Стандартная модель (СМ) – современная теория микромира – хорошо описывает взаимодействия элементарных частиц. Множество параметров в СМ, например, массы кварков, лептонов, калибровочных бозонов и др., позволяют ученым предполагать существование Новой физики – явлений, которые не согласуются со СМ. Эксперимент по поиску Новой физики готовится в японском протонном ускорительном комплексе J-PARC. Специалисты института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), принимающие участие в международной коллаборации, разработали, изготовили и успешно испытали прототип детектора для J-PARC. В настоящий момент идет разработки детектора, который в 2019 г. установят в J-PARC в префектуре Ибараки. Прибор позволит проверить корректность работы строящегося мюонного ускорителя.


Одно из направлений поиска физики за рамками СМ – измерение в эксперименте и сравнение с теоретическими расчетами значения аномального магнитного момента мюона. Физики используют именно эту величину, потому что ее можно очень точно рассчитать в рамках теории и так же точно ее можно измерить экспериментально. Подобные эксперименты ранее проводились в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN, серия экспериментов CERN-I, CERN-II, CERN-III) и в Брукхейвенской Национальной лаборатории (BNL, эксперимент E821). На сегодняшний день наиболее точное измерение аномального магнитного момента мюона отличается от теоретического расчета в рамках СМ более чем на три стандартных отклонения. Это означает, что вероятность такого случайного отклонения около 0,1% при условии, что погрешность эксперимента определена правильно. Отклонение может быть как указанием на существование физики вне СМ, так и следствием недооценки систематических погрешностей в эксперименте или расчете. Поэтому нужны более точные эксперименты.

 

Прототип детектора разработанный в ИЯФ СО РАН представляет собой монитор со сцинтилляционной пленкой. Фотография Г
Прототип детектора разработанный в ИЯФ СО РАН представляет собой монитор со сцинтилляционной пленкой. Фотография Г. Разуваева.

На настоящий момент набор данных осуществляется в эксперименте E989 в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб), который продлится около двух лет, а также готовится эксперимент E34 на японском протонном ускорительном комплексе (J-PARC) – ведется строительство мюонного ускорителя в селе Токай префектуры Ибараки. Задача каждого эксперимента с большей точностью измерить величину аномального магнитного момента мюона.

Для эксперимента E34 специалисты ИЯФ СО РАН изготовили прототип системы диагностики мюонного пучка, который в 2018 г. прошел все испытания и продемонстрировал работоспособность. Теперь физики ИЯФ СО РАН разрабатывают детектор для мюонного ускорителя J-PARC.

«Наш детектор – это только одна из систем диагностики мюонного ускорителя. Все они нужны для того, чтобы еще до начала эксперимента понимать, какими параметрами будет обладать пучок – от этого зависит результат работы, – рассказывает участник коллаборации J-PARC, научный сотрудник ИЯФ СО РАН Георгий Разуваев. – Детектор, разработанный в Институте, будет измерять поперечный профиль пучка – то есть регистрировать зависимость количества мюонов от их положения в пространстве, распределение частиц в пучке. Все эти параметры будут отображаться в виде двухмерной картинки. Детектор представляет собой монитор со сцинтилляционной пленкой».

Работа детектора ИЯФ СО РАН основана на следующем принципе: потоки мюонов, проходящие через сцинтилляционный слой толщиной три микрометра, излучают свет в видимом диапазоне, который с высокой чувствительностью, низкими шумами и возможностью держать экспозицию до 50-ти дней фиксирует специальная фотокамера.

 

Изображение профиля пучка на мониторе прототипа детектора. Иллюстрация ГИзображение профиля пучка на мониторе прототипа детектора. Иллюстрация Г. Разуваева.

«Чем толще сцинтилляционная пленка, тем больше приходится света на частицу и тем сильнее сигнал – соответственно, его легче зарегистрировать. Но толстая пленка сильнее влияет на структуру пучка, – поясняет Георгий Разуваев. – Необходимо было подобрать такие параметры материала, которые бы эффективно справлялись с этими исключающими друг друга задачами. Наша пленка максимально тонкая и минимально влияет на пучок. Технология детектора, разработанная в нашем Институте, позволит специалистам J-PARC работать с пучками нужных параметров».

По словам Георгия Разуваева, экспериментальные результаты значения аномального магнитного момента мюона, измеренные в предыдущих экспериментах, и предсказания теории физики элементарных частиц расходятся довольно значительно – в Стандартной модели предсказания отличаются от измерений на 3,5-4 стандартных отклонения, но для обоснованного утверждения, что это действительно проявления Новой физики, необходимы более точные эксперименты.

«Сцинтилляционный детектор, разработанный нашими коллегами из Будкеровского института, обладает уникальной технологией регистрации мюонного пучка, – рассказывает руководитель мюонного эксперимента J-PARC, профессор Цутому Мибе (Tsutomu Mibe). – Благодаря этому мы сможем без помех контролировать характеристики пучка мюонов в эксперименте J-PARC».

В эксперименте E34 реализован отличный от E989 (Фермилаб) подход. Здесь будет использован охлажденный пучок мюонов, который позволит отказаться от электростатической фокусировки и проводить измерения при значительно меньшем импульсе мюонов, что позволит избежать целого комплекса систематических погрешностей.

 

Научная группа ИЯФ СО РАН и коллеги из J PARС во время испытаний прототипа детектора. Фотография Б. ШварцаНаучная группа ИЯФ СО РАН и коллеги из J-PARС во время испытаний прототипа детектора. Фотография Б. Шварца.

«Эмиттанс мюонного пучка (фазовый объем пучка в ускорителе) в эксперименте J-PARC меньше, чем в эксперименте Фермилаб, а значит выше качество пучка, – добавил профессор Мибе. – Это позволило нам ослабить фокусирующее поле для удержания мюонов на равновесной орбите, используя только магнитное поле, и работать с более компактным накопительным кольцом; увеличить эффективность инжекции и др. Также наша техника эксперимента сильно отличается от Фермилаб. Таким образом, эксперимент J-PARC становится уникальным и ценным инструментом для определения аномального магнитного момента мюона».

Благодаря разным методам измерения аномального магнитного момента мюона систематические ошибки в этих двух экспериментах будут практически независимы.

Работы проводятся при поддержке гранта РФФИ-JSPS Российского фонда фундаментальных исследований и Японского общества продвижения науки.

Подготовила Вероника Болонева.