Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели измерение вероятности рождения пары пионов в результате столкновения пучков электронов и позитронов. Эксперименты проводились с помощью детектора КМД-3 на коллайдере ВЭПП-2000 с 2013 по 2020 годы. Рекордный объем набранных данных позволил провести очень детальное измерение. Результат стал сюрпризом – вероятность оказалась выше, чем наблюдалась ранее в экспериментах, проводимых в разных странах на протяжении 60 лет.

Этот результат озадачил физиков. Дело в том, что вероятность рождения пионов используется для расчета вклада в аномальный магнитный момент мюона (АМММ). Магнитный момент отражает силу взаимодействия частицы с магнитным полем. Аномальный магнитный момент возникает в результате взаимодействия частицы с короткоживущими ненаблюдаемыми, или виртуальными, частицами. Величина АМММ предсказывается с высокой точностью Стандартной моделью, существующей теорией, описывающей физику микромира. Именно в этом расчете используется вероятность рождения пионов. В последние годы АМММ был измерен с высокой точностью и результаты измерений отличались от значения, предсказанного Стандартной моделью. Это отличие вызвало огромный интерес научного сообщества, так как оно указывало на существование Новой физики – явлений (частиц и сил), не описываемых Стандартной моделью.

Результаты измерения вероятности рождения пары пионов в электрон-позитронной аннигиляции, то есть в процессе взаимного исчезновения и рождения новых частиц, физики ИЯФ СО РАН примерно в два раза сократили наблюдаемое различие между экспериментальным значением АМММ и предсказанием СМ. Новый результат вместе с детальным описанием эксперимента опубликован в архиве международной научной библиотеки, готовится статья для научного журнала.

Почему мюон

Аномальный магнитный момент есть у любой заряженной частицы, но наиболее интересно его изучать именно у мюона.

«Плюс мюона в том, что физики умеют получать эти частицы в большом количестве, а также в том, что они живут относительно долго – целых 2 микросекунды. Частица представляет собой небольшой магнитик, он проворачивается в магнитном поле, и по углу его поворота измеряется величина АММ. Если частица короткоживущая, как, например, тау-лептон, АММ которого тоже было бы очень интересно измерить, она успевает повернуться на очень маленький угол до того, как умирает (распадается). А вот мюон, напротив, успевает сделать десятки полных оборотов, поэтому величину АММ мюона можно измерить очень хорошо. С еще большей точностью, приблизительно в 1000 раз, измеряют АММ электрона, который живет бесконечно долго. Но тут в дело вступает еще одно преимущество мюона – он в 200 раз тяжелее электрона и его АММ гораздо чувствительней, примерно в 40000 раз, к вкладу тяжелых частиц. Поэтому именно для мюона интереснее всего сравнить величину АММ, измеренную в эксперименте, с предсказанием Стандартной модели. Если мы увидим отличие, то это указывает на Новую физику – что существуют какие-то силы и частицы, которые вносят свой вклад в АММ и которые мы не учитываем в Стандартной модели», – пояснил заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе доктор физико-математических наук Иван Логашенко.

Связь АМММ и вероятности рождения адронов

Измерения АМММ проводились в течение последних 60 лет в разных лабораториях мира. В начале 2000-х годов в Брукхейвенской лаборатории (США) впервые было проведено измерение с относительной точностью 0,000054 %. Наиболее точный эксперимент по измерению АМММ проводится сейчас в лаборатории Фермилаб (США). Первый результат был представлен в 2021 году, он хорошо согласовывался с предыдущими измерениям. В течение ближайших нескольких лет команда эксперимента планирует достичь точности 0,000014 %.

Удивительным и очень интригующим результатом экспериментов в Брукхейвене и Фермилабе стало то, что измеренное значение довольно сильно отличалось от теоретического предсказания существующей теории, Стандартной модели – более, чем на 4 стандартных отклонения. Такое отличие может указывать на существование той самой Новой физики.

Рассчитать величину АМММ в рамках Стандартной модели – очень сложная задача. Свой вклад в АМММ вносят все известные нам силы, которые наблюдаются в микромире – электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. Вклад первых двух теоретики научились вычислять с очень высокой точностью, значительно превышающей точность измерения. А вот рассчитать вклад сильных взаимодействий «на кончике пера» теоретики до самого последнего времени не умели. Чтобы решить эту задачу, пришлось привлекать эксперимент.

Оказалось, что, хотя мы и не умеем напрямую вычислять вклад сильных взаимодействий в АМММ, теория позволяет связать этот вклад с другой величиной, которую можно измерить. Необходимо в эксперименте измерить вероятность рождения адронов, частиц, которые состоят из кварков и участвуют в сильных взаимодействиях, при аннигиляции электрона и позитрона. Просуммировав правильным образом эту вероятность при различных энергиях электрона и позитрона, мы и получим искомый вклад в АМММ.

Оказалось, что наиболее важный диапазон энергий, в котором надо провести такие измерения – это энергии порядка одного гигаэлектронвольта (ГэВ). При таких энергиях среди всех возможных комбинаций чаще всего рождается пара заряженных пи-мезонов. Точность измерения вероятности рождения такой пары и определяет конечную точность вычисления вклада сильных взаимодействий в АМММ.

Эксперимент на коллайдере ВЭПП-2000

В ИЯФ СО РАН работает коллайдер ВЭПП-2000, в котором сталкиваются и аннигилируют пучки электронов и позитронов. Область энергий, в которой работает ВЭПП-2000, от 0,36 до 2 ГэВ, как раз наиболее важна для определения вклада сильных взаимодействий в АМММ. Новосибирский коллайдер – самый производительный в мире в своей области энергий. С 2010 года, когда на нем начались эксперименты, был накоплен рекордный объем экспериментальных данных. Это позволило с помощью детектора КМД-3 провести очень точное измерение вероятности рождения пары пионов при аннигиляции электронов и позитронов. Эксперимент оказался непростым – потребовалось около 10 лет от первого набора данных до публикации результата (и еще столько же времени на создание установки).

«Детектор любого эксперимента – это очень сложная установка с различными подсистемами: дрейфовой камерой, калориметрами, различной электроникой. Чтобы все это собрать в единое целое и поддерживать работу установки, требуется много людей. Анализ начинается после того, как набраны данные. Но набрать данные – это не значит, что сразу получается финальный результат, описывающий, например, количество родившихся частиц. Набранные данные – это информация о том, что в определенном канале сработала определенная проволочка, или в одном из каналов калориметра зарегистрирована какая-то амплитуда. Поэтому большая часть усилий направлена на калибровку всех каналов, чтобы было понятно, где и какая частица пролетела, и можно было реконструировать ее параметры. Здесь тоже задействовано много специалистов. После того, как реконструкция событий произведена, мы располагаем набором данных, которые включают и сигнальные, и фоновые процессы», – прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Фёдор Игнатов.

Часть анализа заключается в том, чтобы отделить нужные процессы от ненужных и подсчитать, сколько пионов родилось.

«Например, мы регистрируем три трека, значит, родилось не два пиона, а три. Или регистрируем два трека, но энерговыделение в калориметре больше, чем могут дать пионы, значит, пролетели электрон и позитрон. Это тоже очень большая часть работы, так как необходимо учесть много эффектов, и сколь точнее мы хотим получить результат, столь тщательнее требуется проверка. Анализ занимает много времени. Например, анализ эксперимента КМД-3 длится с 2009 года», – пояснил Фёдор Игнатов.

Большой объем и высокое качество экспериментальных данных и их тщательный анализ позволили получить надежный результат и высокую точность измерений, лучше 1 %.

«Мы набрали рекордную статистику по сравнению со всеми предыдущими экспериментами. Анализ, который мы проводили, очень детальный, мы нацеливались на наиболее точный результат. О надежности полученных данных говорят многочисленные внутренние проверки – мы провели несколько наборов данных в разных условиях, использовали разные методики анализа. Мы также провели комплексную проверку, измерив вероятность рождения пары мюонов. Этот процесс похож на процесс рождения пары пи-мезонов, при этом его теория хорошо известна. Полученный нами результат с высокой точностью совпадает с теорией», – пояснил Иван Логашенко.

Результат детектора КМД-3 коллайдера ВЭПП-2000 и АМММ

Результат измерения команды КМД-3 стал неожиданным – вероятность рождения пары пи-мезонов оказалась выше, чем в предыдущих экспериментах, проводимых в разных странах на протяжении последних десятилетий.

Из-за важности этого процесса для вычисления вклада сильных взаимодействий в АМММ, многие экспериментальные группы проводили измерения вероятности рождения пары пи-мезонов. Похожие прямые измерения были проведены около 20 лет назад на коллайдере ВЭПП-2М, предшественнике ВЭПП-2000, в экспериментах КМД-2 и СНД. Измерения с помощью другого метода, метода радиационного возврата, были сделаны в 2000-х годах на электрон-позитронных фабриках, коллайдерах с очень высокой производительностью, в США, Италии и Китае. Многие из этих измерений тоже достигли точности лучше 1 %.

Между этими измерениями нет полного согласия. Результаты прямых измерений на ВЭПП-2М неплохо согласовывались между собой. А в 2022 году свой первый результат по измерению вероятности рождения пары пи-мезонов выдала команда детектора СНД – второго эксперимента, который работает на ВЭПП-2000 одновременно с КМД-3. И этот первый результат тоже согласовывался с результатами ВЭПП-2М. Но эти измерения расходились с измерениями, полученными методом радиационного возврата, причем последние расходились и между собой. Величина расхождения небольшая – несколько процентов, но для точных измерений это очень много.

В последние годы появился новый метод расчета вклада сильных взаимодействий в АМММ – вычисления на решетке. Это метод теоретического расчета, основанный на компьютерном моделировании. В расчетные параметры закладываются базовые принципы физики сильных взаимодействий и проводится моделирование, в результате которого высчитывается вклад в АМММ. Этот расчет не зависит от измерений, подобных тем, которые проводятся на ВЭПП-2000. Долгое время недостатком этого подхода было то, что он не позволял достичь высокой точности. Но в 2021 году впервые был сделан расчет с точностью лучше 1 %, то есть, такой же, как в прямых экспериментах. Оказалось, что результат решеточных вычислений вклада сильных взаимодействий в АМММ заметно отличается от результата вычислений на основе экспериментальных данных, и, если использовать его, то измеренное значение АМММ начинает согласовываться с теоретическим. Пока этот расчет единственный и большое количество ученых в мире работает над его проверкой.

Итак, между существующими измерениями вероятности рождения пары пи-мезонов нет согласия. Новое измерение КМД-3 только усложнило картину – оно отличается от предыдущих измерений, включая измерения на ВЭПП-2М и первое измерение СНД на ВЭПП-2000. Эта картина сама по себе была головоломкой для физиков, поскольку все перечисленные эксперименты и расчеты были тщательно проверены и проведены примерно с одинаковой точностью лучше 1 %. Но теперь картина стала еще более интересной – результаты КМД-3 хорошо согласуются с решеточными вычислениями.

«Мы ставили перед собой задачу провести самый точный эксперимент по измерению вероятности рождения пары пи-мезонов с рекордной статистикой, который внесет определенность в вопрос АМММ. Вообще говоря, все результаты должны совпадать, поскольку описывают одну и ту же теорию сильных взаимодействий, и речь идет о разных измерениях одной величины. Почему решеточные вычисления не совпадали с вычислениями, сделанными с помощью экспериментальных данных – это большая загадка. Сейчас вопрос АМММ стал еще более сложным, потому что наш последний результат совпадает с решеточным, но отличается от всех остальных. Почему так происходит, можно трактовать по-разному. Возможно, в предыдущих измерениях не учитывался какой-то общий эффект – такое в истории бывало», – прокомментировал Иван Логашенко.

Что дальше

«Конечно, наш последний анализ не закроет вопрос изучения АМММ. Необходимо и дальше проводить эксперименты с лучшей точностью, чтобы подтвердить собственные измерения. Также необходимы независимые эксперименты для верификации полученного результата. Например, в Японии на Belle II уже набирают данные для измерения вероятности рождения двух пионов в электрон-позитронной аннигиляции. В будущем и в ИЯФ продолжится работа по увеличению точности эксперимента. Думаю, в ближайшие пять-десять лет у нас появится точное понимание, согласуются наши значения или же расходятся, свидетельствуя о Новой физике», – пояснил Фёдор Игнатов.

«Мы проверили все, что могли проверить, и уверены в своем результате, хотя и понимаем, что всегда есть место ошибке. Мы ждем уточняющих данных со второго детектора коллайдера ВЭПП-2000, СНД. Дальнейший этап – всесторонняя проверка нашего результата мировым научным сообществом. Если он подтвердится, разница между измеренным и предсказанным теорией АМММ сократится. Это не означает, что Новой физики нет, но это означает, что она должна проявляться при больших энергиях. Новые частицы могут существовать, но их масса такая большая, что мы их пока не видим даже на Большом адронном коллайдере», – прокомментировал Иван Логашенко.

«Новая физика подразумевает сложные модели, описывающие наш мир, а мне кажется, что мир красив именно тогда, когда он описывается просто. И если Стандартной модели достаточно, чтобы объяснить его – это не менее замечательно, чем открыть Новую физику», – пояснил Фёдор Игнатов.

Источник: ИЯФ СО РАН.