Российские физики первыми измерили структуру нейтрона и антинейтрона на самом пороге их рождения
- 28.12.2022
Коллайдер ВЭПП-2000 и два его детектора СНД и КМД-3 создавались в Институте ядерной физики ми. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) для измерения всех адронных состояний, рожденных в электрон-позитронных столкновениях в области энергий до 2 ГэВ. Одно из таких состояний – рождение пары нейтрон-антинейтрон. Специалисты ИЯФ СО РАН первыми в мире измерили структуру данной пары на пороге реакции. До новосибирского эксперимента информации о структуре нейтрона и антинейтрона на пороге процесса не было. Результаты опубликованы в 2022 году в журнале European Physical Journal C и доложены на международных конференциях.
Ранее структура нейтрона и его античастицы (антинейтрона) при энергии около 1 МэВ от порога реакции экспериментально не измерялась. Известно было лишь то, что структура у них одинаковая и измеряются они одновременно. У физиков ИЯФ СО РАН имеется уникальный инструмент – коллайдер ВЭПП-2000, который сегодня является самым интенсивным источником монохроматических антинейтронов. Многие другие коллайдеры также производят огромное количество антинейтронов, но они плохо регистрируются и обладают произвольной энергией. На электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 с детектором СНД физикам ИЯФ СО РАН удается получать четкие события рождения пар нейтрон-антинейтрон с известной энергией.
«Антинейтрон, как и нейтрон, состоит из кварков и глюонов, – рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Середняков. – Нейтрон можно представить, как кастрюлю с кипящим компотом, где ягоды – это кварки, а жидкость – глюоны. Изучение структуры нейтрона – это изучение взаимодействия кварков с кварками, кварков с глюонами и глюонов с глюонами. Очень важно то, что на пороге реакции, когда относительная скорость родившихся частиц маленькая, структуру нейтронов и антинейтронов никто не изучал. Более того, у нас не было четкого теоретического указания, что мы увидим в эксперименте».
Структура частицы описывается функцией, так называемым электромагнитным формфактором, который определяется движением электрических зарядов кварков и глюонов внутри частицы. Фактически, формфактор является самой важной измеряемой величиной. В разных работах предсказывались разные значения формфактора на пороге реакции, и только измерения могли поставить точку в этом вопросе. Своим экспериментом на ВЭПП-2000 с детектором СНД специалисты ИЯФ СО РАН эту точку поставили.
«Движение электрических зарядов внутри нейтрона и антинейтрона в среднем одинаковое – они у нас рождаются одновременно и формфактор у них единый. Годом ранее появились аналогичные данные с детектора BESIII, где, кстати, участвуют также сотрудники ИЯФ. Но их данные относятся к более высоким энергиям, где уже начинают работать асимптотические предсказания. Однако в наиболее интересной области – на пороге рождения нейтрон-антинейтронных пар – экспериментальных данных не было, и мы заполнили этот пробел. Дальше полезна будет верификация наших результатов, проведение экспериментов на других установках. В ближайшие время наши коллеги сделают измерение на другом детекторе ИЯФ СО РАН – КМД-3, и это будет момент истины! Но уже сейчас наши результаты стыкуются с результатами китайского эксперимента BESIII при более высоких энергиях. В нашем институте также ведется работа по теоретическому обоснованию величин полученных формфакторов. Отмечу, что расчетное значение на пороге было очень близко к экспериментальному».
По словам ученого, число произведенных антинейтронов на ВЭПП-2000 может достичь величины 0.5 млн/год. «Это даст возможность произвести более точные измерения обоих формфакторов (электрического и магнитного) антинейтрона, а также измерять сечения взаимодействия (упругое и неупругое) антинейтронов с разными веществами. Эти новые данные несомненно будут востребованы».
Фото 1: 3D-визуализация калориметра детектора СНД ИЯФ СО РАН. Предоставлено С. Середняковым.
Фото 2: Измеренный в данной работе формфактор нейтрона (кружки) в сравнении с результатами BESIII (треугольники) и измеренным в эксперименте BaBar формфактором протона (квадраты). Предоставлено С. Середняковым.