За гранью Стандартной модели: поиск новых частиц на мюонном коллайдере

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование посвящено поиску тяжелых нейтральных лептонов и связанных с ними явлений, которые могут проявиться в уникальных сигналах на будущих мюонных коллайдерах.

В рамках исследования инвариантных масс мюонов и жирных струй, а также пар мюонов с противоположными знаками и реконструированных тяжелых нейтральных лептонов, продемонстрирована зависимость распределений от энергии столкновения - 3 ТэВ и 10 ТэВ - при условии, что масса <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{Z^{\prime}}</span> равна <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{H}</span> и втрое превышает массу <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{N}</span>. — В рамках исследования инвариантных масс мюонов и жирных струй, а также пар мюонов с противоположными знаками и реконструированных тяжелых нейтральных лептонов, продемонстрирована зависимость распределений от энергии столкновения — 3 ТэВ и 10 ТэВ — при условии, что масса $m_{Z^{\prime}}$ равна $m_{H}$ и втрое превышает массу $m_{N}$ .

В статье рассматриваются возможности обнаружения тяжелых нейтральных лептонов через нарушения лептонного числа в процессах, приводящих к образованию три- и тетралептонных событий.

Стандартная модель физики элементарных частиц не способна объяснить наблюдаемые массы нейтрино и природу темной материи. В данной работе, ‘Novel Signatures of Heavy Neutral Lepton at Muon Collider’, исследуется возможность поиска новых физических явлений, а именно тяжелых нейтральных лептонов и связанных с ними калибровочных бозонов, на мюонных коллайдерах. Показано, что процессы, приводящие к образованию пар тяжелых лептонов, могут проявляться в виде уникальных сигнатур с нарушением лептонного числа, таких как события с четырех или тремя мюонами одного знака. Смогут ли будущие мюонные коллайдеры открыть новую физику за пределами Стандартной модели, используя эти характерные сигналы?

За гранью Стандартной модели: Призраки новой физики

Несмотря на впечатляющий успех в объяснении фундаментальных сил и частиц, Стандартная модель физики элементарных частиц не способна описать все наблюдаемые явления во Вселенной. Существуют многочисленные свидетельства, указывающие на необходимость расширения этой модели, включая существование темной материи и темной энергии, а также наблюдаемые нейтринные осцилляции и барионную асимметрию. Эти необъяснимые факты заставляют ученых искать новые физические принципы и частицы, которые могли бы дополнить Стандартную модель и дать более полное описание реальности. Поиск за пределами Стандартной модели — это не признание ее несостоятельности, а скорее подтверждение того, что наше понимание Вселенной еще неполно и нуждается в дальнейшем развитии и уточнении.

Исследования, направленные на поиск отклонений от сохранения лептонного числа, представляют собой один из наиболее перспективных путей за пределы Стандартной модели физики элементарных частиц. Сохранение лептонного числа — фундаментальный принцип, утверждающий, что количество лептонов в замкнутой системе остается постоянным. Однако, теоретические модели, такие как теории с нарушенным сохранением лептонного числа, предсказывают возможность существования новых частиц и взаимодействий, которые могли бы привести к наблюдаемым отклонениям. Поиск нарушений этого принципа осуществляется в экспериментах, изучающих распад частиц и столкновения пучков, поскольку даже незначительное отклонение от предсказаний Стандартной модели может свидетельствовать о существовании новой физики, выходящей за рамки существующих представлений о фундаментальных силах и частицах.

Нарушения закона сохранения лептонного числа, если они будут обнаружены в экспериментах, указывают на существование новых частиц и взаимодействий, выходящих за рамки Стандартной модели. Это не просто отклонение от теоретических предсказаний, а потенциальное открытие совершенно новых фундаментальных строительных блоков Вселенной. В связи с этим, физики активно ищут специфические сигнатуры, которые могли бы свидетельствовать о присутствии этих новых частиц — например, редкие распады частиц или появление необычных комбинаций лептонов. Обнаружение таких сигнатур потребовало бы пересмотра существующих теорий и открыло бы путь к более полному пониманию природы материи и сил, управляющих ею.

Обнаружение событий, характеризующихся одновременным появлением трех или четырех лептонов с одинаковым электрическим зарядом, представляет собой один из наиболее перспективных путей поиска физики за пределами Стандартной модели. Такие сигналы, известные как “same-sign tri- или tetra-лептоны”, крайне маловероятны в рамках существующих теоретических предсказаний. Их появление могло бы свидетельствовать о существовании новых частиц и взаимодействий, нарушающих сохранение лептонного числа — фундаментального принципа, лежащего в основе Стандартной модели. Подобные аномалии могли бы указывать на механизмы, ответственные за массу нейтрино, или на существование новых типов распада частиц, открывая двери к более полному пониманию фундаментальных законов природы и структуры Вселенной. Интенсивные поиски этих редких событий проводятся на современных ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер, с целью выявления отклонений от стандартных предсказаний и подтверждения существования новой физики.

Анализ области обнаружения дилептонов показывает, что при фиксированных значениях <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{Z^{\prime}}=m_{H}=3m_{N}</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">g^{\prime}=0.6</span>, область обнаружения определяется параметрами <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{N}</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{H}</span>. — Анализ области обнаружения дилептонов показывает, что при фиксированных значениях $m_{Z^{\prime}}=m_{H}=3m_{N}$ и $g^{\prime}=0.6$ , область обнаружения определяется параметрами $m_{N}$ и $m_{H}$ .

Симметрия U(1)Lμ-Lτ: Ключ к новым взаимодействиям

Симметрия U(1)Lμ-Lτ представляет собой теоретическую основу, способную объяснить нарушения лептонного числа и наблюдаемые сигнатуры, отклоняющиеся от предсказаний Стандартной модели. Нарушение лептонного числа проявляется в процессах, где количество лептонов и антилептонов не сохраняется, что не допускается в рамках Стандартной модели. Данная симметрия постулирует существование новых частиц и взаимодействий, позволяющих реализовать такие процессы, согласуясь с экспериментальными данными, в частности, с наблюдениями, указывающими на появление пар лептонов одного знака. В рамках этой модели, нарушение лептонного числа является следствием взаимодействия частиц через новые переносчики взаимодействий, не входящие в состав Стандартной модели, и является необходимым условием для объяснения ненулевой массы нейтрино.

Симметрия U(1)Lμ-Lτ постулирует существование нового калибровочного бозона, Z’, который является переносчиком новой силы, не входящей в Стандартную модель. Этот бозон, взаимодействуя с лептонами, в частности с мюонами и тау-лептонами, обуславливает отклонения от предсказаний Стандартной модели и может быть обнаружен в экспериментах, ищущих новые частицы. Масса Z’ бозона является свободным параметром модели, но для соответствия экспериментальным ограничениям она должна находиться в определенном диапазоне энергий, что делает его доступным для поиска на современных коллайдерах. Взаимодействие Z’ бозона с лептонами описывается константой связи, определяющей интенсивность новой силы.

В рамках симметрии U(1)Lμ-Lτ предсказывается существование тяжелых нейтральных лептонов, играющих ключевую роль в механизме See-Saw для генерации масс нейтрино. Механизм See-Saw предполагает, что массы нейтрино возникают за счет взаимодействия стандартных нейтрино с тяжелыми нейтральными лептонами, которые обладают гораздо большей массой. Этот процесс предполагает добавление в стандартную модель дополнительных сингулетных лептонов $N$ и лагранжиан, включающий члены вида $y_{\nu} \overline{L} \tilde{H} N$ и $M \overline{N}^c N$ , где $L$ — лептоны, $\tilde{H}$ — скалярный дублет Хиггса, а $M$ — масса тяжелого нейтрального лептона. В результате, масса нейтрино пропорциональна отношению квадрата масс $M$ к массе $M$ , что позволяет объяснить наблюдаемые малые массы нейтрино.

Наблюдаемые сигнатуры с одинаковым знаком лептонов могут быть объяснены посредством взаимодействия новых частиц, предсказываемых симметрией U(1)Lμ-Lτ. В рамках данной модели, Z’-бозон, выступающий в качестве переносчика новой силы, и тяжелые нейтральные лептоны опосредуют распад, приводящий к генерации пар лептонов с одинаковым электрическим зарядом. Эффективное сечение этого процесса, определяемое массами Z’-бозона и тяжелых нейтральных лептонов, согласуется с экспериментальными данными, полученными в ходе наблюдений за распадом частиц, демонстрирующих указанные сигнатуры. Таким образом, наличие Z’-бозона и тяжелых нейтральных лептонов предоставляет конкретный механизм, объясняющий аномальное накопление пар лептонов с одинаковым знаком, что позволяет интерпретировать эти наблюдения как свидетельство физики за пределами Стандартной модели.

При условии, что <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{Z^{\prime}}=m_{H}=3m_{N}</span>, нормализованные распределения инвариантной массы мюона и жирного джета (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{\mu J}</span>) и двух реконструированных тяжелых нейтральных лептонов (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{NN}</span>) демонстрируют различия при энергиях 3 ТэВ и 10 ТэВ. — При условии, что $m_{Z^{\prime}}=m_{H}=3m_{N}$ , нормализованные распределения инвариантной массы мюона и жирного джета ( $m_{\mu J}$ ) и двух реконструированных тяжелых нейтральных лептонов ( $m_{NN}$ ) демонстрируют различия при энергиях 3 ТэВ и 10 ТэВ.

В поисках сигнала: Анализ и реконструкция событий

Точное определение траекторий и энергий частиц является критически важным для регистрации слабых сигналов новых частиц. Это обусловлено тем, что сигналы часто маскируются фоновыми процессами и продуктами распада других частиц. Реконструкция траекторий требует точного измерения координат пересечения треков частиц с детекторами, а определение энергий — калориметрии, позволяющей измерить энергию, отложенную частицами в детекторе. Высокая точность измерений необходима для отделения сигнала от фона и выявления редких событий, указывающих на наличие новых частиц, а также для точного определения их свойств, таких как масса и время жизни.

Алгоритм Valencia Jet играет ключевую роль в точной идентификации и реконструкции адронных джетов, которые являются обычным побочным продуктом высокоэнергетических столкновений. Этот алгоритм позволяет определить направление и энергию частиц, образующих джет, путем кластеризации близко расположенных частиц в детекторах. Точность реконструкции адронных джетов критически важна для снижения фонового шума и повышения чувствительности при поиске новых частиц, поскольку неправильная идентификация джетов может привести к ложным сигналам или маскировке истинных событий. Использование алгоритма Valencia Jet позволяет более эффективно отделять сигналы от шума, улучшая статистическую значимость обнаружения редких процессов.

Применение алгоритма Valencia Jet к событиям, содержащим лептоны с одинаковым знаком заряда (same-sign leptons), существенно повышает чувствительность поиска новых частиц. Это связано с тем, что данный алгоритм обеспечивает более точную реконструкцию адронных струй, которые часто возникают как побочный продукт высокоэнергетических столкновений и могут маскировать сигналы распада искомых частиц. Более точная реконструкция позволяет эффективно отделять фоновые события от потенциальных сигналов, тем самым увеличивая статистическую значимость поиска и позволяя обнаруживать более слабые сигналы.

При светимости 1 аб⁻¹ на мюонном коллайдере с энергией 3 ТэВ ожидается, что сечение образования трилептонов с одинаковыми знаками заряда будет находиться в диапазоне от 1.73 до 3.03 фб. Данный диапазон сечений, при указанной светимости, позволяет достичь статистической значимости сигнала от 149 до 206 единиц. Это означает, что вероятность наблюдения такого сигнала случайным образом крайне мала, что подтверждает возможность обнаружения новых физических явлений, приводящих к образованию данных трилептонов.

При энергии столкновения 10 ТэВ и накопленной светимости 10 аb^-1 на мюонном коллайдере, ожидается, что статистическая значимость сигнала, проявляющегося в виде трилептонных событий с одинаковым знаком зарядов, превысит 100 сигм. Данный уровень значимости обеспечивает высокую достоверность обнаружения потенциальных новых частиц или явлений, проявляющихся в данном канале распада. Оценка значимости основана на моделировании ожидаемого количества событий и анализе фоновых процессов, позволяющих отделить сигнал от шума.

Сравнение распределений поперечного импульса мюонов, жирных струй и инвариантной массы жирных струй при энергиях 3 ТэВ и 10 ТэВ демонстрирует влияние энергии столкновения, при этом для иллюстрации использовалось соотношение <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{Z^{\prime}}=m_{H}=3m_{N}</span>. — Сравнение распределений поперечного импульса мюонов, жирных струй и инвариантной массы жирных струй при энергиях 3 ТэВ и 10 ТэВ демонстрирует влияние энергии столкновения, при этом для иллюстрации использовалось соотношение $m_{Z^{\prime}}=m_{H}=3m_{N}$ .

Мюонный коллайдер: Новая эра прецизионных измерений

Мюонный коллайдер, предназначенный для столкновения мюонов, представляет собой уникальную возможность для поиска и изучения новых частиц, недоступных в существующих экспериментах. В отличие от коллайдеров, использующих протоны или электроны, мюоны обладают большей массой и меньшим спином, что позволяет добиться более высокой точности при изучении взаимодействий и распадов частиц. Благодаря этому, коллайдер сможет с беспрецедентной детализацией исследовать свойства фундаментальных частиц, включая бозон Хиггса, и выйти за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц. Использование мюонов в качестве сталкивающихся частиц открывает принципиально новые горизонты в изучении структуры материи и сил, управляющих Вселенной.

В мюонном коллайдере ключевым механизмом производства частиц является процесс тяжелого излучения Хиггса, при котором сталкивающиеся мюоны непосредственно порождают тяжелые бозоны Хиггса. Этот процесс отличается высокой эффективностью при высоких энергиях, поскольку мюоны, будучи элементарными частицами, передают почти всю свою энергию в создаваемые частицы. В отличие от коллайдеров, производящих Хиггса косвенно через другие частицы, прямой механизм позволяет получить чистую выборку тяжелых бозонов Хиггса, что критически важно для точного измерения их свойств и изучения отклонений от предсказаний Стандартной модели. Изучение продуктов распада этих бозонов, таких как пары кварков или лептонов, предоставляет уникальную возможность для поиска новой физики за пределами известных нам взаимодействий.

Тщательное измерение свойств тяжелого бозона Хиггса и продуктов его распада открывает уникальную возможность для непосредственного исследования фундаментальных законов физики. Анализ характеристик этого бозона, таких как масса, спин и каналы распада, позволяет проверить предсказания Стандартной модели и выявить отклонения, указывающие на новую физику. Изучение продуктов распада, например, путем точного определения энергии и углов вылета частиц, позволяет реконструировать параметры взаимодействия и установить наличие новых частиц или сил, выходящих за рамки существующей теории. Подобный подход, основанный на прецизионных измерениях, представляет собой мощный инструмент для поиска ответов на ключевые вопросы о природе Вселенной и структуре материи, позволяя проникнуть глубже в понимание фундаментальных взаимодействий.

Посвященный мюонному коллайдеру комплекс представляет собой не просто технологический прорыв, но и принципиально новый подход к исследованию фундаментальных частиц и сил. Этот специализированный объект обещает совершить революционный скачок в понимании структуры материи, открывая возможности для поиска явлений, выходящих за рамки существующей Стандартной модели. Благодаря беспрецедентной точности измерений, коллайдер позволит проверить предсказания теоретической физики в экстремальных условиях, выявить признаки новой физики и, возможно, обнаружить совершенно новые частицы и взаимодействия, которые определят будущее наших знаний о Вселенной. Такой подход не ограничивается поиском ответов на существующие вопросы, но и способен сформулировать принципиально новые, стимулируя дальнейшие исследования и открывая горизонты для будущих поколений физиков.

Результаты моделирования тяжелого распада Хиггса на мюонном коллайдере показывают, что сечения взаимодействия зависят от значений параметров <span class="katex-eq" data-katex-display="false">g^{\prime}</span> и масс <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{Z^{\prime}}</span>, <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_{H}</span>, при этом различным линиям соответствуют разные значения этих параметров и энергии коллайдера (3 и 10 ТэВ). — Результаты моделирования тяжелого распада Хиггса на мюонном коллайдере показывают, что сечения взаимодействия зависят от значений параметров $g^{\prime}$ и масс $m_{Z^{\prime}}$ , $m_{H}$ , при этом различным линиям соответствуют разные значения этих параметров и энергии коллайдера (3 и 10 ТэВ).

Исследование, представленное в статье, демонстрирует стремление выйти за рамки Стандартной модели физики, исследуя возможности обнаружения тяжелых нейтральных лептонов на мюонных коллайдерах. Авторы предлагают искать уникальные сигнатуры, нарушающие лептонное число, такие как события с тремя или четырьмя лептонами одного знака. Этот подход перекликается с мыслями Фрэнсиса Бэкона: «Знание — сила». Понимание фундаментальных симметрий и их возможных нарушений позволяет не просто наблюдать явления, но и предсказывать новые, расширяя границы известного. Подобно тому, как Бэкон стремился к эмпирическому исследованию природы, данная работа предлагает конкретные экспериментальные стратегии для поиска «новой физики» за пределами существующих теорий.

Куда двигаться дальше?

Представленная работа, по сути, не столько открывает новые горизонты, сколько выявляет пробелы в существующей карте. Поиск тяжелых нейтральных лептонов на мюонных коллайдерах — это, конечно, интересно, но сама постановка вопроса о нарушении лептонного числа подразумевает, что стандартная модель — это лишь приближение к истине, а истина, как известно, всегда сложнее. Взгляд на сигналы типа “same-sign trilepton” и “tetralepton” — это лишь первый вопрос, а не окончательный ответ. Каждый эксплойт начинается с вопроса, а не с намерения.

Очевидно, что необходима более детальная проработка фоновых процессов. Игнорирование тонкостей, связанных с калибровкой детекторов и статистикой, может привести к ложным срабатываниям — к обнаружению «новых частиц», которых на самом деле нет. Более того, данное исследование фокусируется лишь на одном конкретном типе коллайдера. Не исключено, что другие типы ускорителей, или даже совершенно иные методы обнаружения, окажутся более эффективными в поиске за пределами Стандартной Модели.

В конечном итоге, вся эта работа — лишь ещё один шаг в бесконечном процессе реверс-инжиниринга реальности. Понимание симметрий и их нарушений — это ключ к пониманию Вселенной, но сам поиск этого ключа требует постоянного сомнения и переосмысления. Искать новые частицы — это, конечно, увлекательно, но гораздо важнее — понять, почему мы их ищем.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.05158.pdf

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

Смотрите также:

2026-02-08 22:18