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 21-12-00020
НазваниеПоиск новой физики вне Стандартной Модели через Хиггсовский сектор в рамках голографического подхода и эффективной теории поля
РуководительАфонин Сергей Сергеевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург
Период выполнения при поддержке РНФ | 2021 г. - 2023 г. |
Конкурс№55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-601 - Теория поля и теория гравитации
Ключевые словаФизика частиц вне Стандартной модели, составные частицы Хиггса, голографический подход
Код ГРНТИ29.05.49, 29.05.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Основная проблема, на решение которой направлен проект - это найти в явлениях, связанных с частицей Хиггса, указания на проявления новой физики вне Стандартной Модели, а также разработать новые динамические модели, описывающие эту новую физику. При этом основной упор планируется делать на анализе следствий возможной составной природы частицы Хиггса и существовании более тяжелых скалярных частиц с аналогичными свойствами.
Актуальность этих проблем диктуется необходимостью планирования будущих высокоточных экспериментов при столкновениях высоких энергий протонов и / или ядер на существующих коллайдерах, таких как Большой адронный коллайдер (LHC) и его улучшенный вариант (HighLum-LHC) в ЦЕРНе (Женева), а также на ускорителях нового поколения, таких как планируемая ILC, или даже проектов с энергиями 100 TeV, обсуждаемых в настоящее время.
Научная новизна задач, поставленных в проекте, заключается в исследовании новых составных состояний частиц для полей Хиггса и сильных секторов за пределами Стандартной Модели, возникающих при столкновениях протонов и тяжелых ионов сверхвысоких энергий, в рамках новых модельных подходов, не использовавшихся для этой цели прежде.
Основной практической задачей проекта является создание новой российской научной группы с широкими международными связями, занимающейся физикой частицы Хиггса в контексте поиска новой физики вне Стандартной Модели. Основным местом работы группы планируется Санкт-Петербургский государственный университет, Отдел теоретической физики, Лаборатория теории ядра и элементарных частиц.
Ожидаемые результаты
Среди наиболее важных ожидаемых результатов упомянем: голографический анализ возникающего спектра частиц в различных секторах нарушения сильно взаимодействующей электрослабой симметрии; разработка феноменологии резонансов в новых сценариях составных частиц Хиггса; анализ возможных указаний на новые сильные взаимодействия в многоТэВном диапазоне, проявляющие себя в ультрарелятивистских столкновениях на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе (обновленные идеи Расширенного техницвета); разработка новых механизмов возможного взаимодействия хиггсовского сектора с тёмной материей.
Ожидаемые результаты проекта важны как с теоретической точки зрения для более глубокого понимания структуры спектров частиц при очень высоких энергиях до 100 ТэВ, так и для прогнозирования новых физических явлений в физических программах на коллайдерах LHC, HighLumLHC, RHIC, NICA, FAIR в том числе и для проекта будущего коллайдера ILC. Планируется подготовить и представить основные результаты исследований на российских и международных конференциях, исследовательских семинарах в ведущих российских (ОИЯИ, Дубна) и международных центрах (ЦЕРН, Женева; BNL, США; GSI, Дармштадт), а также опубликовать основные результаты исследования в серии статей в ведущих международных журналах, таких как "Physics Letters B", "Journal of High Energy Physics",«European Physical Journal C», «Physical Review D» и в авторитетных российских журналах, таких как «Физика атомных ядер» и «Теоретическая и математическая физика».
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проведены теоретические исследования по развитию пятимерного «bottom-up» голографического подхода к описанию калибровочных теорий поля в режиме сильной связи с целью его адаптации к приложениям в хиггсовской физике.
Показано как в рамках голографических моделей для сильных взаимодействий, описывающих линейный реджевский спектр, низкоэнергетические требования на поведение векторных двухточечных корреляционных функций ведут к почти тем же численным предсказаниям на параметры спектра радиальных возбуждений, что и высокоэнергетические.
Информационные ресурсы:
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6471/abf2a1
https://arxiv.org/pdf/2006.14439.pdf
Разработана общая теория пятимерных голографических моделей, описывающих линейный реджевский спектр. Показано как многочисленные модели из этого класса, имеющиеся в обширной литературе, выводятся как частные случаи этой общей теории, подробно проанализированы связи между разными моделями. Развиты различные феноменологические приложения построенной теории, показывающие её предсказательную силу: вычисление электромагнитного формфактора пиона, расчёт линейно растущего потенциала конфаймента между тяжёлыми кварками, анализ нарушения киральной симметрии в спектрах адронов, сформулирован метод получения численного значения интерсепта радиальных реджевских траекторий с помощью наложения определённого условия, устраняющего нефизический безмассовый полюс в векторном корреляторе.
Информационные ресурсы:
https://arxiv.org/pdf/2106.01846.pdf
https://indico.cern.ch/event/1012633/contributions/4478287/attachments/2313834/3938408/en_Slides.pdf
Разработанная теория была применена для расчета линейного спектра масс мезонов из определенного условия разрыва замкнутой глюонной струны с помощью критерия конфайнмента Вильсона. Рассмотрены векторный и скалярный случаи, вычислены численные значения интерсептов соответствующих реджеподобных радиальных спектров мезонов. Получено хорошее согласие как с имеющимися экспериментальными данными, так и с некоторыми другими известными феноменологическими подходами. Показано, что условие разрыва замкнутой струны имеет две ветви, и предложено, что они должны соответствовать состояниям противоположной чётности. Тогда критерий конфаймента Вильсона приводит к естественному расщеплению масс между партнёрами по чётности. Построенная модель стала, таким образом, первым примером феноменологической голографической модели, в которой эффекты нарушения киральной симметрии появляются автоматически без каких-либо дополнительных предположений и модификаций.
Информационный ресурс:
https://arxiv.org/pdf/2112.00021.pdf
Было проанализировано включение пятимерных полей, дуальных операторам высших (произвольных) размерностей, в рамках двух наиболее популярных «bottom-up» голографических подходов к КХД – моделей с «жёсткой» (т.е., возникающей из ультрафиолетового обрезания) и «мягкой» (т.е., возникающей из дилатонного фона) стенками. Анализ делался для скалярного сектора, имеющего непосредственное отношение к хиггсовскому сектору Стандартной Модели. В обоих случаях операторы высших размерностей ведут к появлению более тяжёлых частиц, у которых квадрат массы пропорционален размерности соответствующего оператора. Вследствие этого, в первом случае происходит пролиферация состояний. Во втором случае, возникает специфическое вырождение, а именно оказывается, что каждое состояние от оператора высокой размерности в точности вырождено по массе с каким-то Калуца-Клейновским возбуждением (идентифицируемым как радиальное возбуждение в четырёхмерной теории) от операторов более низкой размерности. Однако, волновые функции таких вырожденных состояний получаются разными: число узлов тем меньше, чем больше размерность соответствующего оператора.
Информационный ресурс:
https://inspirehep.net/files/0dd3dd597a1a1a594adb52628fde871b
В рамках голографической модели составного Хиггса был исследован тип фазового перехода при нарушении симметрии в предполагаемом сильно связанном секторе вне Стандартной Модели. Показано, что в этой модели возможен фазовый переход первого рода, который может приводить к процессам нуклеации в ранней Вселенной. Процессы нуклеации, т.е. образование областей с различными фазами, приводят к локальному нарушению термодинамического равновесия, что является одним из условий Сахарова для образования избыточного числа барионов по сравнению с антибарионами. Модель потенциально способна описать наблюдаемую барионную асимметрию, если в неё включить определённым образом новые источники CP-нарушения.
Публикации
1. Афонин С.С,, Соломко, Т.Д. The case of equivalence of low and high energy constraints on Regge vector spectrum in AdS/QCD Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, 48 №6, 065003 (год публикации - 2021)
2. Афонин С.С. The effect of higher dimensional QCD operators on the spectroscopy of bottom-up holographic models Universe, 7 №4, 102 (год публикации - 2021)
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработана общая теория пятимерных голографических моделей, описывающих линейный реджевский спектр. Показано как многочисленные модели из этого класса, имеющиеся в обширной литературе, выводятся как частные случаи построенной общей схемы. Подробно проанализированы связи разработанного подхода с голографической КХД на световом фронте, со спектроскопическими предсказаниями дуальных венецианоподобных амплитуд и с экспериментальной феноменологией реджевских траекторий. Разработанный подход применен к голографическому исследованию конфайнмента, нарушения киральной симметрии и к вычислению электромагнитного форм-фактора пиона.
Информационные ресурсы:
https://link.springer.com/article/10.1140/epjc/s10052-022-10145-y
https://link.springer.com/article/10.1134/S1063779622020034
Выведен и проанализирован потенциал конфайнмента корнельского типа, включающий параметр, управляющий точкой пересечения линейного реджевского спектра, который входит в обобщённые голографические модели с мягкой стенкой. Анализ показал, что «линейный плюс кулоновский» потенциал конфайнмента, полученный в скалярном канале, количественно согласуется с феноменологией и компьютерным моделированием на решетках, в то время как в векторном канале согласие является только качественным.
Данный результат указывает на ключевую роль вакуумного скалярного сектора в формировании потенциала конфайнмента.
Информационные ресурсы:
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6471/ac8697
https://arxiv.org/pdf/2208.02604.pdf
https://indico.jinr.ru/event/3043/contributions/16803/attachments/12798/21450/QFTHEP2022.pdf
https://indico.cern.ch/event/1155041/contributions/5090393/attachments/2534097/4360816/Excited%20QCD%202022.pdf
Предложен новый способ получения струноподобного спектра масс. Способ основан на определенном условии для разрыва замкнутой глюонной струны. Была построена модель, успешно реализующая идею этого способа. Данная модель основана на использовании вильсоновского критерия конфаймента в рамках разработанных ранее обобщенных голографических моделей с мягкой стенкой. Предложенный подход был применен к векторному и скалярному случаю, в результате чего были получены численные предсказания на параметры пересечения радиальных реджевских траекторий для мезонных спектров, которые оказались в хорошем согласии с экспериментальными данными. Сформулированное условие на разрыв замкнутой глюонной струны имеет две ветви. Было аргументировано, что они соответствуют состояниям с противоположной четностью. Таким образом, вильсоновский критерий конфаймента приводит к естественному расщеплению по массам между партнерами по четности, которое предсказывается спонтанным нарушением киральной симметрии в КХД.
Информационные ресурсы:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269322003197?via%3Dihub
https://events.sinp.msu.ru/event/8/contributions/630/attachments/610/1043/Solomko_poster.pdf
Полученные результаты по условию разрыва струны в сильновзаимодействующей теории применены к голографическому моделированию гипотетического сильного сектора вне Стандартной Модели. В итоге был предложен новый голографический механизм генерации массы составной частицы Хиггса. Он предсказывает второй хиггсовский бозон с массой около 0.5 ТэВ.
Информационный ресурс:
https://arxiv.org/pdf/2211.07500.pdf
Предложено количественное объяснение аномалии в массе W-бозона, обнаруженной коллаборацией CDF на Теватроне в 2022 г. Эффект объяснен как электромагнитная поправка к массе, возникающая из спонтанно нарушенной дополнительной глобальной SU(2) симметрии на расстояниях гораздо меньших, чем масштаб нарушения стандартной электрослабой симметрии. При некоторых предположениях, получено аналитическое выражение для поправки исходя из эффективного однопетлевого потенциала Коулмена-Вайнберга в комбинации с правилами сумм Вайнберга.
Информационный ресурс:
https://www.mdpi.com/2218-1997/8/12/627
Сконструирована обобщённая сигма-модель, позволяющая описывать взаимодействия с локальным нарушением четности. Выведен ряд ограничений на константы взаимодействия скалярных частиц в этой модели. Модель протестирована на сильных взаимодействиях в условиях киральной среды с дисбалансом. Были внесены определённые модификации, отчасти адаптирующие рассмотренную модель к описанию хиггсовских скалярных частиц и с перспективой описания сильновзаимодействующего сектора вне Стандартной Модели.
Информационный ресурс:
http://www1.jinr.ru/Pepan/v-53-2/05_Andrian_r.pdf
Построена голографическая модель фазовых переходов, связанных с нарушением глобальной симметрии в техницветовом секторе, допускающая фазовый переход первого рода. Для этой модели исследована фазовая диаграмма. Вблизи точки исчезновения метастабильной фазы развита теория возмущений, позволяющая воспроизвести фазовую диаграмму, полученную в результате численных расчетов. Получена оценка для темпов нуклеации при соответствующем фазовом переходе в ранней вселенной.
Информационный ресурс:
https://arxiv.org/pdf/2209.02331.pdf
Раскрыто необходимое содержание видимого и темного секторов, расширяющих Стандартную Модель, которые должны устранить лидирующую расходимость в энергии вакуума. Выведено обобщенное условие Вельтмана, которое выполняется, если его дополнить квадратичными расходимостями через петли в портале между видимыми и темными бозонными полями. Максимальное число блоков темных бозонов Хиггса и сопутствующих им темных SU(2) X U(1) калибровочных бозонов оказалось равно пяти. В наиболее естественном и экономном варианте, получена следующая полная картина Стандартной Модели в электрослабом секторе: 6 лептонов и 6 кварков сопровождаются 6 бозонными секторами, в обычной Стандартной Модели реализуется только один из этих секторов.
Информационный ресурс:
https://arxiv.org/pdf/2212.06066.pdf
Публикации
1. Андрианов В.A., Андрианов А.А., Эсприю Д. КИРАЛЬНАЯ СРЕДА В ОБОБЩЕННОЙ ЛИНЕЙНОЙ СИГМА-МОДЕЛИ И КИРАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ВОЗМУЩЕНИЙ Физика элементарных частиц и атомного ядра, Физика элементарных частиц и атомного ядра 53 (2022) 2, 158 (год публикации - 2022)
2. Афонин С.С. W-boson mass anomaly as a manifestation of spontaneously broken additional SU(2) global symmetry on a new fundamental scale Universe, Universe 8 №12, 627 (2022) (год публикации - 2022)
3. Афонин С.С. Bottom-Up Holographic Approach to Meson Spectroscopy Физика элементарных частиц и атомного ядра, Физика элементарных частиц и атомного ядра 53 (2022) 2, 156 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1134/S1063779622020034
4. Афонин С.С., Соломко Т.Д. Towards a theory of bottom-up holographic models for linear Regge trajectories of light mesons European Physical Journal C, European Physical Journal C 82 (2022) 3, 195 (год публикации - 2022)
5. Афонин С.С., Соломко Т.Д. Cornell potential in generalized soft wall holographic model Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, Journal of Physics G49 №10, 105003 (2022) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1361-6471/ac8697
6. Афонин С.С., Соломко Т.Д. Gluon string breaking and meson spectrum in the holographic Soft Wall model Physics Letters B, Physics Letters B 831, 137185 (2022) (год публикации - 2022)
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Предполагая, что хиггсовский потенциал возникает из сильного сектора вне Стандартной Модели и что этот сектор находится в том же классе универсальности, что и непертурбативная квантовая хромодинамика, показано, что несколько модельных подходов к сильно-связанной квантово-полевой динамике (голографический подход, модель Намбу–Йона -Лазинио, спектральные правила сумм, сокращение квадратичной расходимости в энергии вакуума) указывают на возможное существование хиггсовоподобной скалярной частицы с массой около 0,5 ТэВ. Также предложено, что недавно наблюдавшийся на Большом адронном коллайдере резонанс H(650) можно интерпретировать как пороговый эффект, вызванный одновременным рождением стандартного бозона Хиггса и предсказанного второго бозона Хиггса.
Информационные ресурсы:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269323002162?via%3Dihub
https://arxiv.org/pdf/2306.16972.pdf
https://indico.ihep.ac.cn/event/18025/contributions/141781/attachments/74193/90930/Higgs%202023.pdf
На основе предыдущих наработок, опубликована серия из 9 статей по развитию голографического подхода к описанию квантовой теории поля в режиме сильной связи. Полученные результаты могут быть интересными для дальнейшего приложения к голографическому описанию сильного сектора вне Стандартной Модели.
Информационные ресурсы:
https://www.worldscientific.com/doi/epdf/10.1142/S0217751X23501221 https://arxiv.org/pdf/2303.04420.pdf
https://link.springer.com/article/10.1134/S1063779623060035
https://www.mdpi.com/2218-1997/9/3/114
https://www.actaphys.uj.edu.pl/fulltext?series=Sup&vol=16&aid=8-A3
https://link.springer.com/article/10.1134/S1063779623030036
https://link.springer.com/article/10.1134/S1547477123030032
https://link.springer.com/article/10.1134/S0040577923090039
https://link.springer.com/article/10.1134/S1063778823010027
https://link.springer.com/article/10.1134/S1063778823010039#Fig1
Построена голографическая модель составного бозона Хиггса, описывающая динамику фазовых переходов в ранней Вселенной. Изучена фазовая диаграмма модели и ее следствия для космологии ранней Вселенной. Получены оценки на рождение гравитационных волн на этапе нуклеации и показано, что соответствующий вклад в реликтовый гравитационный фон может быть обнаружен на будущих гравитационных телескопах космического базирования.
Информационный ресурс:
https://arxiv.org/pdf/2209.02331.pdf
Публикации
1. C.С. Афонин A second Higgs near 0.5 TeV from bottom-up holographic modeling of beyond the Standard Model strong sector Physics Letters B, 840 (2023) 137882 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.physletb.2023.137882
2. S.S. Afonin and T.D. Solomko Theory of holographic models for linear Regge trajectories and its applications Physics of Particles and Nuclei, 54, №3 (2023) 429 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063779623030036
3. О.О. Новиков, А.А. Шаврин Holographic model for the first order phase transition in the composite Higgs boson scenario Physical Review D, - (год публикации - 2023)
4. С.С. Афонин Ultraviolet regularization of energy of two static sources in the bottom-up holographic approach to strong interactions Theoretical and Mathematical Physics, 216 (2023) 1278 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S0040577923090039
5. С.С. Афонин, Т.Д. Соломко Confinement Potential from Holographic Approach to Strong Interactions Physics of Atomic Nuclei, 85, №6 (2022) 1071 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063778823010027
6. С.С. Афонин, Т.Д. Соломко The Regge Meson Spectrum from Holographic Wilson Confinement Criterion Physics of Atomic Nuclei, 85, №6 (2022) 1080 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063778823010039
7. С.С. Афонин, Т.Д. Соломко Confinement Potential in Soft Wall Holographic Approach to QCD Physics of Particles and Nuclei Letters, 20 №3 (2023) 314 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063778823010027
8. С.С. Афонин, Т.Д. Соломко On incorporation of heavy-quark mass into soft-wall holographic models International Journal of Modern Physics A, 38, № 22-23 (2023) 2350122 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1142/S0217751X23501221
9. С.С. Афонин, Т.Д. Соломко Motivations for the Soft Wall holographic approach to strong interactions Physics of Particles and Nuclei, 54, №6 (2023) 6 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063779623060035
10. С.С. Афонин, Т.Д. Соломко Confinement Potential in a Soft-Wall Holographic Model with a Hydrogen-like Spectrum Universe, 9, №3 (2023) 114 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/universe9030114
11. Т.Д. Соломко Cornell Potential from Soft Wall Holographic Approach to QCD Acta Physica Polonica B Proceedings Supplement, 16 (2023) 8-A3 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.5506/APhysPolBSupp.16.8-A3
12. - Предсказано существование второго бозона Хиггса Дайджест новостей Российского научного фонда, №2 2023г., стр. 6 (год публикации - )
13. - Второй бозон Хиггса? Science-digest, Новости науки, - (год публикации - )
14. - Существование второго бозона Хиггса предсказал российский учёный Российская академия наук, Новости, - (год публикации - )
15. - Существование второго бозона Хиггса предсказал российский учёный Поиск, Новости, - (год публикации - )
16. - Российский физик приблизился к разгадке тайны тёмной материи RuNews24, - (год публикации - )
17. - Частица №2: существование второго бозона Хиггса предсказал петербургский физик Наука.рф, - (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
не указано