Статус современного коллайдерного эксперимента

1. Статус современного коллайдерного эксперимента К.М. Белоцкий С.Г. Рубин М.Н. Стриханов

2. Рост энергии ускорителей e+e- pp, AA 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 500x500ГэВ)-?LEP (104.5x104.5 ГэВ) LHC (pp: 3.5x3.5 ТэВ 7x7 ТэВ, PbPb: 1.38x1.38ТэВ/N  2.76x2.76ТэВ/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) ? SSC УНК Tevatron LHC SppS ISR У-70 Ernest Lawrence’s first cyclotron (1931) 2

3. Коллайдерные эксперименты: основные направления исследований Явления, не описываемые Стандартной Моделью 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 • Поиск объяснений: • Барионная асимметрия. • Природа темной материи. • Проблема массынейтрино. • 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 4

5. Рождение антиядер на ускорителе Следствием образования КГП также является рождение ядер и антиядер примерно в равных количествах. Антипротон -1955 год на ускорителе протонов в Беркли Антидейтрон - 1965, Брукхейвен; Антигелий-3 - 1970, Серпухов, Антитритий - 1973, Серпухов, ? => Светимость в 103 раз выше! 5 STAR

6. Поиск бозона Хиггса LEP Tevatron На 08.2011 LHC исключил интервал: 141-476 m<130ГэВ LHC (08.2011) • m~120 ГэВ=> нестабильность вакуума при >~108ГэВ => НОВАЯ ФИЗИКА! • m>470 ГэВконстантасамодействия поля Хиггса ~1 и надо учитывать весь ряд теории возмущений ATLAS, CMS

7. Суперсимметричные частицы – претенденты на роль скрытой массы Поиск суперсимметрии – одно из решений проблемы темной материи Имитация события рождения pp2 с-кварка2 кварк (струи) + 2 нейтралино (потерянная энергия) струя Недостающая энергия • с-кварк • нейтралино струя 7 ATLAS, CMS

8. Поиск дополнительных измерений (1) – одно из решений проблемы темной материи Универсальные доп.измерения Мир на бране Рождение частиц Калуца-Клейна Процессы с участием КК-гравитонов Образование черных дыр струя P струя Недостающая энергия P струя струя ATLAS, CMS

9. Поиск дополнительных измерений (2) результаты ограничения на D-мерную массу Планка (MD),массы КК-частиц(КК-гравитон, КК-фотон, КК-глюон) мир на бране Поиск черных дыр Поиск нестабильного КК-фотона(ppqKKqKKKK KK+ETmiss): m(KK)=1/R>1,23 ТэВ Поиск КК-гравитона (ppGKKee,): m(GKK)>1,63 ТэВ Поиск квантовых черных дыр (ppQBH2 jets): MD>3.62 ТэВ(d=6) АТЛАС 9

10. Проблема барионной асимметрии: Суперсимметрия и дополнительные измерения – возможные решения проблемы Условия Сахарова • Нарушение барионного числа • Нарушение CP-четности • Нарушение равновесия LHCb Эксперименты по поиску нарушения барионного числа??

11. A lot accessible to the LHC At what Energy is the New Physics? from John ELLIS Космические лучи Dark matter Origin of mass 106

12. Перспективы коллайдеров Насколько далеко мы можем продвинуться по энергетической шкале? Космические лучи Eлаб=1020эВ …………………………………..1019ГэВ Eци=(2mEлаб,)1/2=106ГэВ Оставшийся энергетический интервал для исследования новой физики Вывод: безопасно исследовать 10-13 долю всего энергетического масштаба 12

13. Non vi, sed arti! Поиск новой физики без увеличения энергии • Увеличение светимости пучков • LHC (1034с-1см-2) SuperLHC, 2020…(1035с-1см-2) • Совершенствование детекторов • * калориметр с высоким разрешением • * Прецизионные измерения магнитного момента a=(g-2)/2 => • aэксп-aтеор=(2556349)10-11 • 3. Использование лептонных пучков • * более «чистый» источник информации 13

14. Есть ли надежда проверить всю энергетическую шкалу? Многомерная планковская шкала md P P d – ЧИСЛО ДОП.ИЗМЕРЕНИЙ Мы можем «почувствовать» доп. измерения, если их размер Универсальные доп.измерения Мир на бране Допустимые значения d-мерной массы Планка Допустимые значения d-мерной массы Планка ТэВ-ная гравитация 14

15. Заключение • Безопасный энергетический предел возможно будет достигнут • в обозримом будущем • Фундаментальные эффекты могут лежать вне достижимости • по энергиям. • Может потребоваться переориентация усилий на кардинальное • совершенствование 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 • Барионная асимметрия. • Природа темной материи Вселенной. • Проблема массынейтрино. 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» Поиск тяжелого майорановского нейтриноN на ускорителе ppZ’N+N+e,μ pp WRe+N+X Ne+q+q струя стуря ATLAS, CMS 21

22. Прочие исследования Сильные взаимодействия: жёсткие адронные реакции (q+g) пертурбативная КХД полужёсткие 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-ции спиновые структ.ф-ции Иcследование сверхслабых эффектов: Редкие распады b, bс=>новая физика (SUSY,…)(LHC) Осцилляции B0-мезонов (Данилов)

23. Действующие коллайдеры 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 500x500ГэВ) Прецизионные измерения наневысоких энергиях => поиск новой физики в N-м знаке после запятой pp Прямой поиск новой физикина максимальных энергиях LHC (3.5x3.5 ГэВ 7x7 ТэВ), RHIC (0.25x0.25 ТэВ) AA Поиск КГП RHIC (AuAu: 0.1x0.1 ТэВ/N, СuСu: 0.1x0.1 ТэВ/N), LHC (PbPb: 1.38x1.38ТэВ/N  2.76x2.76ТэВ/N)

24. Физика массы нейтрино (1) “See-saw” механизмгенерации массы нейтрино Дираковский член Майорановские члены Чтобы избежать проблемы с экспериментально-измеряемыми параметрами СМ при mD<<mR 24

25. 2. Progress of phenomenological approach ADD – Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali Effect of gravitation of brane in 4+d space-time is not taken into account. 3) ADD type models (or low energetic gravity). brane compact with the size R(can be not small) 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 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. For MPl~1 TeV we have d=1 is excluded, while d2 is allowed.

26. Ускорение в плазме (мечты) Диаграмма Ливингстона