В электрон-позитронных столкновениях на коллайдере ВЭПП-2000 рождаются и регистрируются детекторами КМД-3 и СНД лептоны, пионы, каоны, ро, омега и фи-резонансы, а также их возбужденные состояния, состоящие из легких кварков. Молодые ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) Дмитрий Шемякин, Вячеслав Иванов и Сергей Грибанов внесли значительный вклад в анализ данных и разработку методики идентификации частиц с детектором КМД-3. Результаты измерений адронных сечений опубликованыexternal link, opens in a new tab в журнале Physics Letters B и отмеченыexternal link, opens in a new tab медалью Российской академии наук для молодых ученых.
Прецизионные данные по сечениям рождения адронов востребованы многими группами физиков во всем мире. В частности, в свете последних измерений аномального магнитного момента мюона (g-2) в лаборатории им. Ферми (США) достигнута относительная точность измерения этой величины 0.46 ppm. Согласно проекту этого эксперимента, конечная точность измерений должна достигнуть уровня 0.14 ppm. Однако, для сравнения экспериментального результата с теоретическим предсказанием в рамках Стандартной модели, нужны прецизионные экспериментальные данные по адронным сечениям, использующиеся при вычислении вклада сильного взаимодействия. Расхождение между экспериментом и предсказанием будет служить указанием на существование «Новой физики» выходящей за рамки Стандартной модели. Измерению адронных сечений и изучению динамики рождения конечных частиц и посвящены работы молодых ученых.
Медаль РАН присвоена научному сотруднику ИЯФ СО РАН Дмитрию Шемякину и младшим научным сотрудникам института Сергею Грибанову и Вячеславу Иванову за работу «Изучение процессов аннигиляции электрон-позитронной пары в адроны с детектором КМД-3 на ускорительном комплексе ВЭПП-2000».
«Общая цель этих экспериментов — измерить адронные сечения и разобраться с промежуточной динамикой, которая определяет механизм рождения данного конечного состояния. При этом каждый из нас изучает свои процессы электрон-позитронной аннигиляции с множественным рождением пионов, каонов и других частиц. У меня это процесс e+e− → K+K−π+π−, когда в конечном состоянии рождаются два заряженных каона и два заряженных пиона. У Вячеслава Иванова это процесс e+e− → K+K−ƞ, когда в конечном состоянии кроме двух заряженных каонов есть еще и эта-мезон. У Сергея Грибанова это процесс с пятью пионами (четыре заряженных и один нейтральный)», — прокомментировал соавтор исследования, научный сотрудник ИЯФ СО РАН Дмитрий Шемякин.
По словам ученого, актуальность экспериментов на коллайдере ВЭПП-2000 связана с тем, что в настоящий момент не существует последовательной теории, которая описывала бы адронные взаимодействия при низких энергиях. Квантовая хромодинамика успешно применяется для расчетов при энергиях в системе центра масс выше 2 ГэВ, при меньших энергиях применяются феноменологические модели. Чем выше точность измерения адронных сечений, тем более корректно может быть выбрана феноменологическая модель, описывающая взаимодействия адронов и тем самым лучше понять физику сильных взаимодействий частиц с легкими кварками.
Экспериментальные данные по адронным сечениям, полученные в ходе работы на коллайдере ВЭПП-2000, имеют важное значение для новой физики. В частности, эти эксперименты важны для интерпретации результатов международного эксперимента по измерению аномального магнитного момента мюона (лаборатория им. Ферми, США). Определяющий вклад в точность теоретического расчета этой величины вносит измерение адронных сечений при энергиях в системе центра масс меньше 2 ГэВ.
«Каждое конкретное измерение сечения процесса e+e− → адроны будет вносить свой вклад в улучшение теоретической точности расчета», — отметил Дмитрий Шемякин.
Аномальный магнитный момент (АММ) мюона — это небольшое отклонение магнитного момента частицы от «стандартной» величины, возникающее из-за квантово-полевых эффектов рождения виртуальных частиц. Теоретически этот эффект был предсказан Нобелевским лауреатом Джулианом Швингером. Один из первых экспериментов по измерению АММ мюона был поставлен в ЦЕРН (1960-х годах) и блестяще подтвердил теоретическое предсказание. Однако по мере уточнения измерений АММ в последующих экспериментах возникла потребность в соответствующем уточнении теоретического предсказания. На сегодняшний день различие между экспериментом и предсказанием составляет 4,2 стандартных отклонений, что уже может служить намеком на существование новых взаимодействий вне рамок Стандартной модели.
«В точность теоретического расчета АММ основной вклад вносят сечения рождения пары пионов (π+π-). Следующие по значимости каналы — это каналы с тремя пионами (π0π+π−) и с парой каонов. Физическое сообщество с нетерпением ждет публикаций окончательных результатов детекторов КМД-3 и СНД для этих процессов. Всего в этой области энергий ВЭПП-2000 существует порядка тридцати различных реакций электрон-позитронной аннигиляции. Все эти процессы имеют свою специфическую эффективность регистрации, радиационные поправки и многие другие эффекты, которые “обязывают” измерять сечения каждого из этих каналов по отдельности», — пояснил научный консультант работы, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Геннадий Федотович.
Измерение адронных сечений с процентной точностью требует досконального знания работы всех подсистем детектора КМД-3. Поэтому серьезная часть исследований наших лауреатов была уделена калибровкам детектора КМД-3. Команда ВЭПП-2000 обеспечила прецизионное измерение энергии пучков коллайдера с точностью порядка 50 кэВ методом обратного комптоновского рассеяния лазерных фотонов. Идентификация частиц в детекторе осуществляется на основе совокупной информации с каждой из подсистем детектора. Качество работы детектора непрерывно мониторируется во время набора статистики: делаются электронные калибровки, калибровки с космическими частицами, калибровки с одним пучком и т.д. Информация, отображаемая на онлайн гистограммах позволяет оперативно реагировать на возникающие проблемы. Каждый участник работы внес свой вклад в создание калибровок подсистем детектора КМД-3. Так, область ответственности Вячеслава Иванова — жидкоксеноновый калориметр, позволяющий с высокой точностью измерять ионизационные потери заряженных частиц. Это потенциально очень информативная часть детектора. Разные заряженные частицы, пролетая через слои калориметра, теряют разное количество энергии на единицу длины вдоль своей траектории. Вячеслав разработал методику разделения типа частиц с использованием машинного обучения. Также он занимался анализом процесса с рождением К+К-ƞ и опубликовал результат, в котором параметры φ’(1680)-мезона (масса, ширина, сечение в пике) были измерены точнее, чем где-либо в мире.
Сергей Грибанов занимался изучением процесса e+e− → ηπ+π-, анализируя данные, набранные КМД-3 в период с 2011 по 2017 годы. В результате анализа сечение процесса e+e-→ ŋπ+π- было измерено с наилучшей в мире статистической точностью. Систематическая ошибка измерения сечения составила 6%, что сопоставимо с результатами других экспериментов (BaBar и СНД). В результате интерпретации сечения процесса e+e- → ηπ+π- в рамках модели векторной доминантности были сделаны выводы о динамике. Было подтверждено, что промежуточное состояние η-ρ (эта-ро) действительно доминирует в данном процессе. Эти результаты были опубликованы в журнале JHEP: 0.1007/JHEP01(2020)112. Надо отметить, что при изучении процесса e+e- → ηπ+π- Сергей применил новый метод получения борновского сечения, путем численного решения интегрального уравнения, связывающего видимое и борновское сечения. Статья, посвященная новому методу получения борновского сечения, также была опубликована в журнале JHEP: 10.1007/JHEP11(2021)203. Необходимо отметить также другую важную методическую задачу, решенную ученым: им был разработан новый программный пакет кинематической реконструкции для детектора КМД-3, который позволяет дополнительно делать и геометрическую реконструкцию, то есть определять координаты вершин, в которых происходят распады частиц. Этот пакет оказывается особенно полезным при анализе процессов с долгоживущими частицами, такими как KS мезон, и уже активно используется коллаборацией КМД-3.
Молодые ученые планируют измерять и другие адронные сечения.
«Нас интересует динамика рождения частиц в электрон-позитронной аннигиляции. Когда увеличится статистика, а значит и точность измерения, у нас появится возможность лучше понять динамику рождения частиц и физику взаимодействия легких кварков», — пояснил Дмитрий Шемякин.
Сергей Грибанов, Дмитрий Шемякин, Вячеслав Иванов Юлия Клюшникова