Nazwa Projektu: Rozszerzenia Modelu Standardowego z fermionami wektoropodobnymi

Akronim Projektu: SONATA BIS 7

Budżet Projektu: 2 470 668 PLN

Czas trwania projektu: 03.09.2018 - 02.09.2025

Kierownik Projektu: dr hab. Kamila Kowalska, prof. NCBJ

Opis Projektu: 

Poszukiwania fizyki poza Modelem Standardowym od lat wyznaczają główny kierunek badań w fizyce cząstek elementarnych. Wśród wielu scenariuszy, zaproponowanych i analizowanych na przestrzeni minionych dziesięcioleci, coraz większym zainteresowaniem cieszą się ostatnio rozszerzenia teorii standardowej o tzw. fermiony wektoropodobne. Fermiony wektoropodobne to cząstki, które pod wieloma względami przypominają kwarki i leptony, mogą być od nich jednak znacznie cięższe i nieco inaczej oddziałują z bozonami cechowania (takimi jak foton). Modele tego typu mają wiele zalet, zarówno od strony teoretycznej, jak i na gruncie fenomenologii. Co ciekawe, mogą wyjaśnić niektóre z anomalii, zaobserwowanych niedawno w rozpadach mezonów B. Istnieje też cała gama eksperymentów, które są w stanie, bezpośrednio lub pośrednio, wykryć ich istnienie. Nie ma więc wątpliwości, że fermiony wektoropodobne stanowią interesujący i perspektywiczny kierunek badań. Niniejszy projekt postuluje rozpoczęcie długofalowego programu badawczego, poświęconego systematycznej i całościowej analizie rozszerzeń Modelu Standardowego zawierających fermiony wektoropodobne. Badania będą obejmować zarówno własności teoretyczne konkretnych scenariuszy, jak i możliwość wyjaśnienia za ich pomocą obserwacji eksperymentalnych. Nadrzędnym celem projektu jest stwierdzenie, które z wektoropodobnych rozszerzeń Modelu Standardowego najlepiej pasują dodanych, w związku z czym mogą zostać uznane za najbardziej obiecujące modele nowej fizyki. Istotnym elementem strategii realizacji projektu, zwłaszcza na jego początkowym etapie, jest wskazanie tych scenariuszy, które mają największy potencjał badawczy. Głównym kryterium wyboru będzie możliwość skonstruowania takiego rozszerzenia Modelu Standardowego, które będzie renormalizowalne i w którym stałe sprzężenia pozostaną skończone przy dowolnie wysokich energiach. W ramach niniejszego projektu rozważane będą trzy konstrukcje teoretyczne, które to umożliwiają: unifikacja stałych cechowania, asymptotyczne bezpieczeństwo, oraz perturbacyjność teorii do skali Plancka. Kolejnym wymogiem jest zgodność modelu zdanymi doświadczalnymi. Pomiary, które zostaną wzięte pod uwagę, obejmą bezpośrednie poszukiwania fermionów wektoropodobnych w Wielkim Zderzaczu Hadronów, precyzyjne pomiary elektrosłabe, anomalie w rozpadach mezonów B, nowe anomalie, które mogą się pojawić w trakcie realizacji projektu, zaś w przypadku wybranych modeli - także dane z poszukiwań ciemnej materii. Strategia badawcza projektu jest następująca. Najpierw należy skonstruować rozszerzenie Modelu Standardowego w ramach wybranej struktury teoretycznej. Oznacza to, że początkowy zbiór parametrów zostanie rozszerzony o nowe wielkości związane z fermionami wektoropodobnymi, takie jak ich liczba, masa i siła oddziaływań. Następnie przeprowadzona zostanie analiza globalna tak wybranego modelu. W jej trakcie obliczony zostanie szereg wielkości obserwowalnych doświadczalnie i porównany z danymi eksperymentalnymi. Jako wynik końcowy wskazane zostaną dozwolone obszary przestrzeni parametrów modelu, co dostarczy użytecznych informacji o jego prawdopodobieństwie oraz nakreśli potencjalne kierunki przyszłych badań. W trakcie realizacji projektu zostanie wykorzystane i znacząco rozbudowane istniejące narzędzie numeryczne, opracowane przy kluczowym udziale kierowniczki projektu w trakcie poprzednich badań, służące do wydajnego skanowania wielowymiarowych przestrzeni parametrów modeli supersymetrycznych oraz do obliczania funkcji prawdopodobieństwa związanej z wielkościami mierzalnymi eksperymentalnie. Narzędzie to zostało niedawno rozbudowane w taki sposób, aby można je było zastosować do dowolnego modelu nowej fizyki, zaś jednym z celów niniejszego projektu jest jego dalsze rozszerzenie o moduły obliczające obserwable związane z fizyką zapachu oraz z precyzyjnymi pomiarami elektrosłabymi. Niniejszy projekt zawiera elementy nowatorskie w stosunku do obecnego stanu wiedzy i ma potencjał wniesienia istotnego wkładu w rozwój fizyki cząstek elementarnych. Po pierwsze, daje on unikalną możliwość wykonania pionierskich badań, łączących w sposób systematyczny analizę teoretycznych i fenomenologicznych własności modeli z fermionami wektoropodobnymi. Po drugie, wyniki uzyskane w trakcie realizacji projektu dostarczą teoretycznych wskazówek, które pomogą grupom doświadczalnym w opracowaniu nowych analiz i strategii poszukiwań nowej fizyki. W dłuższym okresie umożliwi to bardziej efektywne wykorzystanie ogromnej ilości danych, zebranych w różnych eksperymentach. I po trzecie, projekt przyczyni się do dywersyfikacji polskich badań w dziedzinie cząstek elementarnych, a także pomoże w stworzeniu zespołu zajmującego się pionierskimi zagadnieniami. Wyniki uzyskane w trakcie realizacji niniejszego projektu doprowadzą do lepszego zrozumienia rozszerzeń Modelu Standardowego z fermionami wektoropodobnymi. Przede wszystkim umożliwią one wskazanie modeli zgodnych z szerokim wachlarzem danych eksperymentalnych. Taka informacja będzie cennym bodźcem do dalszych badań zarówno dla teoretyków, jak i dla grup doświadczalnych.