ИСТИНА

В проекте планируется исследовать возможные отклонения от предсказаний СМ в процессах с рождением и распадом топ кварков как связанные с проявлениями новых гипотетических частиц, так и с возможной модификацией взаимодействий частиц СМ. В основе модельно-независимого поиска используется подход эффективной теории поля, получивший название Standard-Model effective field theory (SMEFT), который включает все возможные эффективные операторы высших размерностей, сохраняющие симметрии СМ. В проекте будут исследованы вклады операторов SMEFT, включающие поле топ-кварка и, соответственно, меняющие взаимодействия топ-кварка с другими полями СМ. Получамые феноменологические результаты по предсказанию проявлений новой физики в процессах с участием топ кварка будут непосредственно проверяться в эксперименте CMS на LHC, будет проводиться детальное моделирование сигнальных и фоновых процессов, анализироваться перспективы обнаружения новых частиц и отклонений во взаимодействиях в будущем проекте FCC. Перспективы обнаружения отклонений будут также анализироваться для будущих e+e- - коллайдеров в проектах ILC и FCCee, выявляя сравнительный и взаимодополняющий потенциал лептонных и адронных столкновений в исследовании физики за рамками СМ в процессах с топ-кварком.

The search for possible deviations from the predictions of the Standard Model (SM) is one of the most important tasks of modern high-energy physics. In the project, it is planned to investigate possible deviations both related to the manifestations of new hypothetical particles and possible modification of particle interactions. The top quark is the heaviest of the detected elementary particles, and in the project possible deviations from the SM predictions will be studied in the processes with the production and decay of top quarks. The existing experimental data do not allow us to prefer any selected scenario outside the scope of the SM, and significant efforts are concentrated on the model-independent search for possible deviations from the SM predictions. The model-independent search is based on the approach of effective field theory, called Standard Model effective field theory (SMEFT), which includes all possible effective operators of higher dimensions that preserve the symmetries of SM. The project will investigate the contributions of SMEFT operators that include the top quark field and, accordingly, change the interactions of the top quark with other fields of the SM. A special feature of the project will be that the phenomenological results obtained for predicting the manifestations of new physics in processes involving a top quark will be directly tested in the CMS experiment at the LHC, detailed simulation of the signal and background will be carried out, prospects for the detection of new particles and deviations in interactions in the future FCC project will be analyzed. The prospects for detecting deviations will also be analyzed for future e+e-colliders in the ILC and FCC-ee projects, revealing the comparative and complementary potential of lepton and hadron collisions in the study of physics beyond the SM in top-quark processes.Specific scenarios of physics beyond the SM predict various hypothetical particles interacting with a top quark and, in the case of large masses of these particles, dictate certain sets of higher-dimensional operators. The approach based on the analysis of contributions of a limited set of operators allows us to obtain it in a form adapted for the corresponding scenarios, where the number of operators studied is small. In this formulation, the task of finding deviations from the CM becomes quite visible, as well as the task of physical interpretation of the found deviations. Special attention in the project will be paid to the search for deviations from the CM simultaneously in several different processes. Considerable attention is planned to be paid to determining the limits of applicability of the SMEFT approach, in the within which basic restrictions are respected, such as unitarity, convergence of perturbation theory series with respect to CM coupling constants and inverse scale, etc. The analysis will be carried out on the basis of new analytical formulas for process amplitudes, differential distributions and total cross sections, taking into account the contributions of anomalous SMEFT operators, the expansion of resonance widths on the inverse scale, as well as on the basis of numerical accounting for NLO corrections. The analysis of the contributions of operators of higher dimensions, taking into account the expansion of widths, has not been carried out previously in the world literature.

1. Проведенные ранее феноменологические исследования планируется реализовать в эксперименте CMS коллайдера LHC. Будут получены экспериментальные ограничения на вильсоновские коэффициенты и соответствующие брэнчинги редких распадов топ кварка вследствие возможных проявлений нейтральных токов во взаимодействии топ кварка с u- или c-кварком через обмен глюоном. Экспериментальные ограничения будут опубликованы от имени коллаборации CMS. Такие ограничения были получены в экспериментах CMS и ATLAS при энергии 7 и 8 ТэВ, и впервые будут получены при энергии 13 ТэВ. 2. На основе ранее проведенных феноменологических исследований будут проведены экспериментальные исследования проявления отклонений от предсказаний СМ в заряженных токах взаимодействия топ кварка с W бозоном и b-кварком. В рамках EFT подхода будут экспериментально исследованы все возможные калибровочно-инвариантные операторы дающие вклад в основное электрослабое взаимодействие топ кварка tWb. По результатам исследований данных эксперимента CMS, планируется опубликовать ограничения на вильсоновские коэффициенты, характеризующие вклад таких возможных операторов за рамками СМ. После одобрения коллаборации CMS полученные экспериментальные результаты планируется опубликовать от имени коллаборации CMS. 3. Будут продолжены исследования рождения трех топ кварков и получены феноменологические результаты поиска проявления возможных EFT операторов в этих процессах. Феноменологические результаты необходимы для подготовки экспериментального поиска таких возможных отклонений на строящемся модернизированном коллайдере HL-LHC. 4. Будут получены аналитические выражения для амплитуд процессов t-канального s-канального и tW-ассоциативного одиночного рождения t-кварка. Из требований унитарности будут установлены границы применимости подхода SMEFT в рассмотренных процессах при энергиях коллайдеров LHC, HL/HE-LHC, FCC, ILC, CLIC. 5. Будут получены аналитические выражения для многомерных дифференциальных сечений полных процессов рождения с последующим распадом t-кварка в присутствии полного набора операторов SMEFT для процессов с рождением одного, двух, трех и четырех топ кварков на коллайдерах LHC, HL/HE-LHC, FCC, ILC, CLIC. Будет проведено переразложение полученных сечений рассеяния по порядку масштаба новой физики с учётом переразложения знаменателя с ширинами резонансов, зависящих от констант операторов SMEFT. Будет проведена оценка влияния членов разложения разных порядков по масштабу новой физики (линейного, квадратичного и т.д). Будет проведена оценка влияния радиационных поправок (NLO) на поведение спиновых корреляций в присутствии различных операторов SMEFT. 6. Будет осуществлено фитирование экспериментальных данных коллайдера LHC с помощью полученных аналитических выражений для конкретных процессов рождения топ кварка в присутствии операторов SMEFT,возникающих в определенных сценариях новой физики таких как: модели с дополнительными измерениями пространства времени, модели Левой-Правой симметрии фермионных дублетов, калибровочно-инвариантные операторы минимальной суперсимметричной стандартной модели (МССМ) и др. Будут установлены ограничения на константы возникающих операторов SMEFT. Будут проведены оценки точности по постановке ограничений на операторы SMEFT, мотивированные конкретными сценариями новой физики, в ряде процессов с рождением t-кварка на будущих коллайдерах HL/HE-LHC, FCC, ILC, CLIC. 7. Будут исследованы возможные эффекты моделей с расширенным лептонным сектором в распадах топ кварка, проведен анализ распадов топ -> Wb -> Nlb и N->tb neutrino (N- тяжелый нейтральный лептон, l = e,mu,tau) c учетом смешиваний нейтральных тяжелых лептонов/стерильных майорановских нейтрино расширенного лептонного сектора в рамках его характерных сценариев и неминимальных механизмов расщепления масс (seesaw mechanisms). Планируется провести анализ параметрических сценариев, согласующихся с современными экспериментальными ограничениями и рассмотреть возможности отделения аномальных вкладов тяжелых нейтральных лептонов в распадах топа. 8. Будет проведен феноменологический анализ проявления аномальных структур в Wtb-взаимодействиях в процессах ассоциативного tW и парного рождения топ кварков с применением разработанных методов моделирования и кинематического разделения исследуемых процессов методами глубоких нейронных сетей. Аккуратный феноменологический анализ позволит выработать оптимальные рецепты экспериментального поиска и оценить ожидаемую чувствительность текущих и планируемых экспериментов.

Научная группа имеет существенный задел по предлагаемой тематике, активно участвует в работе коллаборации CMS по исследованию топ кварка. В настоящем проекте предлагается существенно развить успешные комплексные исследования проявлений новой физики в секторе топ кварка, проведенные при поддержке гранта РНФ-16-12-10280 (2016-2020). Будут использованы методы автоматизированных символьных и численных вычислений, многомерного статистического анализа и глубоких нейронных сетей. Предполагаемые исследования будут находиться на переднем крае мировых исследований в данной области, ожидаемые результаты будут новыми.

Все ожидаемые результаты являются решениями актуальных теоретических и экспериментальных задач, стоящих на повестке дня физики высоких энергий. Успешное решение этих задач, безусловно, составит весомый вклад в физику элементарных частиц в целом, так как позволит получить надежную информацию о допустимых операторах высшей размерности и связанной с ними физике за рамками СМ из поступающих экспериментальных данных по взаимодействиям с участием топ кварка. Ожидаемые результаты будут также востребованы в экспериментах CMS, ATLAS, и при подготовке планируемых экспериментах на HL-LHC, HE-LHC, FCC, ILC.