За гранью Стандартной Модели: Охота на долгоживущие заряженные частицы

Автор: Денис Аветисян

Новый обзор посвящен возможностям эксперимента MoEDAL-MAPP в поисках частиц, выходящих за рамки известной нам физики, и их потенциальной роли в открытии новой физики.

🧐

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

Ожидаемая чувствительность поисков на Большом адронном коллайдере к многозаряженным долгоживущим частицам к концу HL-LHC демонстрирует, что возможности обнаружения различаются в зависимости от спина и цветового заряда частиц: для цветных скаляров и фермионов, а также для бесцветных аналогов, ожидаются различные пределы чувствительности, отражающие сложность поиска новых частиц за пределами Стандартной модели.

Эксперимент MoEDAL-MAPP предлагает уникальный подход к поиску заряженных долгоживущих частиц, особенно в сценариях с промежуточными и высокими электрическими зарядами.

Поиск физики за пределами Стандартной модели сталкивается с необходимостью исследовать нетривиальные сигналы, включая долгоживущие частицы. В работе ‘Prospects for detecting charged long-lived BSM particles at MoEDAL-MAPP experiment: A mini-review’ представлен обзор перспектив обнаружения заряженных долгоживущих частиц с использованием эксперимента MoEDAL-MAPP. Показано, что, несмотря на меньшую накопленную светимость, пассивный и фонобезопасный метод регистрации MoEDAL-MAPP обеспечивает уникальное дополнение к основным детекторам ATLAS и CMS, особенно для частиц с промежуточными и высокими электрическими зарядами. Какие новые возможности для поиска за пределами Стандартной модели откроет дальнейшее развитие и анализ данных, полученных на MoEDAL-MAPP?

За пределами Стандартной модели: В поисках новой физики

Несмотря на впечатляющие успехи, Стандартная модель физики элементарных частиц оставляет без ответа ряд фундаментальных вопросов. Она не объясняет природу тёмной материи и тёмной энергии, составляющих большую часть Вселенной, и не включает гравитацию, одну из четырех фундаментальных сил. Кроме того, модель не может объяснить массу нейтрино или асимметрию между материей и антиматерией. Эти пробелы указывают на то, что Стандартная модель является лишь приближением к более полной теории, и побуждают ученых к поиску «новой физики», способной разрешить эти загадки и предоставить более полное описание фундаментальных законов природы. Поиск этой новой физики включает в себя как теоретические разработки, так и экспериментальные исследования, проводимые на передовых ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер.

Многие теоретические расширения Стандартной модели предсказывают существование новых, долгоживущих частиц (LLP), которые потенциально могут быть созданы в ходе столкновений на Большом адронном коллайдере (LHC). Эти частицы отличаются от тех, что хорошо изучены, и распадаются значительно медленнее, что делает их обнаружение сложной задачей. В отличие от частиц, которые мгновенно превращаются в другие, долгоживущие частицы способны пролететь заметное расстояние, прежде чем распасться, оставляя уникальные следы в детекторах. Предсказания о массах и способах распада этих частиц варьируются в зависимости от конкретной теоретической модели, но все они подчеркивают необходимость разработки новых методов поиска, способных идентифицировать эти необычные объекты и раскрыть новые грани фундаментальной физики.

Для обнаружения долгоживущих частиц (LLP), предсказываемых многими расширениями Стандартной модели, требуется разработка принципиально новых стратегий поиска. Традиционные детекторы, предназначенные для регистрации стабильных или быстро распадающихся частиц, оказываются неэффективными, когда LLP покидают активную зону, проходя сквозь непроанализированные области. Поэтому ученые прибегают к инновационным методам, включающим анализ косвенных признаков их распада за пределами детекторов, поиск смещенных вершин, а также использование специализированных поддетекторов, расположенных вокруг основной установки, для регистрации продуктов распада, возникших на значительном удалении от точки столкновения. Эти подходы позволяют расширить возможности поиска новых частиц, выходящих за рамки возможностей стандартных методов регистрации.

MoEDAL: Новый детектор для поиска экзотических частиц

Детектор MoEDAL, установленный на Большом адронном коллайдере (LHC), предназначен для поиска гипотетических частиц, таких как магнитные монополи и долгоживущие частицы (LLP). В отличие от стандартных детекторов, ориентированных на зарегистрированные продукты распада, MoEDAL разработан для регистрации высокоионизирующих частиц, которые могут проникать сквозь обычные системы регистрации. Основной задачей детектора является обнаружение частиц, которые слабо взаимодействуют с материей, что затрудняет их регистрацию традиционными методами, и которые могут проявляться как аномальные треки в детекторе.

В отличие от традиционных детекторов, требующих активного считывания сигналов и питания, MoEDAL функционирует в пассивном режиме. Детектор представляет собой многослойную структуру, состоящую из чередующихся алюминиевых и пластиковых пластин. Взаимодействующие с детектором частицы, проходя через слои, оставляют следы своего прохождения. Алюминий служит для измерения траектории, а пластик — для регистрации и сохранения информации о пролете частиц без необходимости в электронном считывании в реальном времени. Такой подход позволяет MoEDAL непрерывно регистрировать события в течение всего времени работы Большого адронного коллайдера (БАК).

В детекторе MoEDAL используются ядерные трековые детекторы, представляющие собой слои пластика, которые подвергаются химической обработке для выявления следов прохождения заряженных частиц. В процессе травления вдоль траектории частицы формируется конический углубление, размер и форма которого зависят от энергии и заряда проходящей частицы. Эти углубления, сохраняющиеся на постоянной основе, служат визуальной записью траектории и позволяют реконструировать параметры частиц, даже если они слабо взаимодействуют с другими материалами детектора. После обработки слои тщательно сканируются для обнаружения и анализа этих конических следов.

Расположение панелей ядерных трековых детекторов представлено для геометрии MoEDAL Run 2, как показано в работе [Maselek:2023fvy].

Моделирование для проверки потенциала MoEDAL

Разработан быстрый фреймворк моделирования, предназначенный для воспроизведения отклика детектора MoEDAL и оценки его чувствительности к заряженным долгоживущим частицам (LLP). Данный фреймворк позволяет оперативно генерировать и анализировать смоделированные события, что необходимо для оптимизации стратегий поиска и оценки потенциальной возможности открытия новых частиц. Он использует упрощенные модели взаимодействия и распространения частиц внутри детектора, что значительно снижает вычислительные затраты по сравнению с полномасштабными симуляциями, сохраняя при этом достаточную точность для оценки чувствительности детектора к различным сценариям, включая процессы, предсказываемые моделями, выходящими за рамки Стандартной модели.

Разработанная платформа быстрого моделирования позволяет физикам генерировать и анализировать события в большом объеме, что существенно ускоряет процесс оптимизации стратегий поиска долгоживущих частиц (LLP). Используя данную платформу, можно эффективно оценивать потенциал открытия новых частиц в различных сценариях, включая модели, выходящие за рамки Стандартной модели. Быстрая генерация событий позволяет исследовать широкий диапазон параметров и конфигураций детектора, что необходимо для максимизации чувствительности MoEDAL к новым физическим явлениям и количественной оценки вероятности обнаружения сигнала.

Прогнозируемая чувствительность детектора MoEDAL к долгоживущим частицам (LLP), основанная на моделировании событий с интегрированной светимостью в 300 fb⁻¹, охватывает широкий спектр сценариев, включая предсказания различных моделей, выходящих за рамки Стандартной модели, в частности, суперсимметрии (SUSY). Оценка потенциала открытия проводилась с использованием критериев значимости $N_{sig} = 1, 2$ и $3$ , что позволило определить области параметров, в которых детектор может зарегистрировать сигнал, превышающий фоновый шум на заданное количество сигм. Данные симуляции демонстрируют способность MoEDAL к исследованию новых физических явлений и поиску частиц, не предсказанных существующей теорией.

Эксперимент MoEDAL демонстрирует сравнимую или превосходящую чувствительность по отношению к ATLAS и CMS в диапазоне зарядов $3e < |q| < 6e$ . Это означает, что MoEDAL способен обнаруживать частицы с электрическим зарядом в указанном диапазоне с эффективностью, не уступающей, а в некоторых случаях и превосходящей возможности детекторов ATLAS и CMS. Данное преимущество особенно важно для поиска заряженных долгоживущих частиц (LLP), которые могут быть произведены в процессах за пределами Стандартной модели.

Предел досягаемости для стау-лептонов (staus) в эксперименте MoEDAL, при использовании геометрии детектора, реализованной в Run 2, составляет до 1.7 ТэВ. Ожидается, что при использовании идеализированной геометрии детектора, данный предел будет увеличен. Это означает, что MoEDAL способен обнаруживать стау-лептоны с массами до 1.7 ТэВ, и потенциально более массивные частицы при улучшении конфигурации детектора. Повышение предела досягаемости критически важно для исследования моделей, предсказывающих существование стау-лептонов, в частности, в контексте суперсимметрии (SUSY).

Ожидаемая чувствительность эксперимента MoEDAL к суперсимметричным моделям демонстрирует, что конфигурации Run 2 (красные контуры) и «идеальная» геометрия (синие контуры) позволят обнаружить сигналы с $N_{sig}=1$ и $N_{sig}=2$ , при этом ограничения, полученные ATLAS для $L=36.1\,\rm fb^{-1}$ (желтый контур) и спроецированные для конца Run 3 ( $L=300\,\rm fb^{-1}$ , оранжевый контур), накладывают дополнительные ограничения на параметры моделей.

Дополнительные поиски и более широкие последствия

В дополнение к специализированному эксперименту MoEDAL, детекторы общего назначения, такие как ATLAS и CMS, также активно ведут поиск долгоживущих частиц (LLP), используя разнообразные методики. Особое внимание уделяется поискам смещенных вершин — следов распада частиц на некотором расстоянии от точки их рождения, что указывает на их долгоживущий характер. Параллельно проводятся исследования на наличие тяжелых стабильных заряженных частиц, которые могут проявляться как аномальные сигналы в данных. Эти детекторы используют процессы вроде процесса Дрелла-Яна для создания LLPs, тщательно анализируя отклонения от предсказаний Стандартной модели. Сочетание уникальной чувствительности MoEDAL и комплексных исследований ATLAS и CMS создает мощную стратегию для полного использования потенциала Большого адронного коллайдера в поисках новой физики.

Эксперименты, такие как ATLAS и CMS, активно используют процесс Дрелла-Яна для поиска долгоживущих частиц (LLP). Этот процесс, представляющий собой столкновение лептона и антилептона, может приводить к образованию новых частиц, в том числе и тех, которые распадаются не сразу. Ученые анализируют данные, обращая особое внимание на отклонения от предсказаний Стандартной модели, в частности, на резонансы в паре фотонов. Наблюдение таких резонансов может указывать на существование новых частиц, распадающихся на фотоны, и, следовательно, свидетельствовать о физике за пределами существующей модели. Подобные исследования позволяют исследовать широкий спектр возможных распадов LLPs и значительно расширяют возможности поиска новой физики на Большом адронном коллайдере.

Сочетание уникальной чувствительности детектора MoEDAL и дополнительных поисков, проводимых на ATLAS и CMS, формирует эффективную стратегию для раскрытия всего потенциала Большого адронного коллайдера в поиске новой физики. В то время как MoEDAL специализируется на обнаружении долгоживущих частиц, вылетающих за пределы основных детекторов, ATLAS и CMS используют традиционные методы, такие как анализ дифотонных резонансов и поиск тяжелых стабильных заряженных частиц, производимых в процессе Дрелла-Яна. Взаимное дополнение этих подходов позволяет охватить более широкий спектр параметров и моделей, выходящих за рамки Стандартной модели, значительно повышая шансы на обнаружение новых явлений и расширение нашего понимания фундаментальных законов природы.

Распределения скоростей стау-лептонов, хиггсино и глюино, образующихся в процессе Дрелла-Яна при энергии 1 ТэВ, демонстрируют различные характеристики, представленные в работе [Felea:2020cvf].

Исследование возможностей эксперимента MoEDAL-MAPP в поиске долгоживущих заряженных частиц за пределами Стандартной модели демонстрирует стремление к расширению границ известного. Как однажды заметил Галилео Галилей: «Вселенная — это книга, написанная на языке математики». В данном контексте, точность измерений и интерпретация данных, особенно при исследовании частиц с промежуточными и высокими электрическими зарядами, требуют строгого математического аппарата. Подобно тому, как метрики Шварцшильда и Керра описывают геометрию пространства-времени вокруг вращающихся объектов, анализ траекторий частиц в детекторе позволяет выявить отклонения от предсказанных теорией моделей, открывая путь к новым физическим открытиям.

Что Дальше?

Обзор возможностей эксперимента MoEDAL-MAPP в поисках долгоживущих частиц за пределами Стандартной модели, несомненно, добавляет ещё одну деталь в мозаику. Однако, физика — это искусство догадок под давлением космоса, и каждая найденная деталь лишь обнажает новые, более сложные вопросы. Возможности MoEDAL-MAPP, особенно в сценариях с промежуточными и высокими электрическими зарядами, выглядят многообещающе, но не стоит забывать о фундаментальной проблеме: что, если искомые частицы просто не существуют в том виде, в котором мы их представляем?

Безусловно, увеличение светимости Большого адронного коллайдера расширит горизонты поиска, но важно помнить: красивая теория на бумаге — это лишь тень реальности, пока не начнёшь смотреть в телескоп. Ограничения, связанные с идентификацией и реконструкцией треков, остаются серьёзным вызовом, и прогресс в этой области требует не только новых технологий, но и, возможно, радикально новых подходов к анализу данных.

Чёрная дыра — это не просто объект, это зеркало нашей гордости и заблуждений. Поиск за пределами Стандартной модели — это постоянное напоминание о том, что наше понимание Вселенной всегда неполно. Будущие исследования, вероятно, потребуют более тесного сотрудничества между экспериментами и теоретиками, а также готовности отказаться от устоявшихся представлений, если этого потребуют данные.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.23387.pdf

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

Смотрите также:

2025-12-31 17:43