Poszukiwanie zjawisk wykraczających poza Model Standardowy

Odkrycie bozonu Higgsa w 2012 r. w LHC (zobacz tu) dopełniło Model Standardowy – obecnie obowiązującą teorię oddziaływań fundamentalnych. Jednak Model Standardowy, mimo swojego wielkiego sukcesu w opisie świata, nie potrafi odpowiedzieć na różne fundamentalne pytania Natury, np. dlaczego nadwyżka materii nad antymaterią jest akurat taka jaką obserwujemy we Wszechświecie, co, tj. jakie cząstki, są składnikiem ciemnej materii, której we Wszechświecie jest kilka razy więcej niż tej znanej (jasnej). Odpowiedź na te pytania wymaga rozszerzenia Modelu Standardowego co innymi słowy oznacza, że Model Standardowy jest tylko teorią efektywną. Za tym że jest to teoria efektywna przemawiają również argumenty czysto teoretyczne, m.in. to że masa cząstki Higgsa jest podatna na poprawki kwantowe i albo poprawki te w niezrozumiały dla nas sposób likwidują się z niezwykłą precyzją, albo jakaś symetria chroni masę Higgsa przed nimi, albo jakaś nieznana fizyka jest do odkrycia przy energii niewiele przekraczającej skalę naruszenia symetrii elektrosłabej.

Poszukiwania syganłu fizyki wykaczającej poza Model Standardowy odbywają się na dwa sposoby. Pierwszy to bezpośrednie poszukiwanie nowych cząstek i próba ustalenia ich tożsamości przez wyznaczenie ich własności – opisujących je liczb kwantowych. Drugi sposób to precyzyjna weryfikacja przewidywań Modelu Standardowego – niezgodność wyników z przewidywaniem może oznaczać sygnał “nowej fizyki” a rodzaj takiej niezgodności być “tropem” pozwalającym odkrywać rozszerzoną teorię.

Masywne cząstki długożyciowe

W Warszawie w sposób szczególny zajmujemy się poszukiwaniem naładowanych masywny cząstek długożyciowych, tj. z makroskopową (>mm) drogą rozpadu. Wymyśliliśmy sposób jak ich poszukiwać, wykorzystując możliwości detektora CMS wykraczające poza założenia projektowe. Tego typu cząstki są przewidywane przez różne proponowane rozszerzenia Modelu Standardowego w tym przez różne wersje teorii supersymetrycznych czy teorie z tzw. ukrytym sektorem.

Teorie supersymetryczne postulują symetrię między cząstkami materii (fermionami) a cząstkami przenoszącymi oddziaływania (bozonami). Gdyby symetria ta była dokładna, to obserwowalibyśmy pary cząstek o tej samej masie a różniące się spinem (fermiony mają spin, czyli wewnętrzny moment pędu połówkowy, a bozony całkowity). Ponieważ tego nie obserwujemy, to supersymetryczni partnerzy znanych cząstek muszą mieć większa niż one masę, a sama symetria musi być w jakiś sposób naruszona. W ten sposób mamy cały worek egzotycznych cząstek do odkrycia (być może część w zasiegu ekspetymentu CMS).

Natomiast teorie z ukrytym (ciemnym) sektorem postulują istnienie nowych cząstek i oddziaływań bardzo słabo odziałujących ze znaną nam materią, które tworzą rzeczony ukryty sektor. Ta słabość oddziaływania odpowiada za to, że na razie go nie widzimy, ale być może eksperymenty przy LHC pozwolą go odkryć.

Więcej o naszej aktywności związanej z poszukiwaniem nowych cząstek można się dowiedzieć pisząc do Piotr.Zalewski@ncbj.gov.pl i Malgorzta.Kazana@ncbj.gov.pl.

Rozpaszanie bozonów wektorowych

Wizualizacja przypadku zderzenia protonów (pp) w CMS, w którym zaszło rozpraszanie bozonów W+: pp→jjW+W+→jj(e+ν)(μ+ν). Na rysunku pomarańczowe stożki symbolizują dżety hadronów (j), pozyton (e+) i mion (μ+) z rozpadów W+ zazaczono odpowiednio na zielono i czerwono, a neutrina (ν) unikają detekcji i nie są zaznaczone.

Jedną z ciekawych klas procesów, które mogą służyć precyzyjnemu testowaniu Modelu Standardowego, są oddziaływania pomiędzy bozonami W i Z, nośnikami oddziaływań słabych, zwane procesami rozpraszania bozonów wektorowych (ang. VBS, Vector Boson Scattering).  Procesy te mają kluczowe znaczenie w zrozumieniu fizyki cząstki Higgsa.

Po pierwsze, są one czułe na własności cząstki Higgsa, w szczególności na sposób w jaki  oddziałuje ona z innymi cząstkami –   szczegółowe własności cząstki Higgsa wpływają na widmo energetyczne procesów VBS, które mierzymy.

Po drugie, procesy VBS są czułe na istnienie hipotetycznych cięższych kopii bozonu Higgsa, przewidywanych w wielu rozszerzeniach Modelu Standardowego.  Nawet jeśli cząstki te są zbyt ciężkie do bezpośredniej oberwacji w LHC, ich istnienie może zostać stwierdzone jako anomalia w obserwowanych rozkładach oddziałujących bozonów W i Z.

Po trzecie, podłużnie spolaryzowane bozony wektorowe W i Z (czyli o zerowym rzucie spinu na kierunek ruchu) mają w Modelu Standardowym szczególne znaczenie, albowiem pełnią one w teorii rolę dodatkowych komponentów pola Higgsa, które wypełnia całą przestrzeń.  Ich obserwacja ma dla teorii podobne znaczenie jakie miała obserwacja bozonu Higgsa.

W grupie warszawskiej CMS prowadzimy badania nad opisem danych dotyczących procesów VBS w języku efektywnej teorii pola.  Taka analiza pozwoli zinterpretować ewentualne odstępstwa od Modelu Standardowego, lub też wyznaczyć ograniczenia na ogólne własności nowej fizyki, bez ograniczania się do konkretnych modeli.

By dowiedzieć się więcej o procesach VBS i ostatnich wynikach CMS zajrzyj tu, a by dowiedzieć się o naszej aktywności związanej z tymi procesami napisz do Michal.Szleper@ncbj.gov.pl.