Новосибирские физики с лучшей в мире точностью измерили полное сечение электрон-позитронной аннигиляции в адроны

4 июля 2019
ИЯФ СО РАН Коллайдер ВЭПП-4М ИЯФ СО РАН ИЯФ СО РАН

Обнаружение отклонений от Стандартной модели (СМ) несет важную информацию для возможного уточнения современной теории микромира. Одно из направлений поиска физики за рамками СМ – измерение в эксперименте и сравнение с теоретическими расчетами значения аномального магнитного момента мюона. Для расчета этой величины физики используют экспериментальные данные по измерению сечения рождения адронов в электрон-позитронной аннигиляции (взаимное исчезновение с последующим рождением новых частиц) в широком диапазоне энергий – величины R. В

Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) в эксперименте на детекторе КЕДР коллайдера ВЭПП-4М с лучшей в мире точностью была измерена величина R в области энергии 1,84 — 3,72 ГэВ. Результаты опубликованы в журнале Physics Letters B.

Стандартная модель считается неполной, так как не объясняет ряд важных физических явлений (наличие темной материи, преобладание вещества над антивеществом во Вселенной) и на квантовом уровне описывает лишь три из четырех известных человечеству взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное, но не гравитационное. Поэтому при сверхвысоких энергиях, в процессах на ранней стадии расширения Вселенной или в сверхредких распадах и прецизионных измерениях при низких энергиях, доступных для изучения в настоящее время, могут наблюдаться отклонения измеренных величин от рассчитанных в рамках СМ значений. Попытки обнаружить эти отклонения принято называть поиском Новой физики.

«Обнаружение отклонений от СМ, возможно, несет важную информацию для создания теории квантовой гравитации – последнего бастиона, который со времен Альберта Эйнштейна не сдается под мощным натиском нескольких поколений физиков-теоретиков и экспериментаторов, – рассказывает заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Владимир Блинов. – Прорыв в построении квантовой теории гравитационного взаимодействия могут обеспечить физики-экспериментаторы, так как в экспериментах до сих пор не наблюдаются эффекты, связанные с проявлениями квантовой гравитации, а без этих данных теоретики, очевидно, не в состоянии предложить объясняющую их модель. Невозможно описать то, что не наблюдается».

Одним из способов проверки Стандартной модели является сверхточное измерение величины аномального магнитного мюона – существенно более тяжелого побратима электрона. В предыдущем эксперименте, проведенном в Брукхейвенской Национальной Лаборатории (BNL, США) в 1997—2001 гг., наблюдалось небольшое отличие (3,5—4 стандартных отклонения) измеренного значения аномального магнитного момента мюона от вычислений в рамках СМ (для расчетов использовались данные, полученные ранее в экспериментах на ВЭПП-2М в ИЯФ СО РАН). Для обоснованного утверждения, что это действительно проявления Новой физики, необходимы более точные исследования. Поэтому сейчас готовятся два новых эксперимента: в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми в США (первый этап эксперимента уже проведен) и на японском протонном ускорительном комплексе J-PARC с точностью в пять раз лучшей, чем в экспериментах в BNL. Современные эксперименты либо обнаружат указания на Новую физику, либо разрешат наметившееся отклонение от расчетов в рамках СМ.

«Для сравнения результатов экспериментов с предсказаниями CM необходимо точное знание вклада адронной поляризации вакуума, которое может быть получено только в экспериментах по измерению сечения электрон-позитронной аннигиляции в адроны в широком диапазоне энергий (величины R), – добавляет старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Корнелий Тодышев. – Чем точнее требуется произвести расчет, тем с лучшей точностью экспериментаторам необходимо измерить это сечение. Именно измерению сечения электрон-позитронной аннигиляции в адроны в диапазоне энергий от 1,84 до 3,72 ГэВ и посвящен эксперимент, проведенный с детектором КЕДР на коллайдере ВЭПП-4М в ИЯФ СО РАН. В нем проведено измерение данного сечения с лучшей на данный момент в мире точностью».

Однако для расчета адронной поляризации вакуума требуются также прецизионные измерения R в области энергий от 0,3 до 1,84 ГэВ, которые ведутся на другом коллайдере ИЯФ СО РАН – ВЭПП-2000. Набор данных уже проведен и ведется их обработка.

Полученные на новосибирском коллайдере ВЭПП-4М данные в настоящее время являются наиболее точным измерением величины R для данной области энергии. Результаты уже используются в современных теоретических расчетах, что позволяет сделать следующий шаг по точности в проверке Стандартной модели и, возможно, открытию проявлений Новой физики.