою очередь, распадаются на лептоны и кварки третьего поколения. — Процесс рождения пар виртуальных тяжелых лептонов (EE и NN) приводит к их распаду на векторные кварки $LQSU_1$ , которые, в свою очередь, распадаются на лептоны и кварки третьего поколения.

Теоретические Основы и Модельные Ограничения

Теоретические модели, такие как модель 4321, предсказывают специфические характеристики и каналы распада векторных лептонов. В рамках данной модели, предполагается существование новых лептонов с массой, выходящей за рамки Стандартной модели, и определенными квантовыми числами. Прогнозы включают в себя вероятности распада этих лептонов на различные частицы, включая кварки, лептоны и бозоны, определяемые структурой взаимодействия в модели. Например, предсказываются специфические сечения рождения и распада, зависящие от параметров модели, что позволяет формулировать конкретные сценарии для поиска этих частиц в экспериментах на Большом адронном коллайдере. Важно, что различные варианты модели 4321 приводят к разным предсказаниям относительно масс и каналов распада, что влияет на стратегии поиска и интерпретацию результатов.

Симметрия SU(2) играет ключевую роль в понимании взаимодействий векторных кварков и ограничении возможных механизмов их рождения. В Стандартной модели, кварки и лептоны взаимодействуют посредством электрослабых взаимодействий, описываемых группой SU(2)_L × U(1)_Y. Векторные кварки, не являясь частью стандартной модели, также участвуют в электрослабых взаимодействиях, и их куплования к W и Z бозонам определяются их спином и зарядом, что диктуется симметрией SU(2). Это приводит к специфическим сигнатурам при их рождении в адронных коллайдерах, таким как распад на кварк и W/Z бозон, или производство в паре. Знание правил, определяемых симметрией SU(2), необходимо для построения эффективных стратегий поиска и интерпретации экспериментальных данных, поскольку позволяет предсказать сечения рождения и кинематические свойства новых частиц.

Помимо простых расширений Стандартной модели, такие сложные сценарии, как модели Композитного Хиггса и Малого Хиггса, также мотивируют поиск новых частиц и их влияние на механизм Хиггса. В моделях Композитного Хиггса, бозон Хиггса рассматривается как составная частица, а не элементарная, что требует наличия новых векторных бозонов и фермионов, взаимодействующих с бозоном Хиггса и потенциально изменяющих его свойства. Модели Малого Хиггса вводят новые частицы для защиты массы бозона Хиггса от больших квантовых поправок, что также приводит к предсказаниям о существовании новых частиц, которые могут быть обнаружены в экспериментах. Поиск этих частиц позволяет проверить предсказания этих теорий и получить более глубокое понимание природы механизма Хиггса и структуры вакуума.

Поиски лептокварок направлены на проверку универсальности лептонного вкуса (Lepton Flavor Universality, LFU), принципа Стандартной Модели, согласно которому взаимодействия с лептонами пропорциональны их массам. Нарушение LFU, проявляющееся в различных скоростях распада, включающих лептоны, будет являться явным признаком новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели. Эксперименты, такие как ATLAS, измеряют относительные скорости распада, содержащих различные поколения лептонов, для поиска отклонений от предсказаний Стандартной модели. Обнаружение такого нарушения подтвердит существование новых частиц или взаимодействий, опосредующих эти отклонения, и предоставит информацию об их свойствах.

По результатам анализа данных, полученных детектором ATLAS, установлены ограничения на массы лептокварок. Эксперимент исключает существование лептокварок с массами до 3.4 ТэВ при $y_{de} = 1.0$ , до 4.3 ТэВ при $y_{s\mu} = 3.5$ и до 2.8 ТэВ при $y_{b\mu} = 3.5$ . Эти ограничения основаны на анализе различных каналов распада и поисков новых частиц, взаимодействующих с кварками и лептонами.

В рамках модели 4321, эксперимент ATLAS установил ограничения на массу векторных лептонов в диапазоне от 200 до 910 ГэВ. Эти ограничения получены на основе анализа данных, собранных детектором ATLAS на Большом адронном коллайдере. Пределы исключения зависят от конкретных параметров модели и исследуемых каналов распада. Результаты анализа свидетельствуют об отсутствии свидетельств существования векторных лептонов в исследованном диапазоне масс, что позволяет исключить определенные области параметров модели 4321.

Иллюстрации показывают однорезонансное производство лепто-кварка (LQ) и его последующий распад на лептон и кварк, где λ представляет собой константу связи Юкавы LQ с лептонами и кварками.

Перспективы Будущих Исследований: Расширяя Горизонты

Продолжающийся сбор данных в рамках Run 3 на эксперименте ATLAS значительно повысит чувствительность проводимых поисков новой физики. Увеличение накопленного объема данных позволит исследователям более эффективно выделять редкие сигналы, скрытые в фоновом шуме, и с большей точностью проводить измерения, необходимые для проверки существующих теоретических моделей. Ожидается, что данные Run 3 позволят существенно расширить область поиска за пределами Стандартной модели, открывая новые возможности для обнаружения неизвестных частиц или установления более жестких ограничений на параметры, описывающие гипотетические взаимодействия и свойства этих частиц. Это позволит приблизиться к пониманию фундаментальных законов природы и ответить на вопросы, остающиеся нерешенными в современной физике элементарных частиц.

Дальнейшее развитие передовых аналитических методов и алгоритмов машинного обучения представляется критически важным для выявления слабых сигналов на фоне статистического шума. Современные детекторы, такие как ATLAS, генерируют огромные объемы данных, требующие сложных подходов к их обработке. Использование алгоритмов машинного обучения позволяет не только автоматизировать поиск отклонений от стандартной модели, но и существенно повысить чувствительность экспериментов к новым физическим явлениям, которые могут проявляться в виде едва заметных изменений в данных. Особенно перспективным является применение методов глубокого обучения для идентификации сложных паттернов и корреляций, скрытых в многомерном пространстве параметров, что позволит извлекать информацию, недоступную при использовании традиционных статистических методов анализа. Эффективное сочетание прецизионных измерений и интеллектуальных алгоритмов является ключевым фактором для расширения границ нашего понимания Вселенной.

Для эффективного поиска новой физики необходим комплексный подход, сочетающий в себе высокоточные измерения и целенаправленные поиски. Высокоточные измерения параметров известных частиц и процессов позволяют проверить предсказания Стандартной модели с беспрецедентной точностью, выявляя отклонения, которые могут указывать на присутствие новой физики. В то же время, целенаправленные поиски новых частиц, основанные на теоретических предсказаниях, позволяют исследовать конкретные сценарии за пределами Стандартной модели. Комбинируя эти два подхода, ученые могут не только обнаружить новые частицы, но и существенно ограничить пространство параметров различных теорий, выходящих за рамки существующего понимания фундаментальных законов природы. Такой симбиоз позволяет максимально эффективно использовать данные, полученные на Большом адронном коллайдере, и продвинуться в понимании структуры Вселенной.

Поиск новой физики на Большом адронном коллайдере (LHC) непрерывно расширяет горизонты нашего понимания Вселенной. Эксперименты, такие как ATLAS, исследуют за пределы Стандартной модели, стремясь обнаружить новые частицы и взаимодействия, которые могли бы объяснить темную материю, темную энергию и другие загадки космоса. Каждый новый запуск коллайдера и совершенствование методов анализа данных позволяют углубляться в недоизученные области, проверяя предсказания различных теоретических моделей и приближая науку к фундаментальным открытиям о природе реальности.

Полученные на установке ATLAS результаты существенно ограничивают силу взаимодействия векторных топ-кварков с другими частицами. Анализ данных показал, что эта сила не может превышать 0.52 для кварков с массой от 1150 до 2300 ГэВ. Аналогичные ограничения были установлены и для векторных Y-кварков — их взаимодействие не может быть сильнее 0.46 в диапазоне масс от 1150 до 2600 ГэВ. Эти ограничения, полученные в ходе высокоточных измерений, позволяют сузить область поиска новых частиц и проверить предсказания различных теоретических моделей, выходящих за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц.

Исследования, представленные в данной работе, демонстрируют, как границы нашего понимания физики элементарных частиц постоянно испытываются на прочность. Поиск векторных кварков, лептокварок и векторных лептонов — это не просто стремление обнаружить новые частицы, но и проверка фундаментальных принципов Стандартной модели. Установленные ограничения на массу и связи этих гипотетических частиц подчеркивают сложность и неуловимость новых явлений за пределами известного нам мира. Как однажды заметила Ханна Арендт: «В политике, как и в физике, любое предсказание — лишь вероятность, и она может быть уничтожена силой гравитации». Аналогично, в поисках за пределами Стандартной модели, даже самые точные теоретические предсказания могут оказаться несостоятельными перед лицом экспериментальных данных, а горизонт событий наших знаний постоянно расширяется.

Что дальше?

Представленные результаты поиска векторных кварков, лептокварок и векторных лептонов экспериментом ATLAS, подобно горизонту событий, подчеркивают границы применимости существующих физических законов. Когнитивное смирение исследователя пропорционально сложности нелинейных уравнений Эйнштейна, и чем глубже проникновение в область высоких энергий, тем яснее осознание пробелов в теоретическом фундаменте. Обновленные ограничения на массу и связи этих гипотетических частиц — не триумф, а констатация того, что новые явления, если и существуют, ускользают от прямого обнаружения, требуя пересмотра базовых принципов.

Дальнейшие исследования, несомненно, потребуют увеличения статистической выборки, что связано с необходимостью увеличения светимости Большого адронного коллайдера. Однако, более фундаментальным представляется поиск альтернативных подходов к анализу данных, отказ от предвзятых теоретических установок и готовность к обнаружению явлений, принципиально не вписывающихся в рамки Стандартной модели. Черные дыры демонстрируют границы применимости физических законов и нашей интуиции, и аналогичная ситуация может наблюдаться в поисках новой физики.

Иными словами, необходимо не просто искать подтверждение существующих теорий, но и создавать новые, способные объяснить аномалии и предсказать явления, которые пока остаются за горизонтом нашего понимания. Успех в этом направлении зависит не столько от мощности ускорителей, сколько от способности исследователей к радикальному переосмыслению фундаментальных принципов.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.22425.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-02 09:58