Эксперимент по изучению структуры нейтрона и антинейтрона на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 с детектором СНД, который проводят специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, вышел на новый уровень точности. По сравнению с результатами 2022 года в этом году физики увеличили статистику набора данных в четыре раза, в два раза улучшили точность эксперимента и разработали прецизионный метод регистрации нужных для исследования частиц. Результат 2023 г. согласуется с предыдущим измерением СНД, а также с международным экспериментом BESIII (Китай) в области энергии 2 ГэВ. Результаты опубликованы в журналах «Ядерная физика» и Nuclear Instruments Methods. Работа поддержана грантом РНФ.

Физика высоких энергий изучает продукты соударения элементарных частиц. В ускорителях частиц на встречных пучках, коллайдерах, они сначала разгоняются практически до скорости света, а потом сталкиваются. Так физики проводят экспериментальную проверку Стандартной модели — теории микромира, описывающей всё многообразие частиц во Вселенной и законы взаимодействия между ними. Всего в мире семь действующих ускорителей на встречных пучках, еще шесть находятся на стадии проектирования и строительства.

Что происходит в коллайдере, и зачем частицы подбирают себе компаньонов

При столкновении электронов и позитронов в коллайдере происходит аннигиляция — их исчезновение с рождением других элементарных частиц. Например, на самой крупной установке — Большом адронном коллайдере (БАК, ЦЕРН, Швейцария) — учёные при высоких энергиях (до 6,5 ТэВ) сталкивают протоны с протонами или протоны с тяжелыми ионами. Продуктами таких соударений могут стать бозоны – тяжелые фундаментальные частицы со слабым взаимодействием. Именно при протон-протонном столкновении на БАК был открыт бозон Хиггса. Еще на одном коллайдере, уже российском, ВЭПП-2000 в ИЯФ СО РАН, сталкивают электроны и позитроны. Столкновения происходят на невысоких энергиях — до 2 ГэВ, но и в этой области происходит много интересного. Детекторы регистрируют рождение адронов, то есть частиц, состоящих из кварков: протонов, нейтронов, пи-мезонов, К-мезонов и др. Дальше физики изучают структуру и свойства полученных частиц.

«В ускорительном кольце коллайдера ВЭПП-2000 электроны и позитроны движутся практически со скоростью света, а столкновение пучков происходит с частотой 12 МГц, то есть 12 миллионов раз в секунду, — рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Середняков. — Когда электрон с позитроном сталкиваются, образуется виртуальный фотон, который живет очень непродолжительное время — всего около 10–24 секунды, он рождает кварк и антикварк, которые начинают разлетаться, но обладая свойством конфайнмента, то есть невозможностью существовать по одному в свободном пространстве, каждый кварк рождает еще пару кварков. Так происходит до тех пор, пока случайным образом кварки не соберутся в нужную комбинацию, не подберут себе нужных для реакции “компаньонов”. Например, чтобы появился нейтрон, должны встретиться два d-кварка и один u-кварк, чтобы родился протон — два u-кварка и один d-кварк. Такое же количество кварков только с приставкой “анти” необходимо для появления антинейтрона и антипротона. Такая комбинаторика происходит очень быстро за 10–24 секунды».

Столкновение и электрон-позитронная аннигиляция с последующим рождением элементарных частиц происходят в тех областях коллайдера ВЭПП-2000, где установлены два детектора — КМД-3 (Криогенный магнитный детектор) и СНД (Сферический нейтральный детектор).  Группа физиков-экспериментаторов с детектора СНД занимается как раз изучением структуры нейтрона и антинейтрона. В 2022 г. специалисты ИЯФ первыми в мире измерили структуру данной пары в близи порога реакции, то есть в самый момент ее рождения, когда относительная скорость частиц маленькая. До этого никто не изучал структуру этой пары в пороговой области. В новом эксперименте 2023 г. физики увеличили статистику набора данных в четыре раза, в два раза улучшили точность эксперимента и разработали для калориметра детектора СНД электронику, позволяющую с высокой точностью выделять необходимые процессы.

Новые результаты эксперимента СНД

«Любой эксперимент в физике стремится к увеличению набранной статистики и улучшению точности полученных результатов, — пояснил Сергей Середняков. — Мы продолжаем процесс изучения электрон-позитронной аннигиляции в пару нейтрон-антинейтрон на коллайдере ВЭПП-2000. В последнем измерении мы примерно в четыре раза увеличили статистику — было зарегистрировано около 6000 пар нейтронов-антинейтронов. Это, в свою очередь, повысило точность измерений структуры этих частиц и античастиц в два раза. Полученные в 2023 г. данные согласуются с предыдущим измерением СНД, но, как уже сказано, имеют в два раза лучшую статистическую точность».

Нейтроны входят в класс адронов и состоят из кварков — наименьших частиц материи и глюонов — элементарных частиц, которые «склеивают» кварки между собой, притягивают их при помощи сильных взаимодействий. Поэтому измерение структуры нейтрона и антинейтрона представляет собой изучение суммарных характеристик взаимодействия кварков с кварками, кварков с глюонами и глюонов с глюонами.

«Структура частицы описывается функцией, так называемым электромагнитным формфактором, который определяется движением электрических зарядов кварков и глюонов внутри частицы. Измеряя его значение, мы примерно понимаем, по каким траекториям, с какими скоростями кварки и глюоны движутся внутри нейтрона и антинейтрона, как происходит взаимодействие между ними, —  добавил Сергей Середняков. — Примерно, потому что движение отдельно взятого кварка сложно описываемо. Можно провести такую аналогию: у вещества, например, воздуха, есть температура, которая определяется скоростями и столкновением молекул. Скорости молекул воздуха определяются сложной функцией, или распределением Максвелла. Но в целом вся это сложная функция измеряется и описывается как температура. Так и с формфактором. Теоретики задают некоторые распределения того, как движутся кварки в нейтроне, то есть некоторые вероятности их движения, скорости и др. И на выходе получается электромагнитный формфактор — интегральное, или суммарное описание всех сложных движений кварков, параметров их взаимодействия друг с другом и с глюонами внутри нейтрона. Очень упрощённо можно сказать, что в эксперименте СНД мы измеряем формфактор, как измеряют температуру воздуха».

По словам специалиста, формфактор — это важная измеряемая у элементарных частиц величина, и она всегда была предметом теоретического и экспериментального изучения. Что касается нейтронов и протонов,   значение  их формфакторов в пороговой области в теории предсказывается неоднозначно. Начавшиеся эксперименты на ВЭПП-2000 с детектором СНД измеряют это значение с хорошей точностью, которая каждый год повышается. «Уже сейчас можно сказать, что мы с наилучшей в мире точностью проводим измерение сечения процесса электрон-позитронной аннигиляции в пару нейтрон-антинейтрон, с систематической погрешностью не хуже 10%. Помимо того, что наше новое измерение согласуется с предыдущим, наши данные говорят, например, о том, что по величине формфактор нейтрона меньше формфактора протона», — сказал Сергей Середняков.

Без «усов» лучше

В экспериментальной физике все сводится к точности, то есть к уменьшению «усов» ошибки. Бывают измерения, у которых очень длинные «усы», что говорит о большой ошибке, а значит, о маленькой точности. Предельный вариант точности – отсутствие «усов». Измеренные события, то есть рождение пары частицы и античастицы, физики называют измерением сечения. Сечение (обозначается буквой σ) и измеряется в квадратных сантиметрах. Для выражения сечений столкновений элементарных частиц используют более удобную единицу — 1 нанобарн = 10–33 см².

«Мы измерили сечение процесса аннигиляции электрона и позитрона в пару нейтрон-антинейтрон с хорошей точностью — 0,1 нанобарн (нб), — добавил Сергей Середняков. — И теперь очень интересно увидеть результаты независимых экспериментов по измерению нейтронов-антинейтронов на пороге реакции. На данный момент на уровне энергии до 2 ГэВ ИЯФ СО РАН является первопроходцем. Международный эксперимент BESIII (Китай) работает при более высоких энергиях, но наши результаты стыкуются как раз в области энергии 2 ГэВ, которая для нас является максимальной, а для них — минимальной. Скорее всего, это говорит о том, что и они, и мы все сделали правильно».

Эксперимент 2023 г. стал качественно лучше и с методической точки зрения. Когда происходит электрон-позитронная аннигиляция, рождается огромное количество частиц. Чтобы регистрировать только необходимые события, в данном случае рождение пары нейтрон-антинейтрон, детектирующая электроника должна быть очень чувствительной именно к их сигналам.

«У нейтрона есть свой особый признак — ему нужно время, довольно продолжительное, около пяти наносекунд, чтобы долететь до детектора, — добавляет Сергей Середняков. — Это время задержки для нейтрона мы очень хорошо знаем, а измеряя его в эксперименте можем достоверно выделять необходимые нам события. Для эксперимента СНД мы разработали новый метод регистрации нейтрон-антинейтронных событий. Метод позволяет с высоким разрешением, около 1 наносекунды, измерять время прихода сигнала в каждом из 1640 кристаллов калориметра детектора СНД. Работа с описанием системы измерения времени опубликована в 2023 г. в журнале Nuclear Instruments Methods. Во многом благодаря этому мы и повысили набор статистики и точность эксперимента».

Источник: ИЯФ СО РАН.