В эксперименте CMS проводятся комплексные исследования физики топ-кварка. Коллаборация CMS недавно опубликовала новые результаты. Их обсуждение состоится на Научном семинаре ОЭФВЭ НИИЯФ МГУ 14.11.16 в 16.00 в аудитории 3-20 Лабораторного корпуса высоких энергий МГУ.
В эксперименте были проведены модельно-независимый поиск возможных отклонений от СМ во взаимодействии топ-кварка с W бозоном и b-кварком, поиск нейтральных токов, меняющих аромат кварков, и поиск дополнительного (гипотетического) векторного заряженного бозона, распадающегося в топ-кварк и b-кварк. Существование таких отклонений требуется различными современными теориями, расширяющими стандартную модель (СМ). Статистически значимых отклонений от предсказаний СМ не зарегистрировано, и найдены ограничения на параметры, характеризующие такие отклонения. Опубликованные результаты получены при непосредственном участии сотрудников Лаборатории электрослабых и новых взаимодействий Отдела экспериментальной физики высоких энергий НИИЯФ МГУ.
Основные результаты заключаются в том, что нейтральные токи, меняющие ароматы кварков (FCNC), сильно подавлены в рамках СМ (см. рисунок 1), речь идет о взаимодействии топ-кварка с c- или u-кварком через обмен электрически нейтральным бозоном Z, фотоном или глюоном.
Группа НИИЯФ МГУ концентрировалась на анализе процессов проходящих через обмен глюоном (t->gu, t->gc). Наиболее наглядно можно выразить полученные ограничения на такие взаимодействия через вероятности редких распадов топ-кварка.
На рисунке 1 представлены каналы таких распадов (указаны по оси ординат), текущие верхние ограничения полученные экспериментом CMS (точки) и теоретические предсказания СМ и различных ее расширений. Вероятности распадов указаны по оси абсцисс. Данные результаты были отмечены в ноябрьском номере журнала CERN Courier.
Рисунок 1. Редкие распады топ-кварка, связанные с нейтральными токами, меняющими аромат кварков
Топ-кварк почти со 100% вероятностью распадается в W бозон и b-кварк. Поэтому одно из главных направлений исследований связано с возможными отклонениями в характеристиках взаимодействия топ-кварка с W бозоном и b-кварком. Угловые характеристики и другие свойства такого взаимодействия четко предсказываются в СМ.
Были исследованы процессы электрослабого (одиночного) рождения топ-кварка, в этих процессах топ-кварк рождается и распадается через взаимодействие с W бозоном и b-кварком. Все возможные разрешенные отклонения были параметризованы и введены модельно-независимым образом в теорию. Созданы Байесовские нейронные сети, позволяющие наиболее четко выделить возможные отклонения. Проведен аккуратный статистический анализ формы получившихся распределений, учитывающий все возможные неопределенности измерений. Статистически достоверного проявления отклонений не выявлено, и установлены ограничения на параметры, характеризующие такие отклонения.
На рисунках 2 и 3 представлены контуры ограничений на параметры, характеризующие аномальные правые и левые токи тензорного типа (FRT, FLT) и правые токи векторного типа (FRV). СМ предсказывает нулевое значение этих параметров. Контуры показывают верхние ограничения на соответствующем уровне статистической достоверности (Confidence Level — CL) для наблюдаемого и ожидаемого уровня чувствительности к этим параметрам.
Рисунок 2. Ограничения на аномальные левые и правые токи тензорного типа во взаимодействии топ-кварка с W бозоном и b-кварком
Рисунок 3. Ограничения на аномальные правые токи векторного и тензорного типов во взаимодействии топ-кварка с W бозоном и b-кварком
Новая физика» может проявляться в существовании еще не открытых тяжелых частиц, в частности, если существует дополнительный векторный заряженный бозон (W'), то с большой вероятностью он будет распадаться на топ-кварк и b-кварк. В эксперименте CMS проведен поиск таких возможных процессов. Сигнала от дополнительного векторного бозона зарегистрировано не было, и найдены нижние ограничения на его возможную массу. На рисунке 4 приведены ограничения на сечение и массу W', а также теоретические предсказания для зависимости сечения такого процесса от массы W'.
Рисунок 4. Ограничения на сечение и массу дополнительного векторного заряженного бозона W', распадающегося на топ-кварк и b-кварк
БАК продолжает работать, и идет набор новых данных в эксперименте CMS. Группа НИИЯФ МГУ исследует получаемые данные и планирует дальнейшие публикации результатов по физике топ-кварка с увеличенной экспериментальной статистикой, более точными методами моделирования и применением современных статистических методов. Кафедра физики атомного ядра и квантовой теории столкновений Физического факультета МГУ является базовой для проводимых исследований, студенты кафедры могут непосредственно участвовать в работе всех экспериментальных коллабораций Большого адронного коллайдера.
Научные публикации:
1. Search for anomalous Wtb couplings and flavour-changing neutral currents in t-channel single top quark production in pp collisions at sqrt(s) = 7 and 8 TeV
CMS Collaboration Oct 11, 2016. 40 pp.
CMS-TOP-14-007, CERN-EP-2016-207
e-Print: arXiv:1610.03545
направленa в JHEP
2. Search for Wprime boson resonances decaying into a top quark and a bottom quark in the leptonic final state at sqrt(s)=13 TeV
CMS Collaboration. 2016.
CMS-PAS-B2G-16-017
3. Search for W′→tb in proton-proton collisions at s√= 8 TeV
CMS Collaboration Sep 20, 2015. 40 pp.
Published in JHEP 1602 (2016) 122
CMS-B2G-12-009, CERN-PH-EP-2015-231
DOI: 10.1007/JHEP02(2016)122
e-Print: arXiv:1509.06051
4. Modeling of anomalous Wtb interactions in single top quark events using subsidiary fields
E. Boos (SINP, Moscow), V. Bunichev, L. Dudko, M. Perfilov (Moscow State U.). Jul 2, 2016. 17 pp.
e-Print: arXiv:1607.00505 [hep-ph]
направленa в EPJC
5. New Physics search in the processes of the electroweak top quark production
Alexey Baskakov, Edward Boos, Vycheslav Bunichev, Mikhail Dubinin, Lev Dudko, Igor Myagkov, Maxim Perfilov, Georgy Vorotnikov (SINP, Moscow). 2016. 9 pp.
Published in EPJ Web Conf. 125 (2016) 02008
6. Методы измерения характеристик фоновых процессов на основе анализа экспериментальных данных в применении к анализу одиночного рождения топ-кварка в эксперименте CMS коллайдера LHC / Э. Э. Боос, Л. В. Дудко, А. А. Маркина, И.А. Мягков, М.А. Перфилов, А.А. Попов, Н.А. Цирова, И.А. Швецов // Ученые записки физического факультета МГУ. — 2012. — Т. 1. — С. 120108–1–120108–9.
7. Поиск аномальных связей во взаимодействии топ-кварка с W-бозоном и b-кварком, а также нейтральных токов, меняющих аромат кварков, в анализе данных эксперимента CMS / Э. Э. Боос, В. Е. Буничев, Г. А. Воротников, Л. В. Дудко, И.А. Мягков, М.А. Перфилов, А.А. Попов, Н.А. Цирова, И.А. Швецов // Ядерная физика. — 2016. — Т. 79, № 1. — С. 61–65.
8. Searches for anomalous coupling in top-quark interaction with the w boson and b quark, along with searches for quark-flavor-changing neutral currents, in an analysis of data from the CMS experiment / E. E. Boos, V. E. Bunichev, G. A. Vorotnikov et al. // Ядерная физика (Physics of Atomic Nuclei) Издательство "Наука-Интерпериодика". — 2016. — Vol. 79, no. 1. — P. 118–121.