Поиски новой физики на коллайдерах

Современные подходы к поискам новой физики на коллайдерах

Стандартная модель (СМ) элементарных частиц — чрезвычайно успешная теория, подтверждённая множеством экспериментов с высокой точностью. Тем не менее, она не объясняет гравитацию, тёмную материю, иерархию масс, нейтринные осцилляции и космологическую постоянную. Эти нерешённые вопросы указывают на необходимость физики за пределами Стандартной модели (BSM, Beyond the Standard Model). Коллайдеры высоких энергий — основные инструменты для экспериментального поиска новых фундаментальных взаимодействий, новых частиц и структуры вакуума.

Поиски резонансов: новые массивные частицы

Одним из классических способов поиска BSM-физики является изучение инвариантной массы систем частиц, возникающих в результате столкновений. Если в спектре наблюдается узкий пик — это может быть признаком резонанса, связанного с новой частицей.

Примеры:

Z′-бозоны — гипотетические массивные аналоги Z-бозона, возникающие в расширениях калибровочной группы СМ, таких как модели с дополнительной U(1).
Гравитоны в теории с дополнительными измерениями — в некоторых моделях (например, RS1) можно ожидать появления массивных возбуждённых состояний гравитона, видимых в дилептонных или дибозонных каналах.
Тяжёлые скалярные резонансы — в двухдублетных моделях Хиггса (2HDM), а также в различных версиях SUSY, возможны дополнительные бозоны Хиггса (H⁰, A⁰), ищущиеся в каналах H → ZZ, WW, γγ.

Методология включает сканирование спектра инвариантных масс, построение шаблонов фона и сигнала, применение бустированных техник реконструкции, а также MVA (multivariate analysis).

Поиск сигнатур с пропавшей энергией

Наблюдение событий с заметным несбалансированным поперечным импульсом (missing transverse energy, E_T^miss) является ключевым элементом в поисках частиц, слабо взаимодействующих с детекторами — кандидатов на тёмную материю или нейтралино в SUSY.

Типичные сигнатуры:

События “jets + E_T^miss” — классические каналы для моделей с супергравитацией, в которых тяжёлые суперпартнёры распадаются каскадно, заканчивая на стабильном LSP (наименьшей суперчастице).
Монообъекты (mono-X) — один фотон, Z-бозон, джет или топ-кварк, сбалансированные по импульсу с E_T^miss. Эти каналы часто интерпретируются в рамках эффективных операторов взаимодействия с тёмной материей.

Огромное значение имеет надёжное моделирование фона от стандартной модели — например, от Z → νν + jets, топ-кварков и процессов W+jets. Используются как данные, так и симуляции Monte Carlo с коррекциями.

Поиски долгоживущих частиц

Долгоживущие частицы (LLP, long-lived particles) — важный компонент множества BSM-сценариев, включая SUSY с R-паритетом, модели скрытого сектора (hidden valley), портальные модели с тёмной материей. Их распады могут происходить с задержкой и на значительном расстоянии от вершины столкновения.

Сигнатуры LLP:

Отделённые вершины (displaced vertices) — вторичные вершины распада в кремниевых пиксельных трекерах.
Нестандартные треки — квазистабильные заряженные частицы (CHAMPs) оставляют треки с аномальной ионизацией, медленным временем пролёта.
Калориметрические кластеры без следов (trackless jets) — результат нейтральных распадов в объёме калориметра.

Поскольку стандартные триггерные алгоритмы часто неэффективны для подобных событий, используется специализированная реконструкция, в том числе off-line, а также нестандартные триггеры с низким порогом и задержками (delayed triggers).

Поиски сверхсимметрии (SUSY)

Сверхсимметрия остаётся одной из наиболее активно исследуемых гипотез новой физики. Основные принципы SUSY — введение суперпартнёров для всех частиц СМ, расширение группы симметрий и возможность объяснения иерархии масштабов.

Ключевые классы поисков:

Глюино и скварки — их распады производят множество джетов, лептонов и E_T^miss. Массивные SUSY-частицы ищутся по конечным состояниям с высокой мультиджетностью и аномальной кинематикой.
Электрослабые суперпартнёры — хиггсино, вино, нейтралино, лептины. Они дают более «чистые» сигнатуры с лептонами, но с меньшей производительностью, поэтому требуют высокой чувствительности и низкого фона.
R-parity violation (RPV) — если нарушён R-паритет, LSP становится нестабильным, появляются новые каналы распада без E_T^miss, включая много лептонов, джетов или нестандартные резонансы.

Интерпретация ведётся как в рамках полных моделей (MSSM, NMSSM), так и в рамках симплифицированных моделей (SMS), в которых исследуются отдельные цепочки распада.

Поиски экзотических бозонов и новых взаимодействий

Гипотеза о существовании новых калибровочных симметрий приводит к появлению дополнительных бозонов: Z′, W′, скалярных и псевдоскалярных полей. Они могут проявляться в различных каналах:

Z′ → l⁺l⁻, W′ → lν — классические каналы для поиска с высокой точностью реконструкции.
Z′ → t{t}, b{b} — тестируют модели с предпочтительным купплингом к третьему поколению.
Векторные триплеты, хиггс-композиты — возникают в моделях с частично композитными кварками, техницвете или теории слагаемых лагранжианов.

Параллельно изучаются дубликаты Стандартной модели — зеркальные миры, портальные взаимодействия с тёмной материей, а также нарушения CP-симметрии и вкусовые аномалии.

Использование бустированных техник и машинного обучения

С ростом энергии коллайдеров увеличивается вероятность рождения сильно бустированных объектов. Распады массивных частиц, таких как топ-кварк, W/Z, Хиггс, в этих случаях приводят к появлению одиночных “жирных” джетов (fat jets), содержащих субструктуру.

Применяются методы:

Jet substructure analysis — алгоритмы pruned, trimmed, soft drop, позволяющие вычленить сигнальные распады внутри одного джета.
Tau-tagging, b-tagging внутри джета — используются для идентификации лептофобных каналов.
Deep learning — нейросетевые методы для распознавания паттернов, невидимых в классических MVA; обучение на уровне треков, изображений калориметра и даже “raw hits”.

Роль и перспективы будущих коллайдеров

Пределы чувствительности БАКа при 13–14 ТэВ уже достигли стадии насыщения в ряде каналов. Перспективные проекты:

HL-LHC (High-Luminosity LHC) — увеличение светимости до 3000 fb⁻¹, что существенно расширит охват редких процессов, включая трибозонные и четырёхтоповые события.
FCC-hh (100 ТэВ) — возможность прямого производства тяжёлых BSM-объектов до масс ~40–50 ТэВ.
ILC, CLIC, muon collider — точные измерения, сенситивность к эффектам петлевых поправок от новой физики, выявление отклонений в купплингах.

Коллайдеры будущего позволят не только обнаружить новые резонансы, но и верифицировать структуру взаимодействий, включая проверку самосопряжённости бозона Хиггса, изучение эффективных операторов и конформных отклонений от СМ.

Глобальные подходы: EFT и глобальные подгоны

Помимо прямого поиска частиц, широко используется подход эффективной теории поля (SMEFT), в котором изучаются отклонения от СМ в рамках операторов размерности d > 4. Глобальные подгоны с использованием множества данных (от коллайдеров, флавор-физики, астрофизики) позволяют получить ограничения на коэффициенты этих операторов, что служит непрямым индикатором новой физики.

Особое значение имеет:

Глобальное объединение данных ATLAS + CMS
Совмещение с данными B-фабрик, LHCb и нейтринных экспериментов
Bayesian/likelihood-интерпретация параметров BSM-моделей

Современные методы включают Markov Chain Monte Carlo, nested sampling и машинное обучение для ускорения многомерного сканирования параметрических пространств.

Поиски новой физики на коллайдерах остаются краеугольным камнем современной экспериментальной физики. Несмотря на отсутствие ярких отклонений от СМ, наблюдается постоянное сужение допустимого пространства параметров BSM-моделей. Это требует всё более изощрённых методик анализа, новых подходов к реконструкции событий и скоординированных усилий между теоретиками и экспериментаторами.