Nazwa Projektu: W górę i w dół: wieloskalowe podejście do fizyki poza Modelem Standardowym

Akronim Projektu: SONATA BIS-10c

Budżet Projektu: 1 995 600 PLN

Czas trwania projektu: 01.10.2021- 30.09.2026

Kierownik Projektu: dr hab. Enrico Sessolo, prof. NCBJ

Opis Projektu:

Model Standardowy (SM) fizyki cząstek elementarnych został potwierdzony w wielu eksperymentach wysokoenergetycznych, a ukoronowaniem jego sukcesu było odkrycie bozonu Higgsa w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). SM nie może być jednak uznany za ostateczną teorię przyrody, ponieważ nie wyjaśnia szeregu zjawisk, które zostały zaobserwowane doświadczalnie, a także pozostawia bez odpowiedzi kilka pytań natury teoretycznej. Z eksperymentalnego punktu widzenia, w bezpośrednich poszukiwaniach fizyki „poza” Modelem Standardowym (BSM) w LHC nie udało się znaleźć żadnego śladu jej istnienia. Z drugiej strony, w ostatnich latach zaobserwowano wiele tzw. "anomalii zapachowych”, wskazujących na możliwe naruszenia uniwersalności leptonowo-zapachowej, które wydają się mieć wspólne źródło w fizyce BSM. Pojawia się zatem pytanie: jeśli nowa fizyka rzeczywiście istnieje, to jaka jest jej skala energetyczna? Oczywiście nikt nie zna odpowiedzi na to pytanie, ale możemy wykorzystać nasze doświadczenie i dotychczasową wiedzę, aby podzielić dostępne możliwości na trzy szerokie kategorie: 1. Skala wysoka. Może to być skala Plancka, znana również jako skala grawitacji kwantowej, ~10^19 GeV. Albo skala Teorii Wielkiej Unifikacji (GUT), ~10^16 GeV, gdzie trzy sprzężenia cechowania SM wydają się jednoczyć. Albo jakaś nieco mniejsza skala, na przykład skala "see-saw", przy której generowane są masy neutrin, ~10^12 GeV. 2. Skala pośrednia, pomiędzy skalą wysoką a skalą naruszenia symetrii elektrosłabej. Istnieją eksperymentalne przesłanki, które mogą wskazywać na obecność cząstek BSM w zakresie mas ~5-50 TeV. Jedna z tych przesłanek pochodzi ze wspomnianych anomalii zapachowych. Kolejna pojawia się, jeśli zinterpretujemy zmierzoną wartość masy Higgsa, 125 GeV, w kontekście minimalnej supersymetrii, gdzie sugerowana masa nowych cząstek jest rzędu kilku dziesiątków TeV. 3. Niska skala, czyli cząstki BSM o masach w zakresie GeV i sub-GeV. Mogą to być „ciemne” fotony (słabo oddziałujące bozony cechowania nowej symetrii), cząstki podobne do aksjonów lub inne. Motywacja dla istnienia tych cząstek jest głównie empiryczna i wynika z potrzeby wyjaśnienia zagadki ciemnej materii. Duża liczba eksperymentów poświęconych odkryciu ciemnego sektora czyni fenomenologię tej małej skali bardzo interesującą. Głównym celem niniejszego projektu jest znalezienie związków między różnymi skalami fizyki BSM poprzez jednoczesne wykorzystanie pewnych założeń teoretycznych do konstrukcji konkretnych modeli nowej fizyki, oraz ich dokładną analizę fenomenologiczną. Pierwszym zadaniem jest wykorzystanie teorii zdefiniowanych przy skali wysokiej do zaproponowania konkretnych sygnatur doświadczalnych w eksperymentach testujących skalę średnią i niską. W tym kontekście jedną z koncepcji, która w ostatnich latach cieszy się dużym zainteresowaniem, jest asymptotyczne bezpieczeństwo, zakładające istnienie punktów stałych w równaniach grup renormalizacji stałych sprzężenia oddziaływań fundamentalnych. W ramach projektu proponuję rozszerzyć ideę asymptotycznego bezpieczeństwa do modeli fizyki BSM zakładających na przykład dodatkowe symetrie cechowania oraz nowe cząstki. Równolegle rozwijany będzie program mający na celu ustalenie powiązań między fizyką wysokiej i średniej/niskiej skali w ramach teorii GUT. Drugim celem projektu jest zidentyfikowanie możliwych symetrii zapachowych sektora BSM, wyłaniających się z obserwacji braku uniwersalności zapachów kwarkowych i leptonowych. Moim planem jest próba osadzenia pojawiających się symetrii w ramach teorii GUT. I wreszcie, ciemne cząstki można wytwarzać w szerokim zakresie eksperymentów na tzw. „granicy intensywności”. Eksperymenty te mogą testować słabo sprzężone sektory dzięki dużej liczbie gromadzonych danych oraz bardzo skutecznej redukcji tła. Dziedzina ta rozwija się obecnie niezwykle intensywnie, choć motywacja istnienia bardzo lekkich cząstek jest ściśle empiryczna, wykazując pewne ograniczenia z punktu widzenia interpretacji danych w rygorystycznych ramach teoretycznych. Trzecim celem projektu jest zatem interpretacja danych z granicy intensywności w ramach teorii zdefiniowanych przy skali średniej lub wysokiej. Moim ostatecznym celem jest zbudowanie pomostu między różnymi zagadnieniami fizyki cząstek elementarnych, które na ogół analizowane są w sposób indywidualny. Historia pokazuje, że takie podejście często umożliwia odkrycie czegoś fundamentalnie nowego. Struktura projektu, oparta na różnych celach i zadaniach, gwarantuje uzyskanie publikowalnych rezultatów, niezależnie od wyników indywidualnych eksperymentów. Zastosowanie zaawansowanych narzędzi numerycznych i wyrafinowanego podejścia statystycznego do wyznaczania ograniczeń eksperymentalnych przyczynia się do innowacyjności projektu.