КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 21-72-10113

НазваниеНейтральные электрослабые многобозонные вершины

РуководительСолдатов Евгений Юрьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2024 

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-101 - Физика элементарных частиц

Ключевые словаСтандартная модель, новая физика, электрослабая теория, коллайдерные эксперименты, оптимальные наблюдаемые, АТЛАС, многобозонные вершины, эффективная теория поля, аномальные взаимодействия

Код ГРНТИ29.05.49

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современное описание физики элементарных частиц построено с помощью теории под названием Стандартная модель (СМ). Данная теория была тщательно проверена во многих экспериментах и подтверждается ими на протяжении уже более 50 лет. Её предсказательная способность также очень высока: важнейшим результатом оказалось открытие бозона Хиггса - важнейшего элемента СМ спустя многие десятилетия после его предсказания. Однако при всех неоспоримых достоинствах, Стандартная модель не является полной, а лишь приближением к общей теории. В ней слишком много параметров: например, массы фундаментальных частиц (кварков, лептонов, бозонов) не могут быть вычислены из общих принципов этой теории. СМ не включает описание гравитационного взаимодействия. Кроме того, развитие физики частиц и смежных областей дало и другие (в том числе экспериментальные) свидетельства неполноты СМ. Прежде всего это экспериментальный факт осцилляций нейтрино и, следовательно, их ненулевой массы. Также астрофизические и космологические исследования говорят о существовании большого количества (как минимум в 5 раз больше видимой барионной материи) дополнительной материи во Вселенной (тёмной материи), состав которой невозможно объяснить частицами СМ. Расширение Стандартной модели и переход к более общей теории является консенсусом в физике частиц и остаётся лишь делом времени: на текущий момент все основные экспериментальные и теоретические работы так или иначе направлены в эту сторону. Экспериментальные работы направлены на поиск пределов описания Стандартной моделью процессов физики элементарных частиц. Поиск физики за рамками СМ (т.н. "новой физики") включает как поиск новых частиц, взаимодействий, состояний (прямой поиск), так и перепроверку уже известных или только предсказанных процессов с высокой точностью, поскольку новые частицы/взаимодействия могут проявиться виртуально и изменить, например, петлевые поправки (косвенный поиск). Теоретические работы предлагают сами пути возможного расширения СМ. Это могут быть как теории с небольшими добавками к СМ (суперсимметрия, техницвет и др), так и теории, построенные с нуля (теория струн, теории доп. измерений и др), в которых в предельном случае можно получить СМ. Однако, сказать является ли правильным тот или иной путь может только экспериментальный результат, а также феноменологическая работа, которая помогает экспериментальный результат наиболее эффективно использовать для принятия одних теорий и отбрасывания (ограничения) других. Данный проект направлен на косвенный поиск проявлений физики за рамками СМ, то есть на поиск отклонений в уже известных процессах СМ. Такой вариант поиска сейчас становится наиболее перспективным, так как прямой поиск в данных экспериментах Большого адронного коллайдера за более чем 10 лет его работы не дал результатов. А поскольку значительного повышения энергии столкновений не планируется, то вероятность получить их в будущем - близка к нулю. Рождение новых частиц - пороговый процесс и если нужная энергия не достигнута, частицы рождаться не будут. Основное внимание в косвенных поисках приковано к результатам в b-физике (в последние годы были новости о возможных отклонениях от предсказаний СМ), в секторе электрослабых многобозонных взаимодействий, в исследованиях свойств бозона Хиггса. Данный проект направлен на изучение нейтральных электрослабых трёхбозонных вершин, в том числе и тех, что включают бозон Хиггса. Безхиггсовые нейтральные вершины ZZgamma, ZZZ, Zgammagamma - не существуют в СМ и их наличие сразу будет являться свидетельством проявлений физики за рамками СМ. Хиггсовая вершина HZZ существует, однако, не существует её CP нарушающей компоненты. Обнаружение любого уровня CP нарушения для данной вершины также явно за рамками СМ. Таким образом достоинством исследования нейтральных вершин, не существующих в СМ, по сравнению с теми, где расширения СМ лишь усиливают эффект, является большая чувствительность в эксперименте к физике за рамками СМ. Примером может служить один из наиболее эффективных методов поиска эффектов CP-нарушения в канале H -> ZZ, метод угловых асимметрий (https://arxiv.org/abs/1502.03045). Суть данного метода состоит в использовании специальных угловых наблюдаемых O1-O6. В случае процесса H > ZZ, где в СМ полностью отсутствует CP-нарушение как в распаде бозона Хиггса, так и в распаде Z-бозонов, распределения по данным наблюдаемым будут строго симметричными. При этом в случае присутствия CP-нарушающих слагаемых в Лагранжиане распределения будут становиться асимметричными, что позволит непосредственно обнаружить даже малые эффекты CP-нарушения. Однако, например, для распада H -> WW данный метод применять нельзя. За счёт присутствия CP-нарушающей фазы в PMNS-матрице распределения по O1-O6 будут асимметричными даже в случае СМ, поскольку CP-нарушения в рамках СМ присутствует как раз в процессах с участием W-бозонов. Таким образом, присутствие CP-нарушающего члена в вершине HWW обнаружить значительно труднее, нежели в вершине HZZ. В работе планируется провести поиск аномальных тройных вершин электрослабых бозонов ZZZ, ZZgamma, Zgammagamma, а также CP-нарушающих вершин HZZ на основе изучения процессов ассоциированного рождения ZZ пар, Z+gamma, а также процесса рождения бозона Хиггса с последующим распадом на пару Z-бозонов в данных эксперимента ATLAS, набранных за время второго сеанса (~140 фб^-1). В результате либо будут обнаружены эти вершины, тогда планируется измерить значения их параметров, степень отклонения от СМ. Либо вершины обнаружены не будут, но тогда планируется получить наиболее жёсткие в мире ограничения на них. Эти результаты планируется интерпретировать в терминах популярных моделей-расширений СМ: суперсимметрии, 2HDM и др. Таким образом, данная работа кроме получения экспериментальных результатов также послужит отбору на их основе наилучших теорий-кандидатов на расширение Стандартной модели. Коллектив состоит из молодых кандидатов наук, аспирантов и студентов. Данный проект послужит активному вовлечению и становлению молодых учёных, позволит им начать работать на мировом уровне. Результаты проекта и разработанные методы будут внедрены в учебные курсы в НИЯУ МИФИ.

Ожидаемые результаты
На основе данных, собранных детектором ATLAS во время второго этапа работы Большого адронного коллайдера (140 фб^-1): - Будут получены экспериментальные значения параметров/ограничения на параметры аномальных (CP-нарушающих и CP-сохраняющих) трёхбозонных вершин ZZZ, ZZgamma, Zgammagamma в формализмах функций вершин, а также эффективной теории поля; - Будут получены экспериментальные значения параметров/ограничения на параметры CP-нарушающих трёхбозонных вершин HZZ, HZgamma и Hgammagamma в рамках формализма эффективной теории поля; - Будут проведены феноменологические исследования, направленные на увеличение эффективности использования информации из экспериментальных данных. В результате данных исследований будет предложен набор специальных переменных (в там числе CP-чувствительных), которые смогут повысить точность измерения констант связи аномальных вершин в ходе проводимого анализа данных. Данные результаты, в случае экспериментального обнаружения аномальных вершин, будут одними из наиболее важных экспериментальных результатов, которые определят направление для расширения СМ в сторону более общей теории. Кроме того планируется провести большую интерпретационную работу для полученных экспериментальных результатов (особенно важную в случае необнаружения аномальных вершин): - Будет разработана методика интерпретации ограничений на нейтральные аномальные вершины в рамках произвольной теоретической модели; - Будут получены ограничения на параметры популярных моделей-расширений СМ (суперсимметрия, 2HDM и др.) исходя из экспериментальных ограничений на параметры аномальных нейтральных вершин. Это позволит более эффективно использовать информацию из экспериментальных ограничений, чтобы принимать или отбрасывать (ограничивать) многочисленные теории-кандидаты на расширение СМ.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В отчётном периоде получены результаты, перечисленные ниже. В ходе данной работы были предложены нестандартные CP-чувствительные переменные, использование которых позволит повысить чувствительность анализов экспериментальных данных, направленных на поиск аномальных взаимодействий в вершине HZZ. Результаты моделирования показали, что при использовании данных переменных чувствительность анализа данных вырастет на величину порядка 30%. В ходе исследования были обнаружены 5 чувствительные к аномальным вершинам переменные, которыми описывается процесс рождения Z-бозона с фотоном и двух Z бозонов. Отбор по данным переменным позволяет получить более точные пределы на коэффициент Вильсона эффективной теории поля, в зависимости от переменной улучшение составляет от 16% до 96%. В ходе выполнения проекта была разработана методика, позволяющая получить ограничения на параметры теоретических моделей, используя экспериментальные ограничения на константы связи вершинных функций. Так, например, вершинная функция процесса Z->ZZ представляет собой эффективную амплитуду соответствующего процесса на однопетлевом уровне. Разработанная методика основывается на процедуре редукции Пассарино-Вельтмана однопетлевых интегралов и её базовый функционал был реализован в виде отдельного программного пакета. Валидация данного программного пакета была проведена на примере расчёта вершинной CP-нарушающей константы связи f_4^Z для процесса Z->ZZ. Полученное выражение полностью совпало с результатом, полученным ранее независимой научной группой. Процесс ассоциированного рождения пары Z-бозонов представляет особый интерес, поскольку он чувствителен к явлениям, которые предсказывают теории, выходящие за пределы Стандартной модели. Использование событий, в которых один Z-бозон распадается на заряженные лептоны, а другой распадается на пару нейтрино-антинейтрино позволяет более точно изучить данные явления. В рамках работы над проектом произведено моделирование данного процесса для случая, предсказываемого Стандартной моделью, а также для случаев, предсказываемых модельно-независимым расширением Стандартной модели. Исследование редких процессов на Большом адронном коллайдере требует наилучшего выделения сигнала над фоновыми событиями. Процесс оптимизации отбора событий представляет собой выделение наиболее чувствительных к подавлению фоновых процессов переменных и дальнейшее вычисление порогов на отобранные переменные, обеспечивающих одновременно максимальное подавление фона и сохранение сигнала. Использование метода многомерной оптимизации для процесса ZZ->ll\nu\nu позволяет подавить число фоновых событий в 819 раз, при уменьшении числа сигнальных всего в 4 раза. Пара лептонов от распада Z-бозона из рассматриваемого процесса, регистрируются в детекторе напрямую, а не взаимодействующие с детектором нейтрино определяются через закон сохранения импульсов как недостающая поперечная энергия. Поиск желаемого сигнального состояния будет затруднён из-за процессов, дающих похожий отклик в детекторе. Такое может быть, если искомая комбинация частиц появляется из иного результата взаимодействия протонов (например, заряженные лептоны от двух независимых распадов W-бозонов) или из-за невозможности восстановить все частицы в столкновении (например, распад пары Z-бозонов на две пары заряженных лептонов, где два из четырёх лептонов не восстанавливаются в детекторе). В данном исследовании все оценки числа фоновых процессов были получены при помощи расчетов методом Монте-Карло, а для наиболее значительных фонов были получены поправки на основе данных из специально сконструированных "контрольных" областей фазового пространства.

 

Публикации

1. Зубов Д.В., Курова А.С., Солдатов Е.Ю. Estimation of electron-to-photon misidentification rate in Z(νν)γ measurements for conditions of ATLAS experiment during Run II Физика элементарных частиц и атомного ядра (ЭЧАЯ) / Physics of Particles and Nuclei, том 54, выпуск 1, 2023 год (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1134/S1063779623020065

2. Зубов Д.В., Пятиизбянцева Д.Н., Солдатов Е.Ю. An improved selection optimization method used for the measurement of ZZ production under conditions of ATLAS experiment during LHC Run II Физика элементарных частиц и атомного ядра (ЭЧАЯ) / Physics of Particles and Nuclei, том 54, выпуск 1, 2023 год (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1134/S1063779623010057

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Во время второго этапа проекта было произведено измерение сечений совместного рождения Z-бозона с фотоном, а также пары Z-бозонов в протон-протонных столкновениях при энергии в системе центра масс, равной 13 ТэВ. Для этого была построена модель максимального правдоподобия, сравнивающая теоретические распределения по кинематическим распределениям частиц в конечном состоянии с наблюдаемыми распределении. При построении были учтены сигнальный и все фоновые процессы (разработаны методы для их оценки на основе моделирования или данных от pp столкновений), дающие исследуемое конечное состояние, а также все значительные источники систематических погрешностей. Одним из основных параметров данной функции является нормировочный коэффициенты mu_s, равный отношению наблюдаемого интегрального поперечного сечения сигнального процесса к теоретическому. При максимизации функции правдоподобия были получены значения mu_s и наблюдаемого сечения рождения изучаемых процессов. Также были получены дифференциальные сечения в зависимости от нескольких кинематических переменных. В рамках проекта также был произведён поиск аномальных нейтральных тройных вершин электрослабых калибровочных бозонов как проявлений "новой физики" за рамками Стандартной модели. Была разработана методология получения пределов на параметры вершин используя данные от pp столкновений. Она включает в себя разработанные группой методы, позволяющие значительно уточнить пределы на новую физику. Были получены первые экспериментальные ограничения. По результатам уже можно сказать, что в рамках данного исследования будут получены наиболее точные в мире пределы на 6 параметров аномальных вершин. Доработана методика и соответствующий программный модуль, который позволяет делать перевод ограничений на параметры аномальных вершин в ограничения на параметры моделей-кандидатов в расширения Стандартной модели. Произведена его валидация на минимальной суперсимметричной модели и на модели 2HDM.

 

Публикации

1. Казакова К.К., Пятиизбянцева Д.Н, Солдатов Е.Ю. The Estimation of the Background Induced by the Misidentification of a Jet as a Photon by the Slice Method in pp Collider Experiment Physics of Atomic Nuclei, номер 4, том 86 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063778823040233

2. Казакова К.К., Пятиизбянцева Д.Н, Солдатов Е.Ю. Likelihood-based approach to the estimation of the background induced by the misidentification of a jet as a photon at pp collider experiment Письма в ЭЧАЯ, том 20, выпуск 5 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1547477123050424

3. Семушин А.Е, Солдатов Е.Ю. Methodology of accounting for aQGC effect on background for improvement of the limits on EFT coupling constants in case of electroweak Zγ production at the conditions of Run2 at the ATLAS experiment PoS, PoS, Vol. 380, 127 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.22323/1.380.0127

4. Семушин А.Е, Солдатов Е.Ю. Study of Corrections for Anomalous Coupling Limits Due to the Possible Background BSM Contributions Symmetry, Symmetry 2022, 14(10), 2082 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/sym14102082