Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день основной теорией для описания электрослабых взаимодействий в физике элементарных частиц является Стандартная Модель (СМ). Хотя предсказания СМ прекрасно согласуются с экспериментом, в ее рамках до сих пор остаются нерешенными ряд вопросов, таких, как "натуральность" СМ, проблема большого числа свободных параметров, проблема иерархии поколений и др. В связи с этим существуют вполне естественные теоретические основания предполагать, что СМ электрослабых взаимодействий является эффективной моделью, воспроизводящей в низкоэнергетическом пределе поведение некой глобальной теории с более высокой симметрией.
Одним из возможных сценариев физики вне стандартной SU{2) [/(І)-калибровочной теории, обсуждаемым в представленной диссертационной работе, являются модели, предсказывающие существование дополнительных тяжелых векторных бозонов Представляет интерес поиск и изучение возможных феноменологических проявлений моделей данного класса, связанных, например, с у — Z'- и Z — Z'-интерференционными эффектами, наблюдение которых возможно в экспериментах на существующих и проектируемых е+е~-коллайдерах.
Важной задачей экспериментов на коллайдерах высокой энергии и светимости является также измерение констант трехбозонных WWy-и И^И^-взаимодействий. В рамках СМ вершины WWy- и WWZ-взаимодействий строго определяются SU{2) {/(І)-калибровочной инвариантностью, так что прецизионные измерения данных вершин предполагают уникальный тест калибровочной структуры электрослабой теории.
Однако основная трудность при поиске выходов за рамки СМ заключается в том, что' результаты проводимых прецизионных экспериментов (в
частности, экспериментов на коллайдерах LEP и SLC) на сегодняшний день, несмотря на достигнутую высокую точность, не дали указаний на присутствие сигналов "новой" физики вне СМ. Поэтому вполне естественно ожидать, что эффекты "новой" физики могут проявиться только в качестве малых отклонений от предсказаний СМ. Следовательно, особенно важной является задача увеличения чувствительности экспериментальных наблюдаемых к возможным проявлениям "новой" физики, выходящей за рамки СМ.
На многих существующих и проектируемых коллайдерах предполагается использование поляризованных пучков. В этой связи актуальным является исследование тех дополнительных возможностей, которые может предоставить использование поляризованных пучков для целей тестирования структуры СМ, а также поиска расширенных моделей вне рамок СМ.
Цель диссертационной работы.
1. Обнаружение сигналов "новой" физики, связанных с сушествовани-
-ем дополнительных нейтральных векторных бозонов, возникающих
в моделях с композитной структурой элёктрослабых взаимодействий, а также исследования возможностей, предоставляемых поляризованными пучками.
-
Постановка ограничений на массы новых нейтральных векторных бозонов на е+е~-коллайдерах с поляризованными пучками.
-
Получение дополнительной информации о величинах электрослабых формфакторов, параметризующих вершину трехбозонного WWZ (И^И^-взаимодействия, при изучении процесса е+е~ —+ PV+W- на коллайдерах с поляризованными пучками.
-
Исследование возможных механизмов деполяризации пучков.
Научные результаты и новизна работы.
1. При исследовании феноменологических проявлений дополнительных изоскалярных векторных У(Уі)-бозонов, возникающих в моделях с композитной структурой электрослабых взаимодействий, для процессов е+е~ —* /7 и е+е~ —+ W+W" в области энергий коллайдеров TRISTAN и LEP 1(H) показано, что включение дополнительного У-бозона приводит к заметному уменьшению величины R для мюонного канала на энергиях коллайдера TRISTAN, что может являться возможным объяснением экспериментально наблюдаемого отклонения в R^ от предсказаний СМ. В
случае Уі-модели эффект дополнительного бозона в R и Д для мюонного' и адронного каналов при энергиях TRISTAN не превышает 1.% в области допустимых значений параметров, что исключает возможное количественное объяснение экспериментальных отклонений данных TRISTAN от предсказаний СМ в рамках У^-модели.
2. Включение дополнительного У(У/,)-бозона приводит на энергиях
LEP II к значительному уменьшению (примерно десятков процентов) сече
ний для мюонного и адронного каналов по отношению к соответствующим
сечениям СМ. Для параметров У-модели, допускающих как качественное,
так и количественное описание данных TRISTAN, эффект отклонения для
мюонного (адронного) канала составляет 22 -г 45 (9 — 21)% в зависимо
сти от энергии. В то время как рост энергии приводит к увеличению
эффекта, увеличение массы дополнительного У-бозона и/или величины
параметра смешивания приводит к его уменьшению.
-
Для процесса е+е_ —> W+W~ эффект отклонения сечений от предсказаний СМ для У (У/,)-модели пренебрежимо мал и не превышает величины 0.2 (0.06)% во всем возможном интервале энергий коллайдера LEP II (160 < y/s < 200 ГэВ). Хотя введение обрезания по углу рассеяния | cos в\ < 0.7, приводящего к подавлению вклада ^-канальной диаграммы СМ, и обеспечивает относительное усиление отклонения в ~ 2-2,5 раза, по всей видимости, эффект находится за пределом экспериментальной чувствительности LEP И.
-
Показано, что реализация на коллайдере LEP II поляризованных е+е_-пучков позволит значительно повысить чувствительность наблюдаемых к указанным выше эффектам дополнительного У(Уі)-бозона. Для параметров модели, обеспечивающих описание данных TRISTAN, включение поляризации приводит к усилению чувствительности лептонного сечения (е+е~ —* fi+n~) в ~ 2-2,1 раза, сечения процесса е+с~ —» адроны в ~ 3 раза, мюонной асимметрии рассеяния вперед-назад — в 2,5-2,7 раза.
-
В случае необнаружения эффекта поляризационные исследования на LEP II позволят поставить весьма жесткие ограничения снизу на массу и параметр смешивания У-бозона — от 1300 ГэВ до 5300 ГэВ для интервала \у от 0,03 до 0,3. Данные пределы значительно превосходят ограничения, достижимые на LEP II с неполяризованными пучками.
-
При рассмотрении возможностей е+е~-коллайдера нового поколения (i/s = 500 ГэВ) по поиску эффектов новых тяжелых нейтральных векторных бозонов, связанных с возможной реализацией различных моделей вне СМ, показано, что реализация е+е~-коллайдера с возможностью выбора
степеней поляризации начальных пучков позволит значительно увеличить чувствительность коллайдера к виртуальным эффектам Z'-бозона. Для исследованного набора моделей с дополнительным бозоном эффект усиления составляет в среднем величину ~ 1,5 т 2,5 раза в зависимости от типа модели. Для оптимальных значений поляризаций начальных пучков достижимые ограничения на массу нового бозона позволяют утверждать, что 500-ГэВ коллайдер с поляризованными пучками может быть эквивалентен, в смысле постановки массовых ограничений, коллайдеру с неполяризовакными пучками, в котором либо энергия пучков в 2-3 раза больше, либо в ~5 раз больше светимость.
-
В результате анализа возможностей 500(1000)-ГэВ е+е""-коллайдера с интегральной светимостью 50(100)fb-1 по постановке ограничений на величины аномальных параметров трехбозонных WW у (WWZ) вершин в реакции е+е~ —> W+W- получено, что использование поляризованных пучков позволит значительно улучшить чувствительность экспериментальных данных к исследуемым параметрам. Для достижения максимально жестких ограничений необходимо проведение комбинированного анализа при различных степенях продольной поляризации начальных пучков «J = «5 = 0,8(-0,8).
-
Показано, что для е+е~-коллайдера с поляризованными пучками y/s = 500 ГэВ и светимостью 50 /Ь-1 возможно достижение следующих ограничений на аномальные параметры трехбозонных взаимодействий: 0.998 < ку < 1.02 и -0.025 < Ат < 0.03, 0.994 < kz < 1.003 и -0.015 < Xz < 0.015. Для е+е~-коллайдера с поляризованными пучками = 1000 ГэВ и светимостью 100 /Ь-1 ограничения составят: 0.9995 < ку < 1.005, -0.006 < А7 < 0.0065 и 0.999 < к2 < 1.001, -0.0035 <\z< 0.0035,
-
Рассмотрено столкновение поляризованных е+е~-пучков коллайдера ВЛЭПП при энергиях и светимостях, характерных для следующего поколения линейных коллайдеров. Показано, что при движении в полях встречных сгустков спины электронов и позитронов, первоначально поляризованные в определенном направлении, испытывают поворот, т.е. происходит деполяризация пучков. Получены аналитические формулы, позволяющие вычислить вклад деполяризационных эффектов в экспериментально наблюдаемое количество событий изучаемого процесса. На примере отношения числа адронных и лептонных событий продемонстрирована величина этих эффектов, которая оказалась сравнимой с ожидаемыми статистическими и систематическими ошибками эксперимента. Указано на важность учета данного эффекта при проектировании е+е~ -коллайдеров следующего поколения.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы в процессе обработки прецизионных данных с современных (TRISTAN, LEP I, SLC) и будущих (LEP II, VLEPP, CLIC, JLC) е+е~-коллайдеров при поиске возможных сигналов "новой" физики в экспериментах с поляризованными пучками.
Апробация работы. Результаты диссертации опубликованы в работах [1-8] п докладывались на II рабочем совещании "Физика на ВЛЭПП" (Протвино, 1992), на VII международном совещании "Workshop on High Energy Physics and Quntum Field Theory" (Сочи, 1992), на международных совещанхіях "Workshop on High Energy Physics and Quntum Field Theory and VLEPP Physics" (Звенигород, 1993), "SPIN-93" (Протвино, 1993), а также на семинарах Отдела теоретической физики ИФВЭ, ИЯФ СО РАН и семинарах группы DELPHI. Работа прошла предварительную апробацию на семинаре Отдела теоретической физики ИФВЭ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста и заключения. Список литературы содержит 84 наименования. Объем диссертации 118 страниц.
