Implikacije skalarnih resonanc na LHC za novo fiziko

Nazaj na seznam za leto 2017

Oznaka in naziv projekta

J1-8137 Implikacije skalarnih resonanc na LHC za novo fiziko

J1-8137 New physics implications of scalar resonances at the LHC

Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev

Projektna skupina

Vodja projekta: Dr. Fesel Kamenik Jernej

Sodelujoče raziskovalne organizacije: Institut Jozef Stefan

Sestava projektne skupine: doc. dr. Nejc Košnik, doc. dr. Miha Nemevšek, prof. dr. Saša Prelovšek Komelj

Vsebinski opis projekta

Prisotnost skalarnih delcev je tesno povezana s pojavom zloma simetrije. Vloga skalarnih prostostnih stopenj znotraj temeljnih teorij je zato zanimiva tako s stališča teoretske kot eksperimentalne fizike.

Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.

Znanstvena izhodišča in predstavitev problema

Odkritje Higgsovemu bozonu podobne resonance na LHC v letu 2012 je naznanilo začetek nove dobe v naših študijah in v razumevanju dinamike in izvora elektrošibkih interakcij ter njihove skale vEW ∼ 246 GeV. Znotraj standardnega modela (SM), ki opisuje naše trenutno razumevanje osnovnih delcev in njihovih interakcij, zlom elektrošibke simetrije parametrizira elementarno skalarno Higgsovo polje, z enostavnim potencialom, ki izkazuje spontani zlom simetrije. To bi sicer lahko bil zgolj efektivni nizkoenergijski opis neke bolj fundamentalne fizike. Dejansko, ker je Higgsov bozon Lorentzov skalar, je njegov masni parameter, ki določi elektrošibko skalo, nestabilen pod kvantnimi popravki. Zaradi tega se zdi velika hierarhija med elektrošibko in drugimi indikativnimi fundamentalnimi skalami narave, kot je Planckova skala G^{−1/2 ∼ 10}19 GeV, povsem nenaravna. Zato je tudi zelo verjetno, da je mehanizem elektrošibkega zloma tesno povezan z novo fiziko. Bolj splošno je prisotnost skalarnih delcev tesno povezana s pojavom zloma simatrije. Vloga skalarnih prostostnih stopenj znotraj temeljnih teorij je zato zanimiva tako s stališča teoretske kot eksperimentalne fizike.

Naslednji bistveni vidik skalarnih delcev leži v njihovih sklopitvah s fermioni. V okviru SM so interakcije Higgsovega bozona s fermioni (Yukawine interakcije) v samem bistvu uganke okusov: osnovne gradnike snovi, kvarke in (nabite) leptone najdemo v treh različicah, ki se razlikujejo le v njihovih močno hierarhičnih masah in v jakosti šibke interakcije. Slednji lastnosti sta neposredni posledici sklopitev kvarkov in leptonov s Higgsovim poljem. Iste sklopitve povzročijo tudi značilen vzorec kršitve simetrije konjugacije naboja in parnosti (CP simetrije), ki se zelo dobro ujema z meritvami. Na področju kvarkov so intenzivne teoretične in eksperimentalne študije v zadnjih 30 letih potrdile opis fizike okusov in kršitve CP z matriko Cabibbo- Kobayashi- Maskawa (CKM), ki je del minimalnega SM, s splošno natančnostjo 10-20% in celo mnogo bolj natančnim ujemanjem v posameznih specifičnih opazljivkah. Meritve interakcij Higgsovega bozona s kvarki in leptoni so v tem okviru osnovnega pomena, saj nam le-te prvič omogočajo neposredno preverjanje dinamike okusov znotraj SM. V SM so sklopitve Higgsovega bozona s kvarki in leptoni popolnoma določene z masami posameznih delcev, ter poleg tega ohranjajo okus in simetrijo CP. V skladu s tem bi bilo opaženo neujemanje s temi napovedmi v splošnem dokaz za obstoj fizike onkraj SM. Obenem pa bi že kazalo na razširjen nabor Higgsovih polj ali na dodatna polja snovi. Obratno pa novi skalarji, ki se sklapljajo s fermioni SM nujno nosijo kvantna števila okusa in prav tako zlomijo okusno simetrijo SM. Morda najbolj zanimiva možna posledica so neničelne nevtrinske mase. Celovito ujemanje večine merjenih okusnih spremenljivk s pripadajočimi napovedmi znotraj SM lahko potem interpretiramo kot izjemno stroge omejitve na takšne nove vire zloma kvarkovskih in leptonskih okusov.

Končno, splošna lastnost Higgsu-podobnih polj je, da lahko služijo kot portali med SM z njegovimi umeritvenimi in naključnimi simetrijami, ter drugimi hipotetičnimi delci, ki so lahko nevtralni pod simetrijami SM – z t.i. temnim sektorjem, ki lahko vsebuje tudi kozmološko temno snov. Namreč, večinski del porazdelitve mase v opazljivem vesolju ni v obliki znane snovi, temveč tako imenovane temne snovi, ki je nebarionska, nedisipativna, nerelativistična in skoraj popolnoma inertna. Ena izmed najbolj raziskanih možnosti je, da je temna snov v obliki nevtralnih stabilnih ali dolgoživih šibko interagirajočih masivnih delcev, ki niso del SM. V tem primeru naivna dimenzijska analiza nakazuje, da bi morale dominantne interakcije med temno snovjo in snovjo SM potekati preko tako imenovanega skalarnega portala, preko sklopitev med temno snovjo in Higgsu-podobnimi polji. Zanimivo je, da tako teoretične kot tudi eksperimentalne omejitve v tem primeru nakazujejo, da bi takšni delci morali imeti maso blizu elektrošibke skale, kar bi omogočilo njihov študij tako posredno, preko njihovih sklopitev z morebitnimi Higgsovimi bozoni, kot tudi neposredno, preko njihove tvorbe v trkih delcev pri visokih energijah.

Gornji argumenti ilustrirajo močno motivacijo za podroben študij interakcij skalarnih delcev v splošnem, ter specifično Higgsovega bozona, tako s strani teorije, v obliki napovedi znotraj razširitev SM, kot tudi fenomenološko, v oblikovanju strategij za natančno preverjanje strukture interakcij skalarjev. Ta del se bo pretežno nanašal na drugo fazo delovanja LHC (planirana je do leta 2018). Podane pa bodo tudi projekcije za prihodnje visoko-energijske delčne trkalnike, ki so trenutno v fazi planiranja.

Cilji raziskave; izvirnost, relevantnost in potencialni vpliv rezultatov

V predlaganem projektu nameravamo raziskati modele in fenomenologijo skalarnih delcev, vključno s Higgsovim bozonom, v dveh smereh: po eni strani bomo raziskali modele nove fizike znotraj katerih se skalarni delci pojavljajo kot nizkoenergijske prostostne stopnje, ter izpeljali teoretične omejitve na takšne konstrukcije. Po drugi strani bomo izpeljali napovedi za opazljivke, povezane tako z neposredno tvorbo in razpadi skalarnih delcev na LHC, kot tudi posredne vplive interakcij s snovjo v obliki virtualnih kvantnih prispevkov k redkim procesom, ki jih testirajo izredno natančni eksperimenti pri nižjih energijah. Ti vključujejo redke razpade mezonov B in čarobnih hadronov v eksperimentih LHCb in BelleII, redki razpadi kaonov, merjeni s strani NA68, procesi, ki kršijo leptonske okuse in bodo testirani tudi na namenskih eksperimentih kot so MEG, Mu2ee in COMET, in končno neposredna in posredna iskanja delčne temne snovi, na primer v eksperimentih Xenon1T ali SuperCDMS.

Bibliografske reference

A. Greljo, J. F. Kamenik, and J. Kopp, JHEP 07, 046 (2014), 1404.1278.
U. Haisch and J. F. Kamenik, Phys. Rev. D93, 055047 (2016), 1601.05110.
J. F. Kamenik and M. Nemevsek, JHEP 11, 023 (2009), [Erratum: JHEP03,033(2014)], 0908.3451.
I. Dorsner, S. Fajfer, A. Greljo, J. F. Kamenik, and N. Kosnik, Phys.Rept. 641 (2016) 1-68, 1603.04993.

Objave z rezultati raziskave

J. F. Kamenik, Y. Soreq, J. Zupan, Phys.Rev. D97 (2018) no.3, 035002.
R. Alonso, A. Carmona, B. M. Dillon, J. F. Kamenik, J. M. Camalich, J. Zupan, JHEP 1810 (2018) 099 .
U. Haisch, J. F. Kamenik, A. Malinauskas, M. Spira JHEP 1810 (2018) 099 .
D. Becirevic, I. Dorsner, S. Fajfer, N. Kosnik, D. Faroughy, O. Sumensari Phys.Rev. D98 (2018) no.5, 055003.
S. Fajfer, N. Kosnik, L. Vale Silva Eur.Phys.J. C78 (2018) no.4, 275.
M. Nemevsek, F. Nesti, G. Popara Phys.Rev. D97 (2018) no.11, 115018.
M. Padmanath, S. Collins, D. Mohler, S. Piemonte, S. Prelovsek, A. Schafer, S. Weishaeupl Phys. Rev. D99 (2019) 014513.
V. Guada, A. Maiezza, M. Nemevšek Phys. Rev. D 99 (2019) no.5, 056020.
J. F. Kamenik, A. Katz, D. Stolarski JHEP 01 (2019), 032.
B. M. Dillon, D. A. Faroughy J. F. Kamenik Phys. Rev. D 100 (2019) no.5, 056002.
S. Descotes-Genon, S. Fajfer, J. F. Kamenik, M. Novoa-Brunet Phys.Lett.B 809 (2020) 135769.
D. A. Faroughy, J. F. Kamenik, N. Košnik, A. Smolkovič JHEP 02 (2020), 085.
V. Guada, M. Nemevšek, M. Pintar Comput.Phys.Commun. 256 (2020) 107480.
D. Becirevic, S. Fajfer, N. Kosnik, A. Smolkovic Eur.Phys.J.C 80 (2020) 10, 940.
B. M. Dillon, D. A. Faroughy, J. F. Kamenik, M. Szewc JHEP 10 (2020) 206.
B. Fuks, M. Nemevšek, R. Ruiz Phys.Rev.D 101 (2020) 7, 075022.
V. Guada, M. Nemevšek Phys.Rev.D 102 (2020) 125017.
S. Prelovsek, H. Bahtiyar, J. Petkovic Phys.Lett.B 805 (2020) 135467.
B. Bortolato, J. F. Kamenik Eur.Phys.J.C 81 (2021) 5, 388.
V. Drach, T. Janowski, C. Pica, S. Prelovsek JHEP 04 (2021) 117.
B. Bortolato, J. F. Kamenik, N. Kosnik, A. Smolkovic Nucl.Phys.B 964 (2021) 115328.

Nazaj na seznam projektov po letih