Эффект, обнаруженный
на коллайдере ИЯФ СО РАН, позволит уточнить
теоретические расчеты в международном эксперименте по физике частиц
29 декабря 2021
В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера
СО РАН (ИЯФ СО РАН) на коллайдере ВЭПП-2000 в
эксперименте по изучению адронов — частиц, участвующих в сильных
взаимодействиях — выявлен необычный эффект при рождении пи-мезонов. Наблюдение
мотивировало теоретиков института пересмотреть методику расчета
вероятностей процессов рождения частиц и уточнить вклад дополнительных
эффектов. Это может заметно повлиять на теоретический расчет аномального
магнитного момента мюона в рамках масштабного эксперимента, проводящегося
в Фермилаб (США).
На электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 ИЯФ СО РАН изучаются
сильновзаимодействующие частицы — адроны, состоящие из легких кварков (пионы, каоны и другие), а также их возбужденные варианты.
Пи-мезон, или пион — самая легкая субатомная частица из группы мезонов,
динамика которой определяется сильными взаимодействиями. Именно поэтому
изучение ее свойств служит проверкой для любой
феноменологической модели сильного взаимодействия в области низких энергий.
Данные, полученные на новосибирском
коллайдере, востребованы физическими лабораториями по
всему миру. В частности, они использовались специалистами Национальной
ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми в
масштабном эксперименте Muon g-2, одной из главных
задач которого является поиск Новой физики — неизвестных частиц и
взаимодействий, не описываемых Стандартной моделью. Исследования, тесно
связанные с этим экспериментом, ведутся в ИЯФ СО РАН с 1989 года. Они нацелены
на высокоточное измерение процессов рождения адронов — так называемых сечений
эксклюзивных процессов. Всего таких процессов около тридцати. Прецизионные
измерения сечений необходимы для вычисления вклада адронной
поляризации вакуума в аномальный магнитный момент мюона.
Высокоточные измерения позволяют наблюдать красивые тонкие
эффекты. Один из них — зарядовая асимметрия в канале рождения двух пионов (2
π) — зафиксирован криогенным магнитным детектором КМД-3.
«При столкновении частицы разлетаются под разными углами.
Зависимость распределения от угла отлична у разных процессов, исследуя их,
можно изучать свойства рождаемых частиц. Если существует какой-либо процесс с
участием частиц, то с такой же вероятностью должен существовать аналогичный
процесс с их заменой на античастицы. Этот эффект называется зарядовой
симметрией. Несимметричность, то есть зарядовая aсимметрия, очень чувствительна к моделям, которые
описывают взаимодействие фотона с пионом. В канале рождения двух пионов мы
обнаружили в угловом распределении эффект отличия величины зарядовой асимметрии
от предсказания. В исследованиях, связанных с сильным взаимодействием, нельзя
абсолютно точно всё предсказать теоретически, можно лишь приблизительно
рассчитать в каких-то предположениях. Та модель, которую физики использовали
ранее, зарядовую асимметрию не описывала. Эффект очень слабый, около 1%,
поэтому потребовалась большая работа, чтобы убедиться, что мы действительно
наблюдаем физический эффект, а не ошибку в работе детектора», — сказал старший
научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Фёдор Игнатов.
В главном приближении дифференциальное сечение полностью
симметрично, то есть вероятность вылета пиона и его античастицы в любом
заданном направлении – одинакова. Но с учетом поправок сечение перестает быть
симметричным, появляется зарядовая асимметрия, отрицательно заряженный пион
немного чаще вылетает вдоль направления движения электрона, чем положительно
заряженный.
По словам ученых, асимметрия возникает из-за того, что
электрон и позитрон могут переходить в пи-мезонную пару через два виртуальных
фотона. В главном приближении процесс идёт через один виртуальный фотон,
поэтому пара пионов рождается в зарядово-нечётном состоянии. В рождении же
через два виртуальных фотона пара пионов имеет положительную зарядовую
четность. Интерференция между этими двумя механизмами приводит к асимметрии.
«Не то чтобы этот эффект раньше не учитывали — учитывали, но
довольно грубо. То есть вычисляли вклад, ответственный за асимметрию, в
приближении, что пи-мезон — точечная частица с определенным зарядом, не имеющая
внутренней структуры. Эксперимент показал, что это приближение сильно не
соответствует тому, что наблюдается», — прокомментировал главный научный
сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Роман
Ли.
Теоретики ИЯФ СО РАН заново проанализировали вклад двухфотонной диаграммы, которая ранее вычислялась для
точечных пи-мезонов.
«Идея состояла в том, чтобы неточечность
пи-мезона учесть более аккуратно. Мы учли форм-факторы пи-мезонов прямо внутри
петлевой диаграммы. Для частиц, динамика которых определяется сильными
взаимодействиями, как правило, не получается применять методы, которые
позволяют систематически увеличивать точность, и наше вычисление не является
исключением. Тем не менее оказалось, что подход, который мы использовали, с
одной стороны, выглядит естественным и лучше «ухватывает» неточечность
пиона, а с другой стороны, такая уточненная модель хорошо согласуется с
экспериментом», — объяснил Роман Ли.
Обнаруженный эффект позволил ученым уточнить вклад двухфотонного рождения пионов. Теперь им предстоит
пересмотреть результаты части измерений в предыдущих экспериментах. «Наблюдение
зарядовой асимметрии в канале 2 π показывает, что некоторым эффектам при
сильных взаимодействиях стоит уделять гораздо больше внимания, чем это делалось
раньше. Вклад от 2 π в эксперимент Muon g-2
занимает 73% от адронной составляющей аномального
магнитного момента мюона, это едва ли не основной вклад, поэтому требует
большой статистики и высокой точности измерений. Сейчас, в связи с планируемым
повышением точности в эксперименте до 1,4×10-10, нам бы хотелось также
улучшить точность измерения канала 2 π, в 2-3 раза. ВЭПП-2000 —
единственная на данный момент в мире установка, работающая в нужном нам
диапазоне энергий — до 2 ГэВ, на которой можно получить данные по сечениям в
этой области с очень высокой точностью прямым измерением», — подчеркнул Фёдор
Игнатов.
Эксперимент Muon g-2 посвящен
измерению аномального магнитного момента мюона. В предыдущем эксперименте в Брукхейвенской лаборатории (США), который закончился около
20 лет назад, была обнаружена разница между теоретическим предсказанием и
экспериментальным значением этой физической величины. Эксперимент Фермилаб подтвердил эту разницу. Возможное объяснение
наблюдаемого отличия – существование неизвестных частиц или взаимодействий, не
описываемых Стандартной моделью.
источник - https://www.atomic-energy.ru/news/2021/12/29/120722