Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына
Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Отдел теоретической физики высоких энергий

Отдел теоретической физики высоких энергий (ОТФВЭ) создан в 1990 году. С момента основания по настоящее время ОТФВЭ руководит доктор физико-математических наук, профессор Виктор Иванович Саврин.

ОТФВЭ создан с целью объединения усилий теоретиков для решения задач современной физики элементарных частиц и выполнения работ в рамках государственной научно-технической программы «Физика высоких энергий».

Научные направления работ ОТФВЭ характеризуют названия его лабораторий: Лаборатория теории поля, Лаборатория аналитических вычислений в физике высоких энергий, Лаборатория теории фундаментальных взаимодействий.

В рамках научных направлений ОТФВЭ его сотрудниками проводятся теоретические исследования по фундаментальным проблемам физики элементарных частиц и физики высоких энергий. Цель этих исследований – получение знаний о фундаментальных свойствах материи на расстояниях порядка 10^-16-10^-17 см и меньше.

Основными направлениями исследований ОТФВЭ являются:
• разработка новых теорий и моделей взаимодействия элементарных частиц при энергиях от 1 ТэВ и выше (например, суперсимметричных теорий, теорий суперструн и теорий с дополнительными измерениями пространства-времени);
• разработка новых эффективных аналитических, численных и компьютерных методов расчетов процессов с участием многих частиц в конечных состояниях на древесном и петлевом уровнях;
• расчет процессов столкновения элементарных частиц в различных калибровочных теориях (стандартной модели и ее обобщениях) и выработка на этой основе рекомендаций для постановки экспериментов на действующих и планируемых коллайдерах;
• разработка новых методов в квантовых теориях за рамками теории возмущений и вычисление на их основе спектров и других характеристик связанных состояний и диссипативных систем;
• создание среды распределенных вычислений и интенсивных операций с данными (GRID) для физических исследований.

Сотрудники ОТФВЭ с самого начала существования отдела активно вовлечены в работы по разработке программ физических исследований практически на всех существующих и планируемых коллайдерах, среди них LEP, Tevatron, HERA, LHC, ILC, NIСA.

Совместные исследования на протяжении многих лет проводятся с такими ведущими научными центрами в области физики высоких энергий как ДЭЗИ и Институт Макса Планка (Германия), ЦЕРН (Швейцария), КЕК (Япония), ФНАЛ (США), ЛАПП (Франция). Сотрудники ОТФВЭ плодотворно сотрудничают со многими ведущими университетами мира, например, с университетами городов Лондона, Хельсинки, Токио, Гамбурга, Лиссабона, Лейпцига, Дублина, Сеула, Чикаго и другими. Среди российских научных центров особенно плодотворными являются контакты с ИФВЭ (Протвино), ОИЯИ (Дубна), ИЯИ РАН; с Новосибирским, Санкт-Петербургским и Самарским университетами.

Неполный список результатов, полученных сотрудниками ОТФВЭ приводится ниже:
• предложен и разработан новый метод учета радиационных поправок на уровне моделирования событий и создан генератор событий SingleTop, разработан новый метод выбора оптимальных кинематических переменных, позволяющий эффективно выделять сигнал из фонов. Эти методы легли в основу открытия одиночного рождения топ-кварка на коллайдере Tevatron в эксперименте D0, обнаружение одиночного рождения топ-кварка на коллайдере LHC в эксперименте CMS;
• проведены расчеты, моделирование и анализ возможных отклонений от предсказаний Стандартной модели в рождении одиночного топ-кварка. При определяющем вкладе группы сотрудников ЛТФВ и Отдела экспериментальной физики высоких энергий получены новые ограничения в эксперименте D0 на массы возможных нестандартных векторных и скалярных бозонов, на величину аномальных констант взаимодействия топ-кварка с W-бозоном и b-кварком (Wtb), на нейтральные токи топ-кварка с изменением аромата (FCNC);
• впервые получены сечения рождения одиночного топ-кварка на будущем лептонном коллайдере во всех обсуждаемых модах столкновений e+e-, e-e-, γ -e и γ - γ в Стандартной модели и в ряде ее расширений. Показано, что при достаточно высоких энергиях процесс одиночного рождения топ-кварка в γ -e, отнесенный к так называемым “gold plated” процессам, позволит изучить структуру Wtb вершины с рекордной точностью, недоступной на других коллайдерах;
• создан новый метод разделения полных наборов диаграмм Фейнмана на калибровочно-инвариантные поднаборы, что существенно сокращает объем вычислений, проведены вычисления полных наборов древесных диаграмм Фейнмана с образованием четырех, пяти и шести фермионов в конечных состояниях с учетом сигнальных и фоновых вкладов и интерференции между ними для процессов в адронных и лептонных столкновениях с участием топ-кварка, бозона Хиггса и ряда частиц вне рамок Стандартной модели;
• впервые обнаружен и проанализирован режим интенсивного взаимодействия в минимальной суперсимметричной модели (МССМ), в котором три нейтральных бозона Хиггса имеют близкие массы и аномально усиленное взаимодействие с фермионами третьего поколения. Проведены вычисления характеристик основных процессов рождения бозонов Хиггса и показано, в какой степени такие состояния можно различить на LHC и линейном коллайдере;
• для бозонов Хиггса минимальной суперсимметричной модели (МССМ). Исследован сценарий “расщепленной суперсимметрии”. Построен эффективный потенциал МССМ для сценария расщепленной суперсимметрии. Вычислены однопетлевые поправки, индуцированные взаимодействиями гейджино и хиггсино с бозонами Хиггса. Показано, что вклады гейджино и хиггсино сравнимы со вкладами скалярных суперпартнеров третьего поколения фермионов;
• вычислены однопетлевые температурные поправки типа собственной энергии в двухдублетный хиггсовский потенциал МССМ, индуцированные суперпартнерами кварков третьего поколения. Получены аналитические выражения для поправок типа собственной энергии в предельных случаях высоких и низких температур, что позволяет описывать поверхности стационарных точек и состояния бозонов Хиггса в массовом базисе;
• впервые проведено вычисление сечений парного рождения векторных лептокварков с учетом вкладов аномальных электрического дипольного и магнитного квадрупольных моментов. Вычисленные сечения были использованы в экспериментах на коллайдере Tevatron для получения рекордных ограничений на массы и константы взаимодействия векторных лептокварков;
• проведены вычисления характеристик процессов рождения возбужденных электронов, мюонов и кварков в различных типах столкновений, которые позволили уточнить ограничения на массы соответствующих частиц;
• исследована возможность поиска так называемого парафотона, нового безмассового векторного мезона, который очень слабо взаимодействует с частицами Стандартной модели, причем константа взаимодействия пропорциональна массе частицы. Было показано, что обнаружить парафотон на LHC будет практически невозможно даже в режиме высокой светимости. На линейном коллайдере парафотон может быть обнаружен в определенной области параметров модели в процессе ассоциативного рождения парафотона и пары кварков топ и анти-топ;
• проведен детальный анализ роли и возможности измерения поляризации тау-лептонов и топ-кварков, возникающих в распадах стау (суперпартнер тау-лептона) и стоп, сботтом (суперпартнеры топ- и боттом-кварков) для измерения параметров Минимального суперсимметричного расширения Стандартной модели (МССМ);
• в стабилизированной модели Рэндэлл-Сундрума с дополнительным пространственным измерением с экспоненциально меняющейся кривизной проведены вычисления и анализ возможности поиска возбужденных мод гравитона и калибровочных бозонов в сценарии, в котором калибровочные бозоны также могут распространяться в многомерном балке, в случаях, когда доступная энергия столкновения на БАК оказывается выше или ниже порога рождения первой возбужденной моды. Впервые показано, что для корректного выделения сигнала необходим учет вклада интерференции первой возбужденной моды с оставшейся башней возбуждений;
• в составе коллаборации CompHEP создана широко известная, используемая во многих международных экспериментах, программа CompHEP для автоматизированного вычисления характеристик процессов столкновения и распада элементарных частиц, позволяющая провести полный цикл теоретического моделирования от задания лагранжиана до конечного потока событий; найдены функции Грина КХД, которые в инфракрасной области удовлетворяют одновременно динамическим уравнениям Швингера-Дайсона и калибровочным тождествам Уорда-Славнова-Тейлора. На основе найденных асимптотических решений получены оценки для значений глюонных и кварковых конденсатов, ряда других вакуумных кореляторов как, например, хромомагнитная восприимчивость, которые хорошо согласуются со значениями этих величин, полученными другими методами. Анализ уравнения Бете-Солпитера в глюодинамике позволил оценить массу глюбола;
• выполнен цикл исследований динамических квазипотенциальных уравнений в различных теоретико-полевых моделях. Впервые из ядер Бете-Солпитера выведены явные зависимости квазипотенциалов от энергий в ряде простых случаев и найдены неизвестные ранее решения квазипотенциальных уравнений, отвечающие связанным состояниям, погруженным в континуум;
• разработан ряд новых уникальных методов для вычисления петлевых интегралов Фейнмана в квантовой теории поля;
• развита процедура реконструкции для моделей модифицированной гравитации со скалярными полями, неминимально взаимодействующими с гравитацией. С помощью данной процедуры построены модели с решениями де Ситтера и решениями со степенной зависимостью, для которых параметр Хаббла обратно пропорционален времени;
• создан экспериментальный образец программного комплекса RESTful-веб-сервисов доступа к суперкомпьютерным ресурсам и ресурсам хранения данных, обеспечивающих упрощенное интегрирование ресурсов для научных исследований. Разработанный программный комплекс позволит российским организациям и учреждениям существенно увеличить объем, сократить время и повысить качество обработки необходимых данных и информации, что будет способствовать повышению уровня и конкурентоспособности результатов их деятельности;
• вычислены матричные элементы вне массовой поверхности для ряда партонных подпроцессов с учетом ненулевого поперечного импульса начальных кварков и глюонов. С помощью полученных выражений проведены расчеты полных и дифференциальных сечений процессов связанного рождения прямых фотонов и тяжелых (c и b) кварков, а также парного рождения прямых фотонов при энергиях коллайдеров Tevatron и LHC. Достигнуто хорошее количественное согласие теоретических расчетов с экспериментальными данными коллабораций D0, CDF, CMS и ATLAS. Результаты расчетов были использованы коллаборациями D0 и CDF в анализе последних полученных экспериментальных данных;
• предложена новая квантовая модель системы с диссипацией, возникающей у систем с долговременной памятью степенного типа. Показано, что открытая квантовая система, взаимодействующая с внешним окружением, приобретает свойство долговременной памяти, описываемой интегро-дифференциированием нецелого порядка;
• установлен явный вид тензорного оператора магнитного момента недираковской частицы со спином покоя 1/2 и его существенное отличие от оператора спина. Отмечено возможное влияние этого фактора на описание вращения спина в магнитном поле и на значения магнитных моментов ряда ядер;
• в космологической модели с одним большим дополнительным измерением исследовалась проблема охлаждения Вселенной за счет эмиссии гравитонов, рожденных в реакциях частиц в четырехмерном пространстве, в дополнительное измерение. Показано, что основным процессом эмиссии является аннигиляция частиц горячей Вселенной не в один, но в два гравитона. Ввиду малости гравитационной постоянной, остывание за счет такого процесса мало по сравнению с остыванием за счет расширения Вселенной.

В среднем сотрудники ОТФВЭ ежегодно участвуют примерно в 20-ти конференциях, посвященных различным аспектам физики элементарных частиц и теоретической физики высоких энергий, и выпускают 70 новых публикаций. Ежегодно сотрудники ОТФВЭ осуществляют научное руководство в среднем 5 дипломниками и 3 аспирантами физического факультета МГУ.