Физика элементарных частиц занимается изучением структуры и свойств фотонов, адронов и лептонов, то есть базового состава материи. На сегодняшний день специалистам известны характеристики (время жизни, масса, спин, электрический заряд) более трехсот элементарных частиц. Благодаря этим данным ученые уточняют параметры Стандартной модели – современной теории, описывающей фундаментальные взаимодействия элементарных частиц.
Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-4М с детектором КЕДР измерили с лучшей в мире точностью массу заряженного D-мезона – адрона, состоящего из кварк-антикварковой пары, и участвующего в сильном взаимодействии. Значение, полученное физиками, будет внесено в Particle Data Group (PDG) как эталонное, именно по нему будут калибровать работу своих установок специалисты в последующих экспериментах. Статья принята к публикации в журнале «Физика элементарных частиц и атомного ядра».
Ускорительный комплекс ВЭПП-4 представляет собой уникальную установку, основное назначение которой – проведение экспериментов со встречными электрон-позитронными пучками. Комплекс ВЭПП-4 состоит из инжектора, промежуточного накопителя ВЭПП-3 и электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4М с детектором КЕДР. Физическая программа коллайдера включает в себя прецизионное измерение масс элементарных частиц, рожденных на энергии до 6 ГэВ. На новосибирском коллайдере были измерены с рекордной точностью массы таких частиц, как J/psi, psi(2s) и psi(3770) мезоны, tau-лептон. Прецизионные измерения масс J/psi и psi(2s) мезонов с детектором КЕДР, входят в десятку наиболее точно известных масс элементарных частиц, измеренных за всю историю физики. В 2008 г. закончен эксперимент по измерению массы tau-лептона с лучшей в мире точностью.
«Все полученные на детекторе КЕДР результаты по измерению масс этих частиц – одни из самых точных в мире, – прокомментировал научный сотрудник ИЯФ СО РАН Иван Овтин. – По ним проводят калибровки своих ускорителей специалисты из других экспериментов, например, BEPC II (Beijing Electron–Positron Collider II). В конце 2024 г. мы закончили обработку данных, набранных в 2016-2017 г. Эксперимент был направлен на измерение массы нейтрального и заряженного D-мезонов. Эти частицы состоят из очарованных кварков, и, например, нейтральный D-мезон является основным состоянием в семействе мезонов с открытым чармом (очарованием). Измерение масс нейтрального и заряженного D-мезонов задает основные реперы в шкале масс для более тяжелых возбужденных состояний. Также точность масс важна для определения порога рождения пар D-мезон и анти D-мезон. Еще измерение масс D-мезонов может использоваться в описании открытого в эксперименте Belle резонанса X(3782). По некоторым предположениям он может быть тетракварком, то есть состоять из четырех кварков, а может быть молекулой, состоящей как раз из D-мезонов (D^0 и D*^0 мезонов). Поэтому для дальнейшего изучения резонанса и необходимо измерять массу D-мезонов с высокой точностью».
До измерения массы заряженного D-мезона в 2024 г. в PDG были занесены данные других трех экспериментов: MARK II (SLAC, 1981 г.), ACCMOR (ЦЕРН, 1990 г.) и КЕДР (ИЯФ СО РАН, 2010 г.). Специалисты ИЯФ СО РАН увеличили точность своего нового эксперимента почти в два раза, тем самым получив наиболее точную массу этой частицы.
dp combination
Результаты измерения заряженного D-мезона в ИЯФ СО РАН и его сравнение с другими измерениями. Предоставлено И. Овтиным.
«Преимущество экспериментов на детекторе КЕДР заключается в том, что мы проводим прямые измерения масс D-мезонов и с высокой точностью измеряем энергию пучка, – добавил Иван Овтин. – То есть по их прямому рождению в распадах psi(3770), которое происходит на энергии 3770 ГэВ в центре масс. В других же экспериментах используют либо каскадные процессы, при которых D-мезон является продуктом распада каких-то других частиц, либо калибруют энергию по другим частицам. Наше прямое измерение позволяет повысить точность эксперимента. Масса заряженного D-мезона, измеренная в 2024 г. на КЕДРе, на данный момент является наиболее точной в мире. Мы увеличили общую точность эксперимента (систематическую и статистическую ошибку) в 1,8 раз по сравнению с тем, что проводился у нас же в 2010 г. В ближайшее время данные по заряженному D-мезону будут занесены в PDG и станут основными для этой частицы. Также мы в два раза улучшили свой предыдущий эксперимент по измерению массы нейтрального D-мезона, который также проводили в 2010 г. Здесь мы не самые лучшие, лидирующую позицию занимает эксперимент CLEOс (Cornell, 2014 г.), но благодаря новой обработке данных мы уточнили свое собственное значение и внесли вклад в точность среднемирового значения».