Топ-кварки на передовой: поиск нарушений симметрий в мире лептонов

Автор: Денис Аветисян

Новые результаты экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере позволяют с высокой точностью исследовать фундаментальные принципы симметрии и искать признаки новой физики за пределами Стандартной модели.

🧐

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

Измерения распадов W-бозона на лептоны демонстрируют соответствие с результатами, полученными коллаборациями ATLAS и LEP, что позволяет оценить соотношение нарушения лептонной универсальности и подтвердить стандартную модель физики элементарных частиц.

Обзор последних измерений универсальности лептонных ароматов и поисков нарушения этой универсальности с использованием топ-кварков в коллаборациях ATLAS и CMS.

Нарушение лептонной универсальности вкуса представляет собой один из наиболее перспективных путей поиска физики за пределами Стандартной модели. В работе, посвященной ‘Probes of lepton flavor symmetry and violation with top quarks in ATLAS and CMS’, представлены результаты прецизионных измерений универсальности лептонных вкусов и поисков нарушения этой симметрии с использованием данных, собранных коллаборациями ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере при энергии 13 ТэВ и интегральной светимости до 139 фб⁻¹. Полученные результаты позволяют установить новые ограничения на параметры различных моделей, предсказывающих отклонения от Стандартной модели. Смогут ли дальнейшие исследования с повышенной светимостью выявить намеки на новые физические явления, скрытые в тонкостях лептонных взаимодействий?

За пределами Стандартной модели: Поиск новой физики

Несмотря на впечатляющие успехи в объяснении фундаментальных сил и частиц, Стандартная модель физики элементарных частиц оставляет без ответа ряд ключевых вопросов. Например, она не объясняет природу тёмной материи и тёмной энергии, составляющих подавляющую часть Вселенной, и не включает гравитацию, четвёртое фундаментальное взаимодействие. Более того, Стандартная модель не даёт объяснения массе нейтрино и существованию дисбаланса между материей и антиматерией во Вселенной. Эти нерешённые загадки служат мощным стимулом для поиска «новой физики», то есть теорий и явлений, выходящих за рамки существующей модели, и побуждают учёных к проведению экспериментов, направленных на обнаружение новых частиц и взаимодействий, способных заполнить пробелы в нашем понимании фундаментальных законов природы.

Поиск явлений, запрещенных в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц, представляет собой один из наиболее перспективных путей к открытию новой физики. Одним из таких явлений является нарушение лептонной универсальности, в частности, нарушение сохранения лептонного вкуса с зарядом (cLFV). Данные процессы, такие как распад мюона в электрон и фотон, или тау-лептона в электрон и позитрон, в Стандартной модели абсолютно невозможны. Наблюдение даже единичного события, свидетельствующего о cLFV, стало бы неопровержимым доказательством существования новых частиц или взаимодействий, выходящих за рамки существующей теории. Эксперименты, такие как Mu3e и Belle II, специально разработаны для поиска этих крайне редких распадов, что позволяет надеяться на прорыв в понимании фундаментальных законов природы.

Наблюдение редких распадов, запрещенных в рамках Стандартной модели, стало бы убедительным доказательством существования новых частиц или взаимодействий. Такие процессы, как нарушение лептонной ароматической инвариантности, представляют собой отклонения от предсказаний существующей теории и могут указывать на влияние еще не открытых частиц, взаимодействующих с лептонами. Подобные открытия не просто расширили бы наше понимание фундаментальных сил природы, но и потребовали бы пересмотра существующих теоретических моделей, открывая путь к новой физике за пределами Стандартной модели. Интенсивные эксперименты, направленные на поиск этих редчайших распадов, являются ключевым направлением современных исследований в области физики высоких энергий, поскольку они обещают пролить свет на загадки, оставшиеся неразрешенными существующей теорией.

Анализ пределов ветвящихся отношений распада <span class="katex-eq" data-katex-display="false">BR(Z\rightarrow e\tau)</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">BR(Z\rightarrow \mu\tau)</span> демонстрирует ограничения на параметры, влияющие на нарушение лептонной универсальности (данные из [6]). — Анализ пределов ветвящихся отношений распада $BR(Z\rightarrow e\tau)$ и $BR(Z\rightarrow \mu\tau)$ демонстрирует ограничения на параметры, влияющие на нарушение лептонной универсальности (данные из [6]).

Проверка универсальности лептонных ароматов измерениями распадов

Универсальность лептонных ароматов (УЛА) является фундаментальным принципом Стандартной модели, предсказывающим идентичное взаимодействие всех лептонов — электронов, мюонов и тау-лептонов — с калибровочными бозонами, такими как W и Z бозоны. Это означает, что константы связи (coupling constants) для каждого лептона с этими бозонами должны быть равны. Формально, это выражается равенством констант связи $g_e = g_\mu = g_\tau$ , где $g$ представляет собой константу связи между лептоном и калибровочным бозоном. Нарушение УЛА является сильным индикатором новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели.

Точные измерения отношений, таких как $R(\tau/\mu)$ и $R(\tau/e)$ , сравнивающие скорости распада тау-, мюон- и электрон-лептонов, являются строгой проверкой принципа универсальности лептонных ароматов. Эти отношения рассчитываются как отношение ветвящихся функций распада, включающих тау-лептон, к аналогичным процессам с мюонами или электронами. Отклонение от значения, предсказанного Стандартной моделью (обычно равного 1), указывает на нарушение универсальности лептонных ароматов и может свидетельствовать о новой физике, выходящей за рамки существующей модели.

Для проведения точных измерений, проверяющих универсальность лептонных вкусов, используются распады W и Z бозонов, возникающие, в частности, при распаде топ-кварков. Необходимая статистическая точность достигается за счет анализа больших объемов данных, собранных детекторами ATLAS (139 fb⁻¹) и CMS (35.9 fb⁻¹) в 2016 году. Большая интегрированная светимость позволяет с высокой степенью достоверности измерять скорости различных распадов и сравнивать их, что критически важно для выявления потенциальных отклонений от предсказаний Стандартной модели.

Анализ инвариантной массы демонстрирует сигнал распада <span class="katex-eq" data-katex-display="false">Z \rightarrow e\mu</span> при вероятности ветвления <span class="katex-eq" data-katex-display="false">10^{-5}</span>, что позволяет оценить соответствующую вероятность ветвления для распада <span class="katex-eq" data-katex-display="false">Z \rightarrow e\mu</span> (по данным из [6]). — Анализ инвариантной массы демонстрирует сигнал распада $Z \rightarrow e\mu$ при вероятности ветвления $10^{-5}$ , что позволяет оценить соответствующую вероятность ветвления для распада $Z \rightarrow e\mu$ (по данным из [6]).

Прецизионные измерения: калибровка и методы анализа

Для проведения прецизионных измерений коллаборации ATLAS и CMS использовали набор данных Run2, включающий столкновения протонов на Большом адронном коллайдере. Этот набор данных позволил провести детальный анализ событий и извлечь высокоточные значения физических параметров. Применяемые методики включают в себя сложные алгоритмы реконструкции треков, идентификации частиц и калибровки детекторов, направленные на минимизацию систематических неопределённостей и обеспечение высокой статистической точности результатов. Обработка данных Run2 требует значительных вычислительных ресурсов и применения передовых методов анализа данных, включая машинное обучение и статистическое моделирование.

Методы калибровки, основанные на данных (Data-Driven Calibration), играют ключевую роль в минимизации систематических неопределённостей при проведении прецизионных измерений на Большом адронном коллайдере. В отличие от методов, использующих результаты моделирования, Data-Driven методы позволяют оценить и скорректировать погрешности, возникающие из-за несовершенства детекторов и алгоритмов реконструкции событий, непосредственно на основе наблюдаемых данных. Это достигается путем анализа статистических распределений контрольных выборок, которые позволяют оценить влияние систематических эффектов на измеряемые параметры. Применение Data-Driven методов является необходимым условием для достижения высокой точности и надёжности результатов, особенно при поиске редких процессов и проверке Стандартной модели физики элементарных частиц.

Коллаборация CMS установила наиболее строгие на сегодняшний день ограничения на величину ветвящегося отношения $BR(Z \rightarrow e\mu)$ на Большом адронном коллайдере, равное 1.9 × 10⁻⁷, что превосходит предыдущий предел, установленный коллаборацией ATLAS, — 2.6 × 10⁻⁷. Кроме того, были снижены пределы на ветвящиеся отношения $BR(Z \rightarrow e\tau)$ и $BR(Z \rightarrow \mu\tau)$ до 13.8 × 10⁻⁶ и 12.0 × 10⁻⁶ соответственно, что также ниже предыдущих пределов, зафиксированных ATLAS, — 7.0 × 10⁻⁶ и 7.2 × 10⁻⁶.

Калибровка поперечного смещения электронов позволяет скорректировать их распределение, как показано на графиках до (а) и после (б) процедуры, что подтверждается данными из [3].

Будущее исследований ароматов лептонов

Текущая кампания по сбору данных Run3 на Большом адронном коллайдере обещает беспрецедентное увеличение светимости, что радикально повысит чувствительность поисков новых физических явлений. Увеличение светимости означает, что детектор зарегистрирует значительно больше столкновений частиц, что позволит с большей точностью исследовать редкие процессы и отклонения от предсказаний Стандартной модели. Это особенно важно для поисков нарушений лептонной универсальности, где даже малейшие отклонения могут свидетельствовать о существовании новых фундаментальных частиц или взаимодействий. Благодаря Run3 ученые смогут глубже проникнуть в структуру материи и приблизиться к пониманию темной стороны Вселенной, открывая новые горизонты в физике элементарных частиц.

Продолжающийся анализ распадов бозонов W и Z представляет собой ключевой путь для проверки универсальности лептонного аромата — фундаментального принципа Стандартной модели физики частиц. Эти распады, происходящие с участием лептонов различных поколений (электронов, мюонов и тау-лептонов), позволяют с высокой точностью сравнивать вероятности их образования. Более детальное исследование этих процессов, особенно с использованием данных, накапливаемых в ходе текущей кампании Run3, позволит выявить даже малейшие отклонения от предсказаний Стандартной модели. Обнаружение таких отклонений не только подтвердит необходимость поиска новой физики, но и предоставит ценные сведения о природе фундаментальных взаимодействий и, возможно, о существовании неизвестных частиц и сил, выходящих за рамки существующего понимания.

Отклонения от предсказаний Стандартной модели, если таковые будут обнаружены в ходе поиска новых лептонов, могут открыть совершенно новые горизонты в понимании фундаментальных законов природы. Такие аномалии укажут на существование физики за пределами известных рамок, возможно, раскрывая природу тёмной материи или объясняя дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной. Изучение этих отклонений позволит построить более полную и точную картину мира, расширив наше знание о взаимодействиях элементарных частиц и, как следствие, об эволюции Вселенной с момента Большого взрыва. Подобные открытия способны переписать учебники физики и вдохновить новые поколения ученых на поиск ответов на самые сложные вопросы о природе реальности.

Исследования, представленные в данной работе, демонстрируют стремление к предельной точности в проверке фундаментальных симметрий, таких как универсальность лептонов. Это требует не только совершенствования экспериментальных методик, но и глубокого осмысления потенциальных последствий отклонений от предсказаний Стандартной Модели. Как писал Фрэнсис Бэкон: «Знание — сила». В контексте физики высоких энергий, это особенно актуально, ведь каждое новое знание о природе требует ответственного подхода к интерпретации и применению полученных результатов. Поиск нарушений универсальности лептонов и заряженного нарушения вкуса лептонов, проводимый коллаборациями ATLAS и CMS, является ярким примером того, как тщательные измерения могут пролить свет на новые физические явления и углубить наше понимание Вселенной.

Куда же дальше?

Представленные измерения универсальности лептонных ароматов и поиски нарушения этой универсальности, выполненные коллаборациями ATLAS и CMS, демонстрируют впечатляющую точность. Однако, стоит признать, что отсутствие отклонений от Стандартной Модели — это не триумф, а скорее напоминание о необходимости более глубокого понимания фундаментальных принципов. Прогресс без этики — это ускорение без направления, и в данном случае, стремление к повышению точности должно сопровождаться осмыслением того, что мы ищем и зачем. Каждый алгоритм кодирует мировоззрение, и даже самые строгие ограничения на новые физические явления не отменяют необходимости теоретических моделей, способных объяснить природу наблюдаемых параметров.

Будущие эксперименты, требующие большей статистической мощности и, возможно, совершенно новых подходов к анализу данных, несомненно, расширят границы наших знаний. Особый интерес представляет поиск cLFV в различных распадах топ-кварков и других тяжелых частиц. Однако, истинный прорыв может потребовать переосмысления самой концепции универсальности, а также учета возможных эффектов, выходящих за рамки традиционных моделей расширения Стандартной Модели. Ценности закладываются в код, даже когда мы их не видим, и в данном случае, код — это наши теоретические предположения.

Важно помнить, что отрицательный результат также является результатом, и он должен побуждать к критическому анализу используемых методов и моделей. Поиск новых явлений — это не только стремление к открытию, но и постоянный процесс самокоррекции и переосмысления фундаментальных принципов. И в этом смысле, представленная работа — лишь очередной шаг на долгом пути познания.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.03678.pdf

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

Смотрите также:

2026-01-08 12:23