Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) с точностью 0,8% измерили сечение процесса электрон-позитронной аннигиляции в два пи-мезона (пиона) в области энергий до 1 ГэВ на коллайдере ВЭПП-2000. Полученные данные внесут свой вклад в решение одной из фундаментальных задач современной физики – измерения и сравнения с теоретическими расчетами значения аномального магнитного момента мюона. Это сравнение позволит сделать вывод о существовании отклонения от Стандартной модели. Результаты приняты к публикации в Journal of High Energy Physics. Работа поддержана грантами РФФИ 14-02-00129-а и 16-32-00542-мол_а.

ВЭПП 2000 Автор Максим Кузин

ВЭПП-2000. Автор фото - Максим Кузин 

В настоящий момент наиболее полной теорией, которая описывает мир элементарных частиц, является Стандартная модель. Это устоявшаяся и самосогласованная конструкция, и её предсказания выполняются с огромной точностью. Однако физики уверены, что Стандартная модель лишь приближенно описывает наш мир, о чем свидетельствуют, например, астрофизические наблюдения.

Поэтому ученые ищут проявления Новой физики за пределами существующей теории. В лабораторных условиях проверить, существует ли Новая физика, можно в прецизионных экспериментах по изучению свойств элементарных частиц.

Одну из наиболее интригующих несостыковок Стандартной модели, отличие между рассчитанным и измеренным значениями аномального магнитного момента мюона, ученые не могут объяснить более 10 лет. Величина аномального магнитного момента определяется так называемыми радиационными поправками, в которые вносит вклад рождение и уничтожение пар виртуальных частиц и античастиц любых, даже еще не открытых, типов. В Стандартной модели большинство вкладов в аномальный магнитный момент мюона вычисляются теоретически. Однако для расчета вклада рождения адронов требуются экспериментальные данные, которые можно получить только в экспериментах на коллайдерах. Именно этим заняты физики на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 в ИЯФ СО РАН.

«Для этих расчетов важно знать полное сечение аннигиляции электронов и позитронов в адроны, которое мы определяем как сумму сечений различных процессов, – пояснил заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Владимир Дружинин. – Аннигиляция – это процесс взаимного исчезновения одних частиц, в нашем случае, электронов и позитронов, с последующем рождением новых частиц, в обсуждаемом эксперименте – пи-мезонов. Самый большой вклад в полное сечение вносит как раз процесс аннигиляции в пару заряженных пи-плюс и пи-минус мезонов. Он же дает доминирующий вклад в ошибку расчета аномального магнитного момента мюона».

Чтобы разрешить загадку аномального магнитного момента мюона и понять, является ли она свидетельством существования Новой физики, нужно добиться максимальной точности в проводимых измерениях. Сечение рождения пары заряженных мезонов ранее измерялось в ИЯФ СО РАН на коллайдере ВЭПП-2М, кроме того, проводились измерения методом радиационного возврата на коллайдерах в Италии, США и Китае. Все эти эксперименты декларируют маленькую систематическую погрешность, меньше 1%, однако существенно расходятся между собой. Этот несоответствие как раз и предстоит разрешить физикам.

«Если сравнить зависимости сечения рождения пи-мезонов от энергии столкновения, измеренные в разных экспериментах, – прокомментировал Владимир Дружинин, – то разница достигает 5% и существенно больше объявленных систематических ошибок. Мы проводим новое измерение на ВЭПП-2000. В настоящий момент обработана часть накопленного материала с детектора СНД. Полученные данные хорошо согласуются с нашими старыми измерениями на ВЭПП-2М. Мы уже получили точность лучше 1% и сможем её улучшить. Кроме того, нужно получить независимые измерения со второго детектора, работающего на ВЭПП-2000, КМД-3. Это позволит отбросить ошибочные данные и, возможно, понять, в чем заключается причина расхождений между экспериментами».

Результаты были получены группой сотрудников, работающих на детекторе СНД, а анализ данных выполнен младшим научным сотрудником ИЯФ СО РАН Андреем Купичем под руководством главного научного сотрудника ИЯФ СО РАН, доктора физико-математических наук Михаила Ачасова.