Новая теоретическая модель поможет объяснить наблюдаемые на коллайдерах явления
Специалисты Института ядерной физии им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали теоретическую концепцию, которая описывает процессы между сильновзаимодействующими частицами, рождёнными в результате электрон-позитронных столкновений. Теоретическая модель российских физиков решает несколько важных задач. Она объясняет сильную зависимость вероятности рождения пар мезонов и барионов от энергии столкновения и, как следствие, позволяет описывать структуру сильных взаимодействий и свойства рождённых частиц. Также она помогает экспериментаторам понять природу наблюдаемых на коллайдерах эффектов, то есть более точно определить, что перед ними: новая частица или резонансное взаимодействие уже известных. Препринт работы опубликован на сайте arXiv.
Стандартная модель (СМ), современная теория микромира, описывает все известные элементарные частицы, а также электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия между ними. Но если электромагнитные и слабые взаимодействия хорошо изучены и прекрасно предсказываются в рамках теории, то сильные — известны хуже. Например, основные типы адронов, участвующие в сильных взаимодействиях — мезоны и барионы, — состоят из кварков. В некоторых случаях в рамках различных теорий, зная свойства кварков, можно вычислить параметры этих составных частиц, например, массу. Если энергия сталкивающихся электронов и позитронов близка к массе таких составных частиц, то наблюдается резкое увеличение вероятности электрон-позитронной аннигиляции, называемое резонансом. Однако резонансы могут быть связаны не только с рождением новых мезонов или барионов, но и с взаимодействием уже известных.
Физика элементарных частиц — наука экспериментальная. С помощью ускорителей измеряются параметры частиц и изучаются их взаимодействия. Теория опирается на данные, полученные в таких экспериментах. Однако и эксперимент не может обойтись без теории. Поиск и изучение новых явлений, более глубокое погружение в уже известные, невозможны без точных теоретических расчётов и предсказаний.
«Для электромагнитных и слабых взаимодействий достаточно легко производить теоретические вычисления и получать разные предсказания о свойствах и параметрах частиц, участвующих в них, — прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Сергей Сальников. — В сильных взаимодействиях все эффекты гораздо существеннее, из-за чего получать предсказания из первых принципов, как мы это делаем для электромагнитных и слабых взаимодействий, не получается. В таких случаях теоретики в своих предсказаниях опираются на экспериментальные данные, создавая на их основе феноменологические, то есть описательные, модели, которые и объясняют детектируемые на коллайдерах явления».
Под первыми принципами понимаются теоретические вычисления, основанные на фундаментальных представлениях, с использованием фундаментальных уравнений, например, лагранжиана СМ — уравнения квантовой теории поля, описывающего все известные элементарные частицы и их взаимодействия (кроме гравитации) на основе калибровочной симметрии. Если таким способом получить предсказание не получается, то физики-теоретики создают феноменологические теории. Они описывают наблюдаемые явления и их взаимосвязи на более высоком уровне без детального объяснения микроскопических причин или фундаментальных механизмов.
«Существует стандартное представление о мезонах и барионах как о составных частицах, — пояснил Сергей Сальников. — Большое их разнообразие: пси-мезоны, ипсилон-мезоны, D-мезоны, B-мезоны наблюдается на электрон-позитронных коллайдерах и проявляется в виде резонансов. Естественное желание физиков при наблюдении подобного резонанса — описать его как какую-то ранее не наблюдавшуюся частицу. Собственно, так и происходят открытия новых частиц. Но есть и другие процессы, которые тоже выглядят как резонансы, но не связаны с рождением новых частиц. Такие же эффекты могут наблюдаться при взаимодействии уже известных частиц, рождающихся в реакции (так называемое взаимодействие в конечном состоянии). Например, на коллайдере ВЭПП-2000 в процессе электрон-позитронной аннигиляции можно наблюдать резонанс, который появляется из-за взаимодействия протона и антипротона. Изучение таких эффектов не менее важно, чем изучение рождения новых частиц, потому что так мы получаем информацию о свойствах в данном случае протонов, о промежуточных частицах — в общем, извлекаем дополнительные сведения, которые другими способами просто не получить».
В течение нескольких лет физики ИЯФ СО РАН разрабатывали теоретическую модель, которая описывает практически все взаимодействия частиц в конечном состоянии в условиях сильного взаимодействия. В основе феноменологической теории — экспериментальные данные, полученные на коллайдерах ВЭПП-2000 (Россия), Belle II (Япония), BES III (Китай).
«Сложно сказать в процентах, сколько частиц от общего числа, участвующих в сильных взаимодействиях, включает наша концепция, потому что всегда неожиданно могут появиться новые, — добавил Сергей Сальников. — Но если считать по пальцам, то мы рассматривали пять условно разных процессов взаимодействий: протон-антипротон, лямбда-антилямбда, лямбда-С-антилямбда-C, D-мезон-анти-D-мезон, B-мезон-анти-B-мезон. На примете есть еще разные задачи на будущее, а когда в ИЯФ СО РАН построят коллайдер ВЭПП-6, то обязательно появится что-то новое для изучения. Если говорить о вкладе в уже существующие эксперименты, например, в своей работе, посвящённой B-мезонам, мы обратили внимание, что взаимодействие в конечном состоянии у заряженных и нейтральных частиц устроено по-разному. Для заряженных мезонов присутствует кулоновское притяжение, которое влияет на корректное измерение массы этих частиц. В недавнем международном эксперименте Belle II, в котором ИЯФ СО РАН принимает участие, наши коллеги учли этот момент и, проведя сложную обработку данных, получили более точное измерение разницы масс заряженных и нейтральных B-мезонов».
Источник: ИЯФ СО РАН.
