КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 14-22-00161
НазваниеТеория элементарных частиц за пределами Стандартной модели
РуководительРубаков Валерий Анатольевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2017 г. - 2018 г. |
Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований коллективами существующих научных лабораторий (кафедр)».
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-101 - Физика элементарных частиц
Ключевые словафизика элементарных частиц, теории за пределами Стандартной модели, космология, темная материя, суперсимметрия, нейтрино, инфляция, солитоны
Код ГРНТИ29.05.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Данный проект направлен на решение фундаментальных проблем физики элементарных частиц и связанных с ними проблем астрофизики и космологии. Стоит отметить огромный успех в этой области, связанный с открытиями последних лет, такими как, например, экспериментальное обнаружение бозона Браута—Энглера—Хиггса, открытие нейтринных осцилляций, повышение точности измерения спектра анизотропии и поляризации реликтового излучения, открытие гравитационных волн. Тем не менее, в настоящий момент можно с уверенностью утверждать, что Стандартная модель (СМ) физики частиц не полна. Однако, вопрос о том, какая теория должная прийти ей на смену, пока остается открытым. Поиск ответа на этот вопрос требует от теоретиков непрерывной работы, связанной с построением новых теорий и моделей, обнаружением, на основе теоретического анализа, новых процессов и явлений, допускающих экспериментальное подтверждение таких теорий на действующих и планируемых экспериментальных установках, определение областей пространства параметров, оставшихся разрешенными после работы многочисленных экспериментов последних лет.
Коллектив планирует внести весомый вклад в решение задач поиска новых элементарных частиц. Будут получены новые ограничения на параметры моделей за рамками СМ, предсказывающих существование новых нейтральных частиц, на основе анализа имеющихся на сегодняшний день экспериментальных данных. В подклассах моделей, где такие частицы служат кандидатами на роль частиц темной материи, будут получены ограничения на их параметры из экспериментов по прямой и косвенной регистрации темной материи, а также из данных астрофизических наблюдений. Задача поиска сигнатур процессов за рамками СМ требует повышения точности теоретических расчетов таких процессов. Прецизионные расчеты необходимы также для уточнения с их помощью параметров СМ, в том числе нейтринного сектора. В рамках данного исследования предлагается разработать и развить методы расчета сечений и структурных функций, в том числе в реакциях взаимодействия заряженных лептонов и нейтрино с нуклонами и ядрами, применить результаты для анализа и интерпретации экспериментальных данных. Составной частью этой работы является совершенствование методов расчета партонных распределений в ядрах, включая анализ различных ядерных процессов с большими передачами энергии-импульса. Другим важным направлением намеченных исследования является построение моделей ранней Вселенной, механизмов генерации первичных возмущений плотности вещества, сценариев генерации барионной асимметрии, механизмов рождения частиц темной материи и разогрева Вселенной. Особое внимание планируется уделить совершенно новым наблюдаемым, возникающим в свете последних открытий, таких как экспериментальное детектирование гравитационных волн.
Ожидаемые результаты
Проект 2017 направлен на развитие теорий и моделей физики частиц и космологии, исследование их феноменологических свойств с учетом информации, накопленной коллективом за время реализации Проекта 2014, последних экспериментальных данных, а также с использованием разработанных коллективом методов квантовой теории поля, в том числе вне рамок теории возмущений. Коллективом запланировано решить большое число задач. В частности, планируется более глубоко изучить различные суперсимметричные расширения СМ, влияние новых частиц на физику бозона Хиггса, на сечение его образования в протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере, а также возможный вклад в вероятность некоторых флейвор-нарушающих процессов. Будут получены ограничения на параметры таких моделей из астрофизических измерений поляризации фотонов от гамма всплесков, проходящих через космическое магнитное поле. В этих же моделях планируется исследовать феноменологию кандидатов на роль темной материи, а также вычислить амплитуду и спектр гравитационных волн, рожденных во время космологического фазового перехода первого рода, на котором основан бариогенезис в некоторых космологических моделях. Будут развиты методы расчета сечений и структурных функций в реакциях взаимодействия заряженных лептонов и нейтрино с нуклонами и ядрами. Результаты будут применены для анализа и интерпретации экспериментальных данных.
Важным направлением исследований Проекта 2017 является развитие моделей ранней и поздней Вселенной, моделей темной материи. Особое внимание будет уделено исследованию моделей, в которых частицы темной материи могут аннигилировать или распадаться. Планируется рассмотреть космологические механизмы генерации первичных возмущений плотности вещества, альтернативные инфляционному, основанные на конформной или галилеевой симметрии, исследовать в них возможные сценарии генерации барионной асимметрии, а также механизмы разогрева. В рамках данного проекта планируется более детально изучить возможные стадии эволюции Вселенной, на протяжении которых заметную долю плотности энергии составляет конденсат скалярных частиц (инфлатонного поля после инфляции, сверхлегкого поля в моделях темной материи и т.д.), способный образовать нелинейные солитоноподобные объекты (Q-шары, осциллоны, Бозе-звезды, пузыри новой фазы и т.д.). Планируется найти и изучить возможные экспериментально наблюдаемые следствия существования таких стадии (гравитационные волны, производство энтропии и т.д.).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Исследования коллектива гранта в 2017 г. были направлены на построение и изучение моделей за пределами Стандартной модели (СМ) физики элементарных частиц, а также моделей ранней Вселенной, описывающих механизм образования темной материи, барионной асимметрии и первичных возмущений плотности вещества. На основе теоретического анализа были выявлены характерные для построенных моделей процессы и явления (сигнатуры), с помощью которых можно было бы проверить эти модели в экспериментах. В результате проведенного анализа получены ограничения на параметры суперсимметричной модели с легким сектором голдстино, темным фотоном, нарушением Лоренц-инвариатности, аксионом, модели с распадающейся темной материей в разном диапазоне масс частиц. Сформулированы предсказания построенных моделей для будущих экспериментов.
Важной составляющей проекта является развитие методов квантовой теории поля, квазиклассических методов, теории симметрии и интегрируемости, с целью их применения к построению новых моделей физики элементарных частиц и космологии, а также описанию явлений вне рамок теории возмущений. В 2017 г. была исследована слабо связанная модель (1+1)-мерной дилатонной гравитации, причинная структура данной модели максимально похожа на структуру сферически-симметрического сектора общей теории относительности. Проведено квазиклассическое вычисление экспоненты подавления вероятности электрослабых переходов с нарушением барионного числа в столкновениях частиц на коллайдерах. Разработан метод получения низкоэнергетического эффективного действия для быстро осциллирующих классических конфигураций скалярного поля большого размера, таких как Q-шары, осциллоны, Бозе звезды. Ряд интересных с точки зрения космологии решений был получен в расширенной теории гравитации Хорндески, а также в теории гравитации Пуанкаре. Установлен физический смысл Набу-Голдстоуновских полей при спонтанном нарушении пространственно-временных симметрий на примере конформной симметрии.
Публикации
1. Алехин С.И., Кулагин С.А., Петти Р. Nuclear Effects in the Deuteron and Constraints on the d/u Ratio PHYSICAL REVIEW D, 96 (2017) no.5, 054005 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.96.054005
2. Горбунов Д.С., Токарева А.А. No cosmic rays from curvature oscillations during structure formation in F(R) gravity PHYSICAL REVIEW D, Phys. Rev. D 96, 103527 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.96.103527
3. Горбунов Д.С., Токарева А.А. On the dark radiation problem in the axiverse JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, JCAP 1706 (2017) no.06, 016 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1475-7516/2017/06/016
4. Демидов С.В., Соболев И.В. Missing energy signature for low scale supersymmetry breaking EPJ Web Conf., 158 (2017) 02008 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1051/epjconf/201715802008
5. Евсеев О.А., Меличев О.И. Instability of static semiclosed worlds in generalized Galileon theories PHYSICAL REVIEW D, 96 (2017) no.2, 024030 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.96.024030
6. Калашев О.Е., Кузнецов М.Ю. Heavy decaying dark matter and large-scale anisotropy of high-energy cosmic rays JETP Lett., 106(2):73-80 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S0021364017140016
7. Катаев А.Л., Молокоедов, В.С. The analytical O(a^4_s) expression for the polarized Bjorken sum rule in the miniMOM scheme and the consequences for the generalized Crewther relation, Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2018)
8. Колеватов Р.С., Миронов С.А., Сухов Н.Д., Волкова В.Е. Cosmological bounce and Genesis beyond Horndeski JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 1708 (2017) no.08, 038 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1475-7516/2017/08/038
9. Мракулин А.О., Сибиряков С.М. Supersymmetric models with broken Lorentz invariance EPJ Web Conf., 158, 02011, 2017 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1051/epjconf/201715802011
10. Никифорова В.В. The stability of self-accelerating Universe in modified gravity with dynamical torsion INTERNATIONAL JOURNAL OF MODERN PHYSICS A, 32 (2017) no.23n24, 1750137 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1142/S0217751X17501378
11. Рубаков В.А. Cosmology CERN Yellow Reports: School Proceedings, Proceedings of the 2014 Asia–Europe–Pacific School of High-Energy Physics, Puri, India, 4 – 17 November 2014, edited by M. Mulders and R. Godbole, CERN Yellow Reports: School Proceedings, Vol. 2/2017, CERN-2017-005-SP (год публикации - 2017) https://doi.org/10.23730/CYRSP-2017-002
12. Фиткевич М.Д., Левков Д.Г., Зенкевич Е.А. Exact solutions and critical chaos in dilaton gravity with a boundary JOURNAL OF HIGH ENERGY PHYSICS, JHEP 1704 (2017) 108 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1007/JHEP04(2017)108
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В 2018 г. научным коллективом был рассмотрен широкий круг моделей физики элементарных частиц, исследованы возможности поиска процессов и явлений (сигнатур), характерных для этих моделей, в современных экспериментах. В результате проведенного анализа получены ограничения на параметры моделей с темным фотоном, взаимодействующим с заряженными частицами Стандартной Модели, а также модели квантовой электродинамики с нарушенной Лоренц-инвариантностью. В рамках данного исследования коллективом разработана комбинированная модель структурных функций протона и нейтрона, учитывающая возбуждения нуклонных резонансов и глубоконеупругое рассеяние. Модель применена для вычисления неупругих структурных функций легких ядер и для анализа экспериментальных данных по структурным функциям дейтрона, гелия-3 и трития, полученных на электронном ускорителя Jlab.
Важной составляющей проекта является развитие методов квантовой теории поля, квазиклассических методов, методов основанных на теории симметрии и интегрируемости, вычисления с их помощью различных характеристик процессов, важных для проверки моделей в экспериментах. Так, с помощью разработанного квазиклассического метода была вычислена экспонента подавления электрослабого нарушения барионного числа, возникающего в результате столкновения большого начального числа частиц. Показано, что применение метода инвариантных зарядов позволяет продемонстрировать, что ряд теории возмущений КХД для соотношения между связью полюсных и бегущих масс с- и b-кварка проявляют свою асимптотическую природу начиная с трех и четырех-петлевого приближения соответственно. Сформулирован общий критерий выделения физических намбу-голдстоуновских мод при спонтанном нарушении произвольной пространственно-временной группы симметрий. Исследован обратный эффекта Хиггса, дано математическое обоснование его применимости в случае спонтанного нарушения конформной инвариантности, а также предложено его обобщение. Установлена количественная связь между параметрами высокоэнергетической модели, определяющими асимптотику формфактора пионоподобного мезона (калибровочная константа связи и распадная константа мезона), и эффективной инфракрасной теории. Были получены соотношения между калибровочной константой, распадной константой и зарядовым радиусом пионоподобного состояния, справедливые для различных сильносвязанных калибровочных теорий. Получены квазиклассические решения, описывающие образование и испарение квантовых черных дыр в дилатонной гравитации с границей. Продемонстрировано видимое нарушение унитарности на этих решениях. Это говорит либо о неприменимости квазиклассического метода среднего поля, либо о несовместности модели.
В части исследований, посвященных астрофизике и космологии, коллективом были построены модели инфляции на поле Хиггса и Хиггс-дилатонной инфляции, в которых масштаб сильной связи является величиной порядка массы Планка. Построена модель со спонтанным нарушением масштабной инвариантности, в которой КХД аксион возникает без добавления новых тяжелых частиц. Показано, что модель вторичного излучения не описывает наблюдаемый поток гамма-излучения с энергией около ТэВ от блазара PG 1553+113. Построена модель внегалактического фонового излучения (ВФИ), удовлетворяющая всем известным экспериментальным данным. С помощью нее получены ограничения на астрофизические параметры, включая параметры гигантских молекулярных облаков, параметры начальной массовой функции и нормировку скорости звездообразования. Из данных наблюдений радиоисточника Sgr A* в центре Галактики получены ограничения на его собственное движение, что позволило установить ограничение снизу на его массу. Получены модельно-независимые ограничения на сценарии с новыми частицами и взаимодействиями, объясняющие различие данных о внутреннем строении Солнца, полученных с помощью нейтрино и с помощью гелиосейсмологии, с информацией о химическом составе внешних слоев Солнца (solar abundances problem). Получены различные решения в теории гравитации Хорндески, а также модифицированной теории Хорндески, представляющие интерес для построения космологических моделей ранней Вселенной.
Публикации
1. Астапов К., Сатунин П., Кирпичников Д. Photon splitting bound on Lorentz Violation in QED from multi-TeV photon observation EPJ Web of Conferences, EPJ Web Conf. 191, 02020 (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1051/epjconf/201819102020
2. Гаркуша А.В., Катаев А.Л., Молокоедов В.С. Renormalization scheme and gauge (in)dependence of the generalized Crewther relation: what are the real grounds of the $\beta$-factorization property? Journal of High Energy Physics, JHEP 1802 (2018) 161 (год публикации - 2018)
3. Горбунов Д., Токарева А. Scalaron the healer: removing the strong-coupling in the Higgs- and Higgs-dilaton inflations Physics Letters B, Phys.Lett. B788 (2019) 37-41 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.physletb.2018.11.015
4. Гриненко С.Н., Кирпичников Д.В., Кирсанов М.М., Красников Н.В. The exact tree-level calculation of the dark photon production in high-energy electron scattering at the CERN SPS Physics Letters B, Phys. Lett. B 782, 406 (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.physletb.2018.05.010
5. Демидов С.В., Фархтдинов Б.Р. Numerical study of multiparticle scattering in phi4 theory Journal of High Energy Physics, JHEP 1811 (2018) 068 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1007/JHEP11(2018)068
6. Демидов С.В., Фархтдинов Б.Р. Constraints on multiparticle production in scalar field theory from classical simulations EPJ Web of Conferences, EPJ Web of Conferences 191, 02021 (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1051/epjconf/201819102021
7. Евсеев О.А., Меличев О.И. No static spherically symmetric wormholes in Horndeski theory Physical Review D, Phys. Rev. D 97, 124040 (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.97.124040
8. Катаев А.Л., Молокоедов В.С. On the relation between pole and running heavy quark masses beyond the four-loop approximation EPJ Web of Conferences, EPJ Web Conf. 191 (2018) 04005 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1051/epjconf/201819104005
9. Корочкин А.А., Рубцов Г.И. Constraining the star formation rate with the extragalactic background light Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS 481, 1, 557–565 (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1093/mnras/sty2144
10. Миронов С., Рубаков В., Волкова В. Bounce beyond Horndeski with GR asymptotics and γ-crossing Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, JCAP 1810 (2018) no.10, 050 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/1475-7516/2018/10/050
11. Миронов С., Рубаков В., Волкова В. Towards wormhole beyond Horndeski EPJ Web of Conferences, EPJ Web Conf. 191 (2018) 07014 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1051/epjconf/201819107014
12. Никифорова В., Дамур Т. Infrared modified gravity with propagating torsion: instability of torsionfull de Sitter-like solutions Physical Review D, Phys. Rev. D 97, no. 12, 124014 (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.97.124014
13. Сатунин П. One loop correction to the photon velocity in Lorentz violating QED Physical Review D, Phys. Rev. D 97, 125016 (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.97.125016
14. Токарева А. A minimal scale invariant axion solution to the strong CP-problem The European Physical Journal C, Eur. Phys.J.C 78 no. 5, 423 (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-018-5883-0
15. Троицкий С., Троицкий В. Linking infrared and ultraviolet parameters of pion-like states in strongly coupled gauge theories The European Physical Journal C, Eur.Phys.J. C78 (2018) no.11, 899 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-018-6389-5
16. Фиткевич М. Failure of mean-field approximation in weakly coupled dilaton gravity EPJ Web of Conferences, EPJ Web Conf., 191, 2018, 07004 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1051/epjconf/201819107004
17. Харук И. Coset space construction for the conformal group Physical Review D, Phys. Rev. D 98 (2018), 025006 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.025006
18. Харук И. On the Application of the Method of Induced Representations to the Conformal Group Physics of Particles and Nuclei, Phys. Part. Nuclei (2018) 49: 969. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S1063779618050246
19. Хирук И., Шкерин А. On massive Nambu-Goldstone fields EPJ Web of Conferences, EPJ Web Conf. 191 (2018), 06012 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1051/epjconf/201819106012
20. Чудайкин А., Горбунов Д., Ткачев И. Dark matter component decaying after recombination: Sensitivity to baryon acoustic oscillation and redshift space distortion probes Physical Review D, Phys. Rev. D 97 (2018) 083508 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.97.083508
21. - Свет первых звезд помог раскрыть тайны самых больших "звездных яслей" РИА новости, - (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
не указано