Projekti / Programi
Implikacije skalarnih resonanc na LHC za novo fiziko
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.02 |
Naravoslovje |
Fizika |
Teoretična fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P210 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika osnovnih delcev, kvantna teorija polja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
Fizika izven standardnega modela, Veliki hadronski trkalnik, Higgsov bozon, Fizika okusov, Nevtrinske mase, Teorije poenotenja, Teorija polja na mreži
Raziskovalci (7)
Organizacije (2)
Povzetek
V mnogih nadgradnjah standardnega modela (SM) mase lahkih fermionov (kvarkov in leptonov) neposredno ne določa njihova sklopitev s Higgsovim bozonom (HB). Posledično lahko razpadne širine HB v lahke fermione precej odstopajo od napovedi znotraj SM. Zaradi njihove redkosti, jih je izredno težko preverjati na LHC. V predlaganem projektu bomo zato raziskali nove pristope k testiranju interakcij HB z lahkimi fermioni. Specifično, razvili bomo nove metode za izluščenje razpadov HB v čarobne in čudne kvarke na LHC. V okviru te naloge bomo implementirali nov algoritem označevanja curkov HB, razvili pa bomo tudi novo metodo označevanja razpadov stanj kvarkonija. Omenjene inovativne pristope bomo nato uporabili za iskanje novih skalarnih resonanc izven SM, ki razpadajo tudi v lahke kvarke, in ki bi lahko tako osvetlile izvor mas lahkih fermionov.
Posebno vlogo igrajo mase nevtrinov. V SM je leptonsko (L) število v dobrem približku ohranjena globalna simetrija, ki pa je pogosto kršena v razširitvah SM, ki pojasnijo majhne neničelne mase nevtrinov. Če se L zlomi spontano, so nujno prisotni dodatni HB in v kolikor je skala zloma L dovolj nizka, pričakujemo opazljive procese v eksperimentih pri nizkih in visokih energijah. Študirali bomo proizvodnjo ter razpadne kanale takšnih skalarjev v eksotična stanja, ki zlomijo leptonsko število in/ali okus.
Morebitna prisotnost lahkih skalarnih delcev je še posebej zanimiva in motivirana znotraj teorij velikega poenotenja. Preučili bomo torej vpliv skalarnih skalarnih reprezentacij v teorijah velikega poenotenja na generacijo nevtrinskih mas in fiziko okusov. Določili bomo reprezentacije leptokvarkov (LQ), ki so primerni za zagotovitev Majorana masnih členov za nevtrine na redu ene zanke in se nato osredotočili na stanja LQ, ki so lahko lahka, in so v skladu z omejitvami v fiziki okusov. Na koncu se bomo osredotočili še na učinke takšnih lahkih stanj LQ na razpade HB in na študij tvorbe in značilnih razpadnih vzorcev na LHC.
Posebna lastnost skalarnih polj je, da lahko tvorijo sklopitve, ki niso povezane s prisotnostjo simetrij. Zato lahko skalarna polja najenostavneje prenašajo interakcije med drugače povsem razklopljenimi sektorji fizike, kot je lahko na primer tudi delčna temna snov. Znotraj projekta nameravamo raziskati splošno fenomenologijo takšnih modelov na LHC znotraj okvirov efektivnih teorij polja. Osredotočili se bomo na vlogo, ki jo pri tem igra umeritvena invarianca SM, ki lahko korelira različne možne produkcijske in razpadne kanale novih skalarnih resonanc. S tem omogoči učinkovit študij perturbativne unitarnosti, ki omejuje veljavnost takšnega opisa nove fizike na LHC.
Teoretična podlaga za lahke skalarne delce zahteva tudi razumevanje stabilnosti skalarnih potencialov, ki določijo mase, mešanja in sklopitve hipotetičnih dodatnih skalarjev s HB v SM. Preiskali bomo pozitivnost in stabilnost potencialov nekaterih minimalnih razširitev, ter ju povezali z zgoraj opisano fenomenologijo na trkalnikih.
Lahke skalarne resonance pa napovedujejo tudi močno-sklopljene teorije na osnovi umeritvene simetrije SU(NTC), ki vsebujejo elementarne delce z maso m in vodijo do ujetja le-teh pri skali ΛTC. Zato je potreben neperturbativen pristop in uporabili bomo teorijo polja na mreži. V limiti m ≪ ΛTC nameravamo raziskati teorije s fermioni, ki vodijo do spontanega zloma približne kiralne simetrije. Nekatera skalarna stanja v tem primeru predstavljajo Goldstonove bozone, ki jih je moč povezati z zlomitvijo elektrošibke simetrije, hkrati pa teorija omogoča opis sestavljenega HB. Določiti nameravamo mase sestavljenih delcev, pri čemer bomo upoštevali njijove razpade v lažja stanja pri majhnih masah m. V parametričnem območju m ) ΛTC so vezana stanja analogna kvarkoniju cc/bb in so stabilna na razpad po novi močni interakciji. Verjetnosti za razpade teh stanj v delce SM so odvisne od vezavne energije in valovne funkcije. Te nameravamo določiti s simulacijo na mreži za relevantne primere SU(NTC).
Pomen za razvoj znanosti
Novi rezultati iz LHC super tovarne mezonov B ter nekaterih manjših preciznih eksperimentov v fiziki delcev bodo najverjetneje temeljito poglobili naše razumevanje temeljnih zakonov fizike v naslednjem desetletju. Zato bo imel predlagani projekt, ki prepleta meritve teh eksperimentov na inovativen način, potencialno izredno velik odmev.
Za predlagane raziskave iskanja izvora mase in fermionskih okusov na LHC pričakujemo, da bodo odprla nove priložnosti na področju saj predlagajo alternativen način za iskanje odstopanj od napovedi standardne teorije. To je uporabno za teoretične fizike saj postavi omejitve na poljubljno teorijo na primer s spontanim izvorom mase nevtrinov, kakor tudi za eksperimentalne kolaboracije saj iskanja zadevajo kinematska področja, ki prej še niso bila raziskana.
Nenazadnje je vidno vesolje sestavljeno iz fermionov - kvarkov in leptonov. Zato je pomembno raziskati možnost, da bi bila tudi Higgsov bozon in temna snov sestavljena iz novih, doslej nepoznanih fermionov. Za nadaljne raziskave v tej smeri je izredno pomembno z ab-initio simulacijami ugotoviti ali je realizacija tega scenarija možna v okviru močno-sklopljenih umeritvenih teorij.
V splošnem so takšne raziskave ključne za zagotavljanje kar maksimalnega izkoristka prihajajočih eksperimentov in njihovih zajetih podatkov. Teoretične analize podajajo uporabne oporne točke in motivirajo nadaljna eksperimentalna iskanja. Hkrati razširjajo fizikalni doseg eksperimentov na LHC ter njihovo pokritje scenarijev nove fizike.
Pomen za razvoj Slovenije
Odkritje Higgsovega bozona je imelo neposreden vpliv na družbo. Vzbudilo je javni interes za fundamentalno fiziko s katero se ukvarjamo fiziki osnovnih delcev in povdarilo vprašanja, ki so bila odgovorjena in tista, ki ostajajo odprta. Izvor fermionskih mas in okusov ostaja ena izmed takšnih ugank in procesi s Higgsovim bozonom ter iskanja morebitnih še dodatnih skalarnih resonanc so obetavno mesto za iskanje odgovorov.
Izsledki predlaganega projekta bodo že tekom izvedbe zelo relevantni za eksperimentalne skupine fizike osnovnih delcev na odseku F 9 instituta Jožef Stefan, ki so vpete tako v eksperiment ATLAS na LHC kot tudi v super tovarno mezonov B oziroma pripadajoči eksperiment Belle II. Preko neposrednega sodelovanja ter izmenjave idej bodo lahko namreč pridobili pomembno konkurenčno prednost pred sorodnimi eksperimentalnimi skupinami v tujini pri izvedbi novih predlaganih meritev, ki bi lahko bile ključne pri razkrivanju nove fizike elektrošibkega zloma ali mehanizma tvorbe mase in okusov.
Člani predvidene projektne ekipe bodo nove znanstvene uvide in znanja, pridobljena preko izsledkov raziskav v okviru projekta prenašali v univerzitetno pedagoško prakso preko njihove umeščenosti v pedagoške procese na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. To bo potekalo tako preko individualnega dela s študenti v okviru seminarskih obveznosti, kot tudi preko posodabljanja samega predmetnika z uvajanjem novih vsebin. S tem bodo pripomogli k dvigu nivoja visokošolskega izobraževanja v Sloveniji.
Rezultate naših raziskav bomo tudi tolmačili za širšo laično javnost preko javnih predavanj in poljudnih člankov (takšna praksa je bila dobro sprejeta že ob našem preteklem delu).
Nenazadnje bodo predlagane raziskave motivirale nove eksperimente, ki bi raziskali nove napovedane pojave. Gradnja in izvedba takšnih eksperimentov vključuje sodelovanje gospodarstva preko malih in srednje-velikih podjetij, ter spodbuja vlaganja podjetij v tehnološki razvoj in zaposlovanje predvsem visokokvalificiranih kadrov. Ta vidik bo še posebej pomemben ob prihajajočem pridruženem članstvu Slovenije v CERNu.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
