Eksperimentalno preverjanje leptonske univerzalnosti in izboljšava metod identifikacije delcev pri eksperimentu Belle II

Standardni model (SM) fizike osnovnih delcev je ena najuspešnejših teorij v sodobni znanosti. V številnih eksperimentih je bilo potrjeno, da pravilno opiše vse do sedaj opažene pojave v svetu osnovnih delcev, vse do najvišjih eskperimentalno doseženih energij, reda nekaj TeV. Navkjub temu, obstaja kar nekaj razlogov, ki kažejo na to, da je SM le efektivna teorija, veljavna do neke omejene energijske skale. Pri energijah višjih od te vrednosti pa pričakujemo pojav novih delcev ali interakcij, ki jih kolektivno imenujemo ""nova fizika"" (NF). Čeprav je detekcija nove fizike že vrsto let osrednji cilj skupnosti fizike osnovnih delcev, do sedaj ni bil opažen še noben tak pojav. Na trkalnih delcev se za iskanje signalov nove fizike uporabljata dva komplementarna pristopa. Pri prvem poskušamo doseči neposreden nastanek novih težkih delcev v zelo visoko energijskih trkih, pri drugem pa poskušamo z zelo natančnimi meritvami zaznati morebitne, sicer majhne, učinke, ki jih imajo novi težki delci na procese pri nižjih energijah. Ena izmed osnovnih predpostavk SM je enaka sklopitev elektro-šibkih bozonov (prenasalcev šibke interakcije) z vsemi leptoni (elektron, mion, lepton tau), t.i. leptonska univerzalnost. Kot posledica leptonske univerzalnosti vsi leptoni interagirajo enako, z izjemo popravka, ki izhaja iz različnih mas omenjenih leptonov. Eksperimentalno je leptonska univerzalnost zelo dobro potrjena v meritvah razpadov leptonov tau, bozonov Z in W, in razpadov lahkih mezonov. V zadnjih nekaj letih pa so z velikim številom zbranih razpadov mezonov B postali možni tudi testi leptonske univerzalnosti v sistemu teh težkih mezonov. Številne meritve opravljene pri eksperimentih LHCb, Belle in BaBar trenutno kažejo na to, da je pri nekaterih tipih razpadov mezonov B leptonska univerzalnost kršena. Največja odstopanja od napovedanih vrednosti v okviru SM so bila opažena v izmerjenih razmerjih pogostosti razpadov B->D(*)tau nu in B->D(*)(e,mu) nu. Tu je statisticna signifikanca izmerjenih odstopanj nekje med 3-4 standardne deviacije. Če bodo v prihodnosti natančnejše meritve potrdile te rezultate, bodo ti predstavljali nedvoumen dokaz o obstoju nove fizike, kateri bi drastično spremenil naše razumevanje sveta in načina, kako se je razvijalo zgodnje vesolje. Poleg natančnejših meritev omenjenih razpadov so kjučnega pomena tudi meritve drugih, podobnih razpadov, pri katerih gre pričakovati podobna odstopanja od teoretskih napovedi SM. V predvideni prihodnosti bodo te in podobne meritve lahko opravljene le pri eksperimentih LHCb in Belle II. Spektrometer Belle II na trkalniku SuperKEKB v Cukubi na Japonskem, je po več kot desetih letih načrtovanja in priprav, v katerih so imeli pomembno vlogo tudi člani predlagane raziskovalne skupine, v letu 2019 začel z zbiranjem podatkov. Detektor Belle II je odlično orodje za tip meritev kot so omenjene, saj je načrtovan posebej za ta namen. Predlagan raziskovalni projekt ima dva glavna cilja. Prvi je test leptonske univerzalnosti z mertivijo razmerij pogostosti razpadov B->pi tau nu in B->pi(e,mu) nu, na vzorcu podatkov zbranih pri eksperimentu Belle II. Če bo izmerjena vrednost odstopala od napovedi SM bo to nedvoumen dokaz o obstoju nove fizike, v nasprotnem primeru pa bo rezultat meritve postavil močne omejitve za modele nove fizike. Drugi cilj raziskovalnega projekta je izboljšanje metode identifikacije nabitih delcev, predvsem nizko-energijskih leptonov, pri Belle II. Ta cilj se deli na dva dela: - z uporabo naprednih metod strojnega učenja bomo izboljšali učinkovitost identifikacije nizko-energijskih mionov (le-ti zaradi premajhne energije nedosežejo mionskih detektorjev) v elektromagnetnem kalorimetru. - razvili bomo metodo za prepoznavanje delcev, ki razpadejo v letu ali pa se sipajo preden dosezejo detektor obročev Čerenkova in s tem izboljšali njegovo učinkovitost. Predlagane izboljšave bodo imele znaten vpliv na vse prihodnje meritve izvedene pri Belle II.