Спиновые эффекты в процессах рождения t-кварка на будущих коллайдерах. 
Создание полной цепочки Монте-Карло моделирования для феноменологических исследований на основе программы CompHEP

Одной из основных задач современной физики элементарных частиц является проверка и анализ предсказаний Стандартной Модели (СМ). В настоящее время СМ находится в хорошем согласии с экспериментом. Открытие в 1995 г. на коллайдере Теватрон (ФНАЛ, США) t-кварка в сильных взаимодействиях завершает целостную картину фермионов 3-го поколения и является знаменательным подтверждением успеха СМ.

Две составные части Стандартной Модели — электрослабая модель и квантовая хромодинамика (КХД) — представляют собой калибровочные теории взаимодействия элементарных частиц и описывают феноменологию этих взаимодействий вплоть до масштабов в несколько сотен ГэВ. Однако существует ряд открытых вопросов, говорящих о том, что СМ не может быть признана окончательной теорией. Основные компоненты материи — кварки и лептоны — имеют различные массы, спектр которых не может быть предсказан в рамках СМ. Кварки и лептоны группируются в 3 поколения, и СМ не может дать ответ о причине существования именно такого числа поколений фермионов. Серьезный вопрос вызывает и хиггсовский сектор. Скалярный хиггсовский бозон необходим в калибровочной теории для того, чтобы Wи Z-бозоны стали массивными, а фермионы приобрели массы через юкавские константы связи, вводимые в теорию, как свободные параметры. Масса хиггсовско-го бозона не определена в теории, причем эта частица еще не найдена. Константы электрослабых и сильных взаимодействий не связаны друг с другом, что говорит о возможном существовании более фундаментальной теории, объединяющей КХД и электрослабые взаимодействия. Массы кварков и лептонов, параметры матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы, параметры хиггсовского потенциала и константы связи калибровочных полей составляют 25 параметров, которые не определяются СМ. Непонятна причина большой разницы в массах фермионов и большая масса t-кварка (mt = 175 ГэВ). t-кварк является тяжелым и точечным объектом одновременно. Это свойство очень необычно. Таким образом СМ не полна на концептуальном уровне и это говорит о том, что еще предстоит открыть более фундаментальную теорию, описывающую физические взаимодействия. Создаваемые и существующие коллайдеры с энергией 1 ч-10 ТэВ призваны дать ответ о границах применимости СМ и о том какая «новая» физика может лежать за ее пределами.

Многие исследователи полагают, что именно изучение свойств t-кварка может быть тем местом в СМ, где отклонения от ее предсказаний могут проявиться в первую очередь. Изучение электрослабого, одиночного рождения t-кварка предоставляет в этом плане уникальные возможности. Основная тема представляемой диссертации описать результаты автора в изучении потенциальных возможностей современных и будущих коллайдеров по изучению процессов рождения t-кварка в электрослабом взаимодействии в СМ и исследованию применения спиновых свойств t-кварка при изучении возможных суперсимметричных расширений СМ. Вторая тема диссертации — описание разрабатываемых автором необходимых инструментов в феноменологических исследованиях методом Монте-Карло в физике высоких энергий.

Диссертация начинается с Введения, в котором обосновывается актуальность работы и дается краткий обзор диссертации.

В главе 1 исследовано спиновое состояние t-кварка в tW-процессе одиночного рождения на адронном коллайдере LHC. Найдена степень поляризации t-кварка при рождении в этом процессе, равная примерно 24%. Также разработан метод повышения поляризации t-кварка в образцах событий с помощью применения дополнительных обрезаний по некоторым кинематическим переменным, что увеличивает степень поляризации до 80%. Надено простое физическое объяснение известному результату о направлении спина t-кварка при рождении в Wtb-вершине. Результаты опубликованы в работе [1].

Во второй главе Изучены спиновые свойства t-кварка в процессах парного рождения суперсимметричных партнеров кварков 3-го поколения и t на е+е~ коллай-дерах: е~е+ —> bj>x —> &i + tx 1 и е~е+ —> Mi —"¦ 11 + txПоказано, что в этих процессах измерение поляризации t-кварка позволяет получить значения параметра tg /3 (даже в сценариях с большим значением tg 0) и трилинейных констант связи At и Ль с высокой точностью. Приведенный анализ опубликован в работе [2].

В третьей главе Разработан метод эффективного NLO-приближения, моделирования событий одиночного рождения t-кварков, позволяющий учитывать первую поправку теории возмущений без появления событий с отрицательными весами и без двойного учета мягкой области по поперечному импульсу b-кварка. Метод реализован в Монте-Карло генераторе «SingleTop». Программа «SingleTop» позволяет моделировать события рождения t-кварка с учетом спиновых корреляций t-кварка, конечных ширин W-бозона и t-кварка и аномальных вкладов в вершины с участием t-кварка. Результаты опубликованы в работе [3],.

В четвертой главе описаны разработанные автором новые опции пакета вычислений СотрНЕР, библиотеки-интерфейса CPYTH между программами СотрНЕР и PYTHIA, база MCDB для хранения образцов, созданных методом Монте-Карло. MCDB является Web-сервером и использует СУБД (первые варианты MCDB построены на хеш-таблицах, а более современные весии — СУБД MySQL). Единицей информации в MCDB является файл с событиями. Описание событий, хранищихся в файле, доступно в виде html документа, а сами файлы хранятся на дисках и лентах. На данный момент MCDB применяют в своей работе коллаборации Б0(Теватрон) и CMS (CERN). Новая версия MCDB разрабатывается коллаборацией LCG для кол-лабораций коллайдера LHC. Программы СотрНЕР, CPYTH и база данных MCDB представляют полную цепочку моделирования в феноменологических исследованиях в физике высоких энергий. Результаты, касающиеся разработанного програмного обеспечения, опубликованы в работах [4, 5, 6, 7].

В последней пятой главе, как пример использования программ цепочки из главы 4, исследован процесс рождения мюонной пары вместе со струей в столкновениях ионов свинца РЬ, РЬ —* + j на коллайдере LHC. Вычислено его сечение и созданы необходимые образцы событий. Изучены корреляции между парой мюо-нов и струей (и лидирующей частицей из струи). Показано, что потери партонной энергии в кварк-глюонной плазме могут приводить к значительному Pj-дисбалансу, разнице между PT (jj,+fi~) и Ет{з), и сдвигу его среднего и максимального значений. Результаты опубликованы в работе [8].

В приложении 1 кратко изложен метод расчета матричных элементов для поляризованных тяжелых фермионов с произвольным направленным вектором спина.

В приложении 2 собрана необходимая информация по расчетам массового спектра частиц в суперсимметричном расширении Стандартной Модели, способы измерения масс скварков и угловсмешивания и расчету поляризации t-кварка в процессах, изученных в главе 2.

Заключение

.

Сформулируем основные результаты, полученные в диссертации и представляемые к защите:

1. Изучены спиновые свойства t-кварка в ^И^-процессе одиночного рождения на адронных коллайдерах. Показано, что t-кварк при рождении в iVK-процессе имеет степень поляризации примерно 24%. Найден метод повышения поляризации t-кварка в образцах событий посредством наложения дополнительных обрезаний по кинематическим переменным, что увеличивает степень поляризации до 80%.

2. Изучены спиновые свойства t-кварка в процессах парного рождения суперсимметричных партнеров кварков 3-го поколения Ь и t на е+е~ коллайдерах: е~е+ —> 6161 —> bi + txi и е~е+ —* tt —> t + txiПоказано, что в этих процессах измерение поляризации t-кварка позволяет получить значения параметра tg /3 (даже в сценариях с большим значением tg (3) и трилинейных констант связи At и Аь с высокой точностью.

3. Разработан метод моделирования событий одиночного рождения t-кварков, позволяющий эффективно учитывать NLO поправки теории возмущений без появления событий с отрицательными весами и без двойного учета мягкой области по поперечному импульсу b-кварка. Метод реализован в Монте-Карло генераторе «SingleTop». Программа «SingleTop» позволяет моделировать события рождения t-кварка с учетом спиновых корреляций t-кварка, конечных ширин.

W-бозона и t-кварка и аномальных вкладов в вершины с участием t-кварка.

4. В пакете символьных и численных расчетов CompHEP реализованы концепция начальных пучков и расширяемый формат записи файлов событий, создан пакетный режим запуска вычислений, существенно усовершенствована реализация комбинаторики кварковых ароматов. Создана новая версия интерфейсного пакета CPYTH между программами CompHEP и PYTHIA для нового формата файлов событий.

5. Разработана концепция базы данных MCDB для хранения образцов Монте-Карло событий. База данных основана на Web-технологиях и реляционной системе управления базами данных MySQL (старые версии MCDB основаны на хеш-таблицах). На данный момент MCDB используется коллаборациями О0(Теватрон) и CMS (CERN). Новая версия MCDB, описанная в диссертации, разрабатывается коллаборацией LCG для коллабораций коллайдера LHC. Программы CompHEP, CPYTH и базы MCDB представляют полную цепочку для исследований в физике высоких энергий при использовании Монте-Карло событий.

6. Как пример использования программного обеспечения, описанного выше, исследован процесс рождения мюонной пары вместе со струей в столкновениях ионов свинца РЬ, РЬ —> + j на коллайдере LHC. Вычислено его сечение и созданы соответствующие образцы событий. Изучены корреляции между парой мюонов и струей (и лидирующей частицей струи). Показано, что потери партонной энергии в кварк-глюонной плазме могут приводить к значительному размыванию распределения разницы Рт ({л+^~) и Ет{]) и сдвигу среднего и максимального значений распределения.

Благодарности.

Я искренне благодарен моим научным руководителям Эдуарду Эрнстовичу Боосу и Льву Владимировичу Дудко за постановку интересных задач, постоянную помощь и поддержку во время выполнения работы и написания диссертации.

Глубокую благодарность я хотел бы выразить всем, кто помогал мне в Институте Ядерной Физики МГУ, особенно хотелось бы поблагодарить за постоянную помощь Вячеслава Анатольевича Ильина, Виктора Ивановича Саврина, Наталью Андреевну Сотникову, Михаила Николаевича Дубинина, Игоря Петровича Лохтина, Александра Махайловича Снигирева и многих других сотрудников института.

Также хочу выразить благодарность за помощь коллегам-соавторам опубликованных работ, послуживших базой для написания диссертации,.

Я благодарен коллаборациям CMS и LCG за гостеприимство во время пребывания в CERN и за предоставленную возможность участвовать в работе коллабораций.

Также благодарю за финансовую поддержку моей работы ОТФВЭ НИИЯФ МГУ, лабораторию CERN, фонды INTAS и РФФИ.