В поисках новой физики: измерения дибозонного производства в ATLAS

Автор: Денис Аветисян

Новые результаты эксперимента ATLAS позволяют с высокой точностью проверить предсказания Стандартной модели и установить ограничения на эффекты, выходящие за её рамки.

🧐

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

Диаграммы процессов рождения дибозонов в Стандартной модели и соответствие лагранжиана эффективной теории поля со степенями операторов высокой размерности демонстрируют связь между Стандартной моделью и отклонениями, индуцированными трилинейными связями калибровочных бозонов.

Прецизионные измерения дибозонного производства и проверка эффективной теории поля в эксперименте ATLAS.

Несмотря на успехи Стандартной модели, остаются вопросы, требующие дальнейшего изучения электрослабых взаимодействий. В работе ‘Measurement of diboson production and precision EFT constraints in ATLAS’ представлены новейшие результаты эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере по измерению процессов рождения дибозонов и поиску отклонений от предсказаний Стандартной модели. Полученные данные, включающие измерения $W^{+}W^{-} \to \ell^{+}ν\ell^{-}\barν$ , $W^{\pm}Z \to 3\ell1ν$ и $Z(\to \ell^{+}\ell^{-})γ$ , позволяют установить новые ограничения на параметры эффективной теории поля и проверить инвариантность CP в секторе векторных бозонов. Каким образом дальнейший анализ этих данных поможет приблизиться к пониманию физики за пределами Стандартной модели?

Фундаментальные закономерности электрослабых взаимодействий

Стандартная модель, в основе которой лежит Лагранжиан, представляет собой фундаментальную теоретическую структуру, описывающую все известные взаимодействия элементарных частиц. Этот математический каркас, определяющий поведение сил и частиц, требует постоянной и тщательной проверки на соответствие экспериментальным данным. Несмотря на свою успешность в предсказании множества явлений, Лагранжиан содержит свободные параметры и допускает различные интерпретации, что делает необходимым проведение высокоточных измерений. Изучение взаимодействий электрослабых бозонов, таких как $W$ и $Z$ бозоны, позволяет проверить предсказания Стандартной модели с беспрецедентной точностью и выявить возможные отклонения, указывающие на существование новой физики за пределами текущего понимания. Точность этих измерений критически важна, поскольку даже незначительные расхождения могут стать ключом к открытию принципиально новых явлений и расширению границ научного знания.

Высокоточные измерения взаимодействий электрослабых бозонов, проводимые в рамках исследований, таких как физика электрослабых бозонов Стандартной модели, представляют собой важнейшую проверку теоретической основы современной физики элементарных частиц. Анализ характеристик рождения и распада этих частиц, включая $W$ и $Z$ бозоны, позволяет с высокой степенью точности сравнивать экспериментальные данные с предсказаниями Стандартной модели. Любое отклонение от теоретических значений может указывать на существование новой физики, выходящей за рамки текущего понимания, и открывать путь к обнаружению ранее неизвестных частиц или взаимодействий. Такие измерения требуют достижения беспрецедентной точности в детекторах и алгоритмах анализа данных, что делает эту область исследований одним из самых сложных и интересных направлений в современной физике.

Изучение процессов рождения и распада электрослабых бозонов имеет первостепенное значение для поиска физики за пределами Стандартной модели. Эти бозоны — переносчики электрослабого взаимодействия — выступают в роли своеобразных «посланников», несущих информацию о фундаментальных силах природы. Анализ их свойств и взаимодействия позволяет выявлять отклонения от предсказаний Стандартной модели, указывающие на существование новых частиц и явлений. Например, точность измерения параметров распада $Z$ -бозона позволяет ограничить возможные массы новых частиц, взаимодействующих с ним. Подобные исследования, проводимые на коллайдерах, таких как Большой адронный коллайдер, открывают путь к пониманию темной материи, темной энергии и других загадок современной физики, находящихся за пределами известных нам границ.

Сводные данные последних измерений SM (слева) и измерений дибозонов (справа) демонстрируют соответствие теоретическим предсказаниям[3].

Дибозонные процессы: окно в новую физику

Электрослабые процессы с образованием дибозонов (ZZ, WW, WZ распады) представляют собой обширную область для изучения Стандартной модели. Распады $Z \rightarrow l^{+}l^{-}$ и $W \rightarrow l\nu$ (где l — лептон, а ν — нейтрино) позволяют исследовать свойства бозонов и их взаимодействия с фундаментальными фермионами. Различные каналы распадов дибозонов обладают разной чувствительностью к параметрам Стандартной модели, таким как массы бозонов, константы связи и смешивания кварков. Изучение сечений и кинематических характеристик этих распадов позволяет проверять предсказания Стандартной модели и искать отклонения, которые могут указывать на новую физику.

Для точного предсказания процессов, связанных с дибозонами, на Большом адронном коллайдере (БАК) необходимы детальные симуляции, использующие современные методы. В частности, Powheg MiNNLO обеспечивает точные вычисления матричных элементов высших порядков в квантовой хромодинамике, а NLO EWK (Next-to-Leading Order Electroweak) учитывает электрослабые поправки. Для моделирования адронизации и распадов частиц используется генератор событий Pythia8. Комбинация этих инструментов позволяет воспроизводить экспериментальные данные с высокой точностью и проводить поиск отклонений от предсказаний Стандартной модели, что важно для обнаружения новой физики.

Рассеяние векторных бозонов является ключевым процессом для изучения самодействий электрослабых бозонов. В отличие от процессов, включающих фермионы, рассеяние векторных бозонов непосредственно раскрывает структуру и силу взаимодействий между W и Z бозонами, а также фотонами. Измерение сечений и угловых распределений в процессах типа $WW \rightarrow WW$ , $ZZ \rightarrow ZZ$ , и $WZ \rightarrow WZ$ позволяет проверять предсказания Стандартной Модели и искать отклонения, которые могут указывать на новую физику, такую как наличие новых скалярных частиц или модификации самодействий векторных бозонов. Точное моделирование этих процессов требует учета радиационных поправок и высших порядков теории возмущений, что делает их важным тестом для точности расчетов в КХД и электрослабой теории.

Измеренные поперечное сечение и фидуциальное сечение процесса <span class="katex-eq" data-katex-display="false">pp \to WW</span> в канале распада на мюоны и электроны соответствуют теоретическим предсказаниям [4]. — Измеренные поперечное сечение и фидуциальное сечение процесса $pp \to WW$ в канале распада на мюоны и электроны соответствуют теоретическим предсказаниям [4].

Поиск аномалий и за пределами Стандартной модели

Отклонения от предсказаний Стандартной модели в процессах типа Z(ℓℓ)γ могут указывать на наличие аномального тройного взаимодействия калибровочных бозонов (Anomalous Triple Gauge Coupling, aTGC). Эти отклонения проявляются в изменении сечений и угловых распределений в данных процессах по сравнению с теоретическими расчетами в рамках Стандартной модели. Наблюдение aTGC является потенциальным признаком новой физики, выходящей за рамки текущего понимания фундаментальных взаимодействий. Измерение aTGC проводится путем анализа распадов Z-бозонов на пары лептонов и фотонов, с последующим сравнением экспериментальных данных с теоретическими предсказаниями, что позволяет установить ограничения на величину отклонений от Стандартной модели.

Ограничения на аномальные тройные калибровочные связи (nTGC Limits), полученные из экспериментальных данных, играют ключевую роль в уточнении теоретических моделей физики элементарных частиц. Эти ограничения, выражаемые как верхние границы на величину отклонений от предсказаний Стандартной модели, позволяют сузить пространство параметров, в котором могут проявляться эффекты новой физики. Ограничения nTGC, полученные на коллайдерах, таких как LHC, используются для проверки предсказаний различных расширений Стандартной модели, включая модели с дополнительными измерениями и суперсимметрию, и направляют будущие экспериментальные исследования в поисках отклонений от Стандартной модели. Чем точнее ограничения, тем более строгими становятся требования к новым теоретическим моделям, и тем более целенаправленными могут быть эксперименты по их проверке.

Стандартная модель Эффективной Теории Поля (SMЭТП) предоставляет систематический подход к параметризации возможных эффектов новой физики, выходящей за рамки Стандартной Модели. Этот подход основан на введении операторов более высокой размерности в лагранжиан, которые подавляются некоторой шкалой новой физики Λ. Эти операторы вносят вклад в наблюдаемые процессы, позволяя исследовать отклонения от предсказаний Стандартной модели. Особый интерес представляют CP-нарушающие операторы ЭТП, которые могут привести к CP-нарушению в процессах, где Стандартная модель предсказывает его отсутствие, или усилить существующие эффекты CP-нарушения. Изучение коэффициентов этих операторов позволяет наложить ограничения на параметры новой физики и проверить Стандартную модель с высокой точностью.

Измеренные дифференциальные сечения Z(ℓℓ)γZ(ℓℓ)γ зависят от поперечного импульса фотона <span class="katex-eq" data-katex-display="false">p_{\text{T}}^{\gamma}</span> и азимутального угла <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\phi^{\ast}</span>, как показано в работе [9]. — Измеренные дифференциальные сечения Z(ℓℓ)γZ(ℓℓ)γ зависят от поперечного импульса фотона $p_{\text{T}}^{\gamma}$ и азимутального угла $\phi^{\ast}$ , как показано в работе [9].

Прецизионные измерения на LHC: инструменты и техники

Эксперимент ATLAS на Большом адронном коллайдере (LHC) является основным источником экспериментальных данных для проверки теоретических предсказаний в физике высоких энергий. Сбор и анализ данных, достигающих порядка 140 фб^-1, требуют применения сложных методов, включающих реконструкцию траекторий частиц, идентификацию продуктов распада и калибровку детекторов. Эти техники позволяют измерять сечения различных процессов с высокой точностью, необходимой для тестирования Стандартной модели и поиска новой физики. Особое внимание уделяется контролю систематических неопределенностей, возникающих из-за несовершенства моделирования детекторов и процессов взаимодействия частиц.

Точные теоретические предсказания в физике высоких энергий, необходимые для интерпретации данных, полученных на Большом адронном коллайдере, в значительной степени опираются на передовые методы, такие как NNLO (Next-to-Next-to-Leading Order) КХД (квантовой хромодинамики). Эти вычисления требуют знания функций распределения партонов (ФРП), описывающих структуру адронов, в частности протонов. В настоящее время одним из наиболее часто используемых наборов ФРП является NNPDF3.1, разработанный с использованием современных методов стохастического перевыбора и учитывающий широкий спектр экспериментальных данных, включая данные о глубоко неупругом рассеянии и производстве включенных струй. Использование NNLO КХД в сочетании с точными ФРП, такими как NNPDF3.1, позволяет снизить теоретическую неопределенность при предсказании сечений различных процессов и, следовательно, повысить точность сравнения с экспериментальными данными.

Эксперименты ATLAS на Большом адронном коллайдере, используя накопленный объем данных в 140 фб^-1, достигли точности около 3.1% при измерениях сечения образования пар W⁺W^—, распадающихся на лептоны. Эта высокая точность позволяет проводить строгие тесты Стандартной модели физики элементарных частиц, а также осуществлять поиск новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели. Измеренные значения сечения сравниваются с теоретическими предсказаниями, что позволяет выявлять отклонения, которые могут указывать на наличие новых процессов или частиц.

Измерения дифференциальных сечений процессов W^±ZW^±Z в фидуциальных областях достигают точности около 2% при сравнении с предсказаниями Стандартной модели (SM), рассчитанными в рамках приближения NNLO (Next-to-Next-to-Leading Order) для квантовой хромодинамики (QCD) и в сочетании с электрослабыми (EW) поправками, учитывающими взаимодействие кварков и глюонов (qq). Данная точность обеспечивается благодаря анализу данных, собранных экспериментом ATLAS на Большом адронном коллайдере, и позволяет проводить высокоточные проверки предсказаний SM, а также осуществлять поиск новой физики за пределами Стандартной модели.

Измеренные дифференциальные сечения процессов <span class="katex-eq" data-katex-display="false">W\to 3\ell 1\nu</span> зависят от числа струй <span class="katex-eq" data-katex-display="false">N_{\text{jets}}</span> и поперечной энергии <span class="katex-eq" data-katex-display="false">p_{\text{T}}^{V1}</span>, как показано в работе [5]. — Измеренные дифференциальные сечения процессов $W\to 3\ell 1\nu$ зависят от числа струй $N_{\text{jets}}$ и поперечной энергии $p_{\text{T}}^{V1}$ , как показано в работе [5].

Будущее прецизионных измерений

Непрерывные высокоточные измерения процессов с участием электрослабых дибозонов, проводимые на Большом адронном коллайдере и будущих коллайдерах, имеют решающее значение для углубления понимания Стандартной модели. Эти исследования позволяют не только проверить предсказания теории с беспрецедентной точностью, но и выявить малейшие отклонения, которые могут указывать на новую физику за пределами текущего понимания. Анализ характеристик этих процессов, таких как сечения рассеяния и угловые распределения, позволяет уточнить параметры Стандартной модели и ограничить вклад возможных новых частиц или взаимодействий. Более того, накопление статистических данных позволит более детально изучить редкие процессы и рассмотреть более сложные теоретические модели, способствуя тем самым дальнейшему развитию фундаментальной физики элементарных частиц и укреплению основ нашего понимания Вселенной.

Эффективная теория поля Стандартной модели (ЭТПСМ) представляет собой мощный инструмент для интерпретации экспериментальных данных и поиска новой физики за пределами известных границ. Вместо того чтобы напрямую искать новые частицы, ЭТПСМ позволяет описывать отклонения от предсказаний Стандартной модели как эффекты, вызванные новыми, пока неизвестными взаимодействиями. Данный подход использует параметризацию, основанную на добавлениях к лагранжиану Стандартной модели, содержащих члены более высокой размерности, подавленные масштабом новой физики. Анализ экспериментальных данных, таких как измерения дибозонных процессов, позволяет ограничивать коэффициенты этих членов, тем самым сужая область возможных параметров новой физики и направляя будущие исследования. $\mathcal{L}_{EFT} = \mathcal{L}_{SM} + \sum_{i} c_{i} O_{i}$ — это общее представление ЭТПСМ, где $c_{i}$ — коэффициенты, описывающие отклонения от Стандартной модели, а $O_{i}$ — операторы, представляющие новые взаимодействия. Такой подход обеспечивает систематический способ изучения возможных проявлений новой физики и интерпретации результатов экспериментов на Большом адронном коллайдере и будущих коллайдерах.

Основы, заложенные калибровочной группой $SU(2)_L \otimes U(1)_Y$ , продолжают подвергаться строгой проверке в ходе современных экспериментов. Исследования, направленные на точное измерение параметров электрослабых взаимодействий, позволяют проверить предсказания Стандартной модели с беспрецедентной точностью. Эти проверки не просто подтверждают существующие теории, но и устанавливают более строгие ограничения на возможные отклонения, указывая на потенциальные направления поиска новой физики за пределами Стандартной модели. Постоянное стремление к повышению точности измерений расширяет границы нашего понимания фундаментальных законов природы, позволяя выявлять даже самые незначительные расхождения, которые могут свидетельствовать о новых частицах или взаимодействиях, не предусмотренных существующей теорией.

Исследование, представленное в данной работе, акцентирует внимание на строгой проверке границ данных, что является ключевым аспектом для избежания ложных закономерностей при анализе процессов дибозонного производства. Подобный подход к анализу данных, как отмечал Томас Кун: «Научные революции происходят, когда старые парадигмы не могут объяснить новые аномалии». В контексте данной работы, поиск отклонений от Стандартной модели и установление новых ограничений на физику за её пределами требует предельной точности и критического осмысления полученных результатов. Тщательное изучение процессов, связанных с тройными калибровочными связями и CP-нарушением, позволяет выявить потенциальные несоответствия и открыть новые горизонты в понимании фундаментальных законов природы.

Куда двигаться дальше?

Представленные измерения дибозонного производства, будучи точными, лишь подчеркивают фундаментальную сложность понимания электрослабого сектора. Улучшение точности не является самоцелью; важнее — поиск тех областей, где Стандартная модель неизбежно дает сбой. Дальнейшие исследования должны быть направлены на систематическое изучение отклонений от предсказаний Стандартной модели, даже если они кажутся незначительными. Особое внимание следует уделить детальному моделированию процессов, происходящих в parton showers, ведь именно там скрываются потенциальные источники систематических неопределённостей.

Интересным направлением представляется расширение поиска CP-нарушения в дибозонных процессах. Если природа скрывает новые источники нарушения CP-инвариантности, то дибозоны могут стать ключом к их обнаружению. Однако, для этого необходимо разработать новые методы анализа данных, способные эффективно отделять слабые сигналы от фонового шума. Важно помнить, что статистическая значимость — это лишь один из критериев; необходимо также тщательно оценивать теоретическую чистоту сигнала.

В конечном счете, задача состоит не в том, чтобы подтвердить Стандартную модель, а в том, чтобы найти её пределы. В этом смысле, измерения дибозонного производства — это не конец пути, а лишь отправная точка для новых, более амбициозных исследований. Ирония заключается в том, что чем точнее мы измеряем, тем больше понимаем, как мало мы знаем.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.17461.pdf

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

Смотрите также:

2026-01-27 17:35