Нарушение CP инвариантности в моделях с расширенным сектором Хиггса

(исследовательская работа представлена для Самарского областного интернет-конкурса Ахметзяновой Эльзой, студенткой 5 курса физического факультета СамГУ)

1. Постановка задачи

Проблемы инвариантности наблюдаемых в физике элементарных частиц относительно пространственного отражения и зарядового сопряжения, а также их комбинации, являются фундаментальными вопросами КТП. Для их проверки создано новое поколение экспериментальных установок, среди которых нужно выделить B-фабрики BaBar (SLAC) и BELLE (KEK). Помимо прецизионного изучения эффектов нарушения CP инвариантности в различных каналах распада B-мезонов, представляется весьма актуальным также изучение нарушения CP инвариантности в расширениях СМ. Первоочередной задачей является здесь анализ модели с обобщенным двухдублетным хиггсовским сектором (THDM) с нарушением СР инвариантности и возможность обоснования CP нарушения, а также получение теоретических предсказаний для CP нарушающих параметров и ограничений из эксперимента на допустимость феноменологических суперсимметричных моделей.

 Требует детального экспериментального изучения вопрос о том, обусловлено ли несохранение CP только одним источником, комплексной CKM матрицей смешивания, либо большим числом источников, например, еще CP нарушаюшими взаимодействиями хиггсовских бозонов с фермионами. Совсем не исключена тесная взаимосвязь природы CP нарушения с другим важнейшим вопросом построения калибровочных теорий - происхождением спонтанного нарушения электрослабой симметрии вакуума.

2 . Содержание использованных методов

 Возможный способ введения CP нарушения - расширение скалярного сектора. В суперсимметричных моделях (MSSM) хиггсовский сектор двухдублетный, вследствие этого появляются три нейтральных и один заряженный бозоны Хиггса. Модели с двухдублетным хиггсовским сектором богаче по своему физическому содержанию. Дополнительные интересные возможности появляются при включении комплексных параметров в двухдублетный калибровочно инвариантный хиггсовский потенциал, CP инвариантность которого явно нарушается. Комплексные параметры приводят к смешиванию массовых состояний бозонов Хиггса, которые имеются в MSSM c CP сохранением, изменениям их масс и новым вершинам взаимодействия хиггсовских бозонов с фермионами и с калибровочными бозонами. Здесь CP нарушение может возникнуть за счет перемешивания в новых физических массовых состояниях CP четных и CP нечетного бозонов Хиггса. В THDM CP инвариантность может быть нарушена членами потенциала, содержащими разные дублеты с комплексными параметрами. В случае MSSM комплексные параметры эффективного двухдублетного потенциала могут появляться при учете взаимодействия бозонов Хиггса со скалярными кварками, мягко нарушающими суперсимметрию. CP инвариантность в THDM явно нарушается за счет взаимодействия хиггсовских бозонов со скалярными кварками третьего поколения. Этот результат можно получить, используя метод эффективного потенциала, путем интегрирования по степеням свободы массивных суперпартнеров кварков.

Принципиальным является аккуратное рассмотрение физического спектра частиц. Необходимо обеспечить корректную процедуру диагонализации хиггсовского потенциала с комплексными параметрами в локальном минимуме, после которой вместо двух нейтральных CP четных h, H и одного нейтрального CP нечетного A бозонов Хиггса возникают три нейтральных смешанных состояния  h1, h2, h3, не обладающие определенной CP четностью, вершины взаимодействия которых с фундаментальными калибровочными бозонами и фермионами могут существенно отличаться от модели MSSM, приводя к новым потенциально наблюдаемым эффектам.

Открытым остается вопрос о взаимосвязи комплексных параметров хиггсовского потенциала и элементов матрицы смешивания CKM.

Таким образом, рассматривается обобщенный эффективный потенциал с нарушением CP инвариантности при наличии ряда комплексных параметров в общем случае. Метод эффективного потенциала применяется для обоснования введения комплексных параметров в хиггсовский сектор MSSM. Проводится диагонализация эффективного потенциала в локальном минимуме. Рассматривается общий случай комбинации спонтанного и явного нарушения CP инвариантности.

3. Результаты работы

Развита модель с обобщенным двухдублетным хиггсовским сектором с нарушением СР инвариантности. Проведен анализ эволюции параметров двухдублетного хиггсовского сектора методами эффективного потенциала и ренормгруппы. Показано, что комплексные параметры мягкого нарушения суперсимметрии индуцируют нарушение СР инвариантности в эффективном хиггсовском потенциале. Найден экстремум эффективного потенциала обобщенной модели THDM при наличии двух фаз в системе двух дублетов полей Хиггса. Получен физический спектр бозонов Хиггса без определенной CP четности. Показано, что дополнительная фаза второго дублета является источником нарушения CP инвариантности в заряженных токах, нарушающих аромат кварков. Установлена независимость между СР нарушающей фазой СКМ и фазой в эффективном хиггсовском потенциале. Найдены константы юкавского взаимодействия в массовом базисе для моделей типа II и III, взаимодействия бозонов Хиггса с калибровочными бозонами.

Рассчитаны ширины распада и оценено сечение рождения бозонов Хиггса в суперсимметричной модели с СР нарушением для коллайдера LHC и электрон-позитронного коллайдера. Получены ограничения на массовые параметры суперсимметричной модели из данных экспериментов по измерению (g-2) для мюона.

Результаты работы представлены на международных конференциях:

Список основных  работ:

[1] Akhmetzyanova E.N., Dolgopolov M.V., Dubinin M.N. Chargino-sneutrino and neutralino-smuon contributions to the anomalous muon magnetic moment // Вестник Самарского государственного университета. – 2002. N. 2(24). – С.85-99.

[2] Ахметзянова Э.Н., Долгополов М.В., Дубинин М.Н., Смирнов И.А., Щербакова Е.С. Суперсимметричная модель с нарушением СР инвариантности. 1. Распады бозона Хиггса h -> gg, h -> // Вестник Самарского государственного университета. – 2003. N. 2(28). – С.122-136.

[3] Ахметзянова Э.Н., Долгополов М.В., Дубинин М.Н. Суперсимметричная модель с нарушением CP инвариантности. 3. Нарушение CP инвариантности в хиггсовском секторе. // Вестник СамГУ, 2003. N. 4(30). С. 147-179.

[4] Akhmetzyanova E.N., Dolgopolov M.V., Dubinin M.N. Soft supersymmetry breaking and explicit CP violation in the Higgs sector. Статья принята в 2003 году в материалы международной конференции "Supersymmetry and Quantum Symmetries" (SQS'03, Дубна, 21-25 июля).

[5] Ахметзянова Э.Н., Горбачева И.В., Долгополов М.В., Дубинин М.Н. Суперсимметричная модель с нарушением CP инвариантности. 4. Смешивание в кинетических слагаемых // Принято в печать в Вестник СамГУ.

[6] Ахметзянова Э.Н., Щербакова Е.С. Нарушение CP инвариантности в скалярном  секторе модели THDM  // Аспирантский вестник Поволжья  2003. N.1 С. 14-16.

[7] Ахметзянова Э.Н., Долгополов М.В. Теория перенормировок. Часть I: Практикум для студентов специальности  "Теоретическая физика". 2003-2004 год, в печати.

[8] Ахметзянова Э.Н., Долгополов М.В., Дубинин М.Н. Теория перенормировок. Часть II: Современные приложения. 2004 год, принято в печать.

[9] Ахметзянова Э.Н. Нарушение CP инварниантности в природе. 2004 год, принято в печать.

4. Новизна результатов

Развита и исследована фундаментальная модель с расширенным cектором Хиггса, в рамках которой обосновывается нарушение CP инвариантности, описана  взаимосвязь и различие массовых состояний и CP состояний спектра частиц.

5. Практическая значимость результатов

Выяснение взаимосвязи природы CP нарушения и происхождения спонтанного нарушения электрослабой симметрии вакуума при построении калибровочных теорий. Развиты методы описания проявлений нарушения CP нвариантности в рамках эффективных моделей КТП. Результаты теоретических исследований могут быть использованы для дальнейшего развития современных экспериментов по фундаментальным исследованиям (и планированию новых) в области физики элементарных частиц.