29 декабря 2021

Эффект, обнаруженный на коллайдере ИЯФ СО РАН, позволит уточнить теоретические расчеты в международном эксперименте по физике частиц

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.