1

Статус современного коллайдерного эксперимента

С.Г. РубинК.М. Белоцкий М.Н. Стриханов

1 9 5 0 2 0 0 0 2 0 5 0 2 1 0 01 0 2

1

1 0 2

1 0 4

1 0 6

1 0 2

1

1 0 2

1 0 4

1 0 6

в р е м я , го д

энер

гия,

ГэВ

2

Рост энергии ускорителей

LHCTevatron

Ernest Lawrence’s first cyclotron (1931)

?SSC

У-70

ISR

SppS

VEPP-2000 (1x1 ГэВ) VEPP-4M (6x6 ГэВ) CESR-C (6x6 ГэВ) BEPC-II (1.89x1.89 ГэВ) DAФNE (0.7x0.7 ГэВ) KEKB (8x3.5 ГэВ) ILC (250x250 ГэВ 500x500 ГэВ)-? LEP (104.5x104.5 ГэВ)

LHC (pp: 3.5x3.5 ТэВ 7x7 ТэВ, PbPb: 1.38x1.38 ТэВ/N 2.76x2.76 ТэВ/N) RHIC (pp: 0.25x0.25 ТэВ, AuAu: 0.1x0.1 ТэВ/N, СuСu: 0.1x0.1 ТэВ/N)Tevatron (p-anti{p} – 0.9x0.9ТэВ)

e+e- pp, AA

УНК

3

Коллайдерные эксперименты: основные направления исследований

Проверка Стандартной Модели• Механизм Хиггса – поиск бозона Хиггса

• Исследование свойств W и Z бозонов

• Сильные взаимодействия – феноменологические модели, решеточные вычисления

• Изучение кварк-глюонной материи• Изучение процессов рождения и распада тяжёлых кварков.• Изучение процесса адронизации партонов• Изучение фотон-адронных взаимодействий

Явления, не описываемые Стандартной Моделью

Поиск объяснений:1) Барионная асимметрия.

2) Природа темной материи.

3) Проблема массы нейтрино.

Проверка гипотез:• Суперсимметрия• Модели с большим количеством пространственных измерений• Теория суперструн• Теории с сильной гравитацией на масштабе

энергий порядка 1 ТэВ. Легкие черные дыры

• Тяжелые нейтрино• Преонные модели, модели с новыми типами

взаимодействия

4

Проверка КХД (Поиск КГП)

Струя с одной стороны и рассеянный вылет частиц с другой

STAR, ATLAS, ALICE

5

Рождение антиядер на ускорителе

STAR

Следствием образования КГП также является рождение ядер и антиядер примерно в равных количествах.

5Li ?=> Светимость в 103 раз выше!

Антипротон -1955 год на ускорителе протонов в Беркли

Антидейтрон - 1965, Брукхейвен;Антигелий-3 - 1970, Серпухов, Антитритий - 1973, Серпухов,

6

Поиск бозона ХиггсаLEP Tevatron

На 08.2011 LHC исключил интервал: 141-476

LHC (08.2011)

Þm~120 ГэВ => нестабильность вакуума при >~108 ГэВ => НОВАЯ ФИЗИКА!

Þm>470 ГэВ константа самодействия поля Хиггса ~1 и надо учитывать весь ряд теории возмущений

m<130 ГэВ

ATLAS, CMS

7

Суперсимметричные частицы – претенденты на роль скрытой массы

Имитация события рождения

pp2 с-кварка2 кварк (струи) + 2 нейтралино (потерянная энергия)

ATLAS, CMS

Поиск суперсимметрии – одно из решений проблемы темной материи

- с-кварк- нейтралин

о

Недостающая энергия

струя

струя

8

Поиск дополнительных измерений (1) – одно из решений проблемы темной материи

Мир на бранеУниверсальные доп.измерения

Образование черных дыр

PP

Процессы с участием КК-гравитонов

ATLAS, CMS

Рождение частиц Калуца-Клейна

Недостающая энергия

струя

струя

струя

струя

9

Поиск дополнительных измерений (2) результаты

ограничения на D-мерную массу Планка (MD), массы КК-частиц (КК-гравитон, КК-фотон, КК-глюон)

АТЛАС

мир

на

бран

е

Поиск черных дыр

Поиск нестабильного КК-фотона (ppqKKqKKKK KK+ETmiss):

m(KK)=1/R > 1,23 ТэВ

Поиск квантовых черных дыр (ppQBH2 jets):

MD>3.62 ТэВ (d=6)

Поиск КК-гравитона (ppGKKee,):

m(GKK) > 1,63 ТэВ

10

Проблема барионной асимметрии:Суперсимметрия и дополнительные измерения – возможные решения проблемы

LHCb

0B K 0B K

1) Нарушение барионного числа2) Нарушение CP-четности3) Нарушение равновесия

Условия Сахарова

Эксперименты по поиску нарушения барионного числа??

At what Energy is the New Physics?

A lot accessibleto the LHC

Dark matter

Origin of mass

from John ELLISКосмические лучи

106

12

Перспективы коллайдеровНасколько далеко мы можем продвинуться по энергетической шкале?

Вывод: безопасно исследовать 10-13 долю всего энергетического масштаба

Eлаб=1020эВ

Eци=(2mEлаб,)1/2=106ГэВ …………………………………..1019ГэВ

Оставшийся энергетический интервал для исследования новой физики

Космические лучи

13

Non vi, sed arti!

1. Увеличение светимости пучковLHC (1034 с-1см-2) SuperLHC, 2020… (1035 с-1см-2)

2. Совершенствование детекторов* калориметр с высоким разрешением

* Прецизионные измерения магнитного момента a=(g-2)/2 =>aэксп-aтеор= (2556349)10-11

3. Использование лептонных пучков* более «чистый» источник информации

Поиск новой физики без увеличения энергии

14

17 3 110 см (10 ГэВ)R

12 2dPl

d d

mmR

Многомерная планковская шкала md

Есть ли надежда проверить всю энергетическую шкалу?

Мир на бранеУниверсальные доп.измерения

0,2 ммR

Мы можем «почувствовать» доп. измерения, если их размер

d – ЧИСЛО ДОП.ИЗМЕРЕНИЙ

Допустимые значенияd-мерной массы Планка

Допустимые значенияd-мерной массы Планка

ТэВ-ная гравитация

P P

15

Заключение

• Безопасный энергетический предел возможно будет достигнут в обозримом будущем

• Фундаментальные эффекты могут лежать вне достижимостипо энергиям.

• Может потребоваться переориентация усилий на кардинальноесовершенствование детекторов

16

Спасибо

19

Коллайдерные эксперименты: основные направления исследований

Проверка Стандартной Модели

• Сильные взаимодействия – феноменологические модели, решеточные вычисления

• Механизм Хиггса – поиск бозона Хиггса

Явления, не описываемые Стандартной Моделью

1) Барионная асимметрия.2) Природа темной материи Вселенной.3) Проблема массы нейтрино.

Основные теоретические направления

• Суперсимметрия.• Дополнительные измерения.• Теория суперструн

20

Проблемы, решаемые на коллайдерах КХД:

• Изучение кварк-глюонной материи• Изучение процессов рождения и распада тяжёлых кварков.• Феноменология взаимодействий адронов • Изучение процесса адронизации партонов• Изучение фотон-адронных взаимодействий

Проверка модели электрослабых взаимодействий:

• Экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса• Исследование свойств W и Z бозонов

За рамками СМ:

• Поиск суперсимметрии• Модели с большим количеством пространственных измерений• Теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ. Легкие черные дыры• Поиск тяжелых нейтрино• Преонные модели• Модели с новыми типами взаимодействия

Стандартная Модель

21

Проверка природы массы нейтрино на ускорителе

Механизм «see-saw»

2 ~1ТэВRm M

1 ~0,01эВDD

R

mm mM

ppZ’N+N+e,μ

pp WRe+N+X

Ne+q+q

Поиск тяжелого майорановского нейтрино N на ускорителе

ATLAS, CMS

струя

стуря

Прочие исследования

Сильные взаимодействия:жёсткие адронные реакции (q+g)

пертурбативная КХДполужёсткие реакции (q+g+q+g+q+..)

непертурбативная КХД низкоэнергетические (мягкие) адронные реакции (h1+h2)

феноменология Редже исследование рождения {cc} (HERA, LHC,..)e+e-адроны (ВЭПП-2000) => g => новая физика (SUSY,…) адронизация

статические свойства адронов (h)m, Г, s, , C, P,..кварковые, глюонные структур.ф-цииспиновые структ.ф-ции

Иcследование сверхслабых эффектов:Редкие распады

b, bс => новая физика (SUSY,…) (LHC) Осцилляции B0-мезонов (Данилов)

Действующие коллайдеры

RHIC (AuAu: 0.1x0.1 ТэВ/N, СuСu: 0.1x0.1 ТэВ/N), LHC (PbPb: 1.38x1.38 ТэВ/N 2.76x2.76 ТэВ/N)

e+e-

VEPP-2000 (1x1 ГэВ), VEPP-4M (6x6 ГэВ), CESR-C (6x6 ГэВ), BEPC-II (1.89x1.89 ГэВ), DAФNE (0.7x0.7 ГэВ), KEKB (8x3.5 ГэВ),…? ILC (250x250 ГэВ 500x500 ГэВ)

pp

LHC (3.5x3.5 ГэВ 7x7 ТэВ), RHIC (0.25x0.25 ТэВ)

AA

Прецизионные измерения на невысоких энергиях => поиск новой физики в N-м знаке после запятой

Прямой поиск новой физики на максимальных энергиях

Поиск КГП

24

Физика массы нейтрино (1)

c c c cR R R R R L L L L Lm m

1 1 1 1 1 2 2 2 2 2( ) ( )c c c cmL m m

RlDR

D mmmmmmm 2

2

1 ,~

“See-saw” механизм генерации массы нейтрино

m D L R R LL m

Чтобы избежать проблемы с экспериментально-измеряемыми параметрами СМ

при mD<<mR

Дираковский член Майорановские члены

24

25

2. Progress of phenomenological approach3) ADD type models (or low energetic gravity).

dKM 4

Ordinary matter is considered to be captured on 4d brane (M4) of <<R width. Gravity, contrary to ordinary matter, propagates over all D=4+d space-time (M4xKd – “bulk”).

In this case the law of gravity has the form

RrrRM

mm

RrrM

mm

rVdd

Pl

ddPl

,1

,1

)(221

1221

brane compact with the size R (can be not small)

Effect of gravitation of brane in 4+d space-time is not taken into account.

ddPlPl RMm 22

Effective 4d Planck mass (mPl) can be much larger than true “bulk” Planck mass (MPl) and the last one can be as small as electroweak scale (~1TeV) provided large enough R. That is hierarchy problem of particle physics is re-formulated in terms of large extra dimensions.mm2.0 experRcm1010~~ 17/32

/21

dd

Pl

PlPl Mm

MR

For MPl~1 TeV we have

d=1 is excluded, while d2 is allowed.

1meV)2(0.1mm -

ADD – Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali

Диаграмма Ливингстона

Ускорение в плазме (мечты)