Поляризуемость пиона: эксперимент проверяет теорию

Кандидат физико-математических наук Алексей Гуськов, Объединённый институт ядерных исследований (г. Дубна)

Из чего складывается масса элементарных частиц? Возьмём, к примеру, протон, который, по современным представлениям, состоит из трёх кварков.

Измерения были проведены в начале 80-х годов прошлого века коллаборацией СИГМА-АЯКС на пучке отрицательных пионов с энергией 40 ГэВ протонного синхротрона У-70 Института физики высоких энергий в городе Протвино. Полученный результат для электрической поляризуемости пиона (6,8±1,4стат±1,2сист)x10-4 фм3, хотя и не отличался большой точностью, по порядку величины совпадал с предсказаниями имеющихся в то время теоретических моделей, точность которых, впрочем, тоже была невелика. Однако даже первая экспериментальная оценка поляризуемости пиона показала, что пион гораздо более жёсткий объект, чем атом водорода. Отношение величины электрической поляризуемости пиона к его объёму оказалось на три порядка больше, чем для атома водорода.

В последующую четверть века было предпринято ещё несколько оригинальных попыток измерить поляризуемость пиона другими способами. В середине 1980-х на электронном синхротроне Физического института Академии наук «Пахра» был проведён эксперимент по изучению процесса фоторождения пиона на ядре, в сечение которого в неявном виде тоже входит вероятность комптоновского рассеяния фотона на пионе. Но полученный результат по точности оказался на порядок хуже, чем протвинский. В середине 2000-х тот же подход был применён международной коллаборацией А2 на микротроне MAMI в Майнце (Германия). Полученное значение (5,8±1,7)x10-4 фм3, находясь в согласии со значением, полученным в Протвино, не позволяло тем не менее говорить о существенном улучшении точности. Кроме того, был предпринят целый ряд попыток извлечения поляризуемости пиона из поведения сечения рождения пары положительного и отрицательного пионов при столкновении электронов и позитронов. Хотя точность полученных таким способом результатов для поляризуемости и была сопоставима с точностью протвинских измерений, их интерпретация сталкивалась с некоторыми сложностями. Можно сказать, что пион в данном процессе деформировался настолько сильно, что его деформация не могла быть в полной мере описана только лишь значениями дипольных электрической и магнитной поляризуемостей. Таким образом, через тридцать лет после первого измерения поляризуемости пиона, несмотря на множество попыток, точность измерений оставалась на прежнем уровне.

Но теоретиков такая точность уже не устраивала. К концу 1990-х годов роль господствующей феноменологической модели сильных взаимодействий в области низких энергий заняла так называемая эффективная киральная теория, исходившая из приближённо верного предположения о безмассовости лёгких кварков. Эта теория отлично зарекомендовала себя в описании широкого спектра явлений и предсказывала для электрической поляризуемости пиона значение (2,8±0,05)x10-4 фм3. Экспериментальные результаты, полученные в Протвино и Майнце, от этого значения отличались хотя и не радикально, но значительно, что создавало некоторый дискомфорт как для теоретиков, так и для экспериментаторов. В сложившейся ситуации стала очевидной необходимость проведения новых измерений на новом уровне. И эксперимент COMPASS принял вызов.

COMPASS (Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) — крупный современный эксперимент на вторичном пучке Суперпротонного синхротрона в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), в задачи которого входит изучение структуры адронов с использованием мюонных и адронных пучков высокой интенсивности. Эксперимент берёт начало в 1996 году, и в настоящее время в нём принимают участие более 220 физиков из 13 стран мира и более чем 20 научных институтов, среди которых и российские Институт физики высоких энергий (Протвино), Физический институт академии наук им. Лебедева (Москва) и международный по своему статусу Объединённый институт ядерных исследований (Дубна). Установка COMPASS, растянувшаяся вдоль линии пучка более чем на 50 метров, представляет собой универсальный детектор на базе двух спектрометрических магнитов, способный решать широкий класс задач.

Для измерения поляризуемости пучок отрицательно заряженных адронов (в основном пионов) с энергией 190 ГэВ ударял в мишень в виде никелевого диска толщиной 4,2 мм. До мишени на пути пучковых частиц находилась система из детекторов черенковского излучения, позволяющая удостовериться, что налетающая частица действительно пион (поскольку в пучке помимо пионов присутствовала незначительная примесь и других адронов — каонов и антипротонов). Прецизионные пиксельные кремниевые детекторы с координатным разрешением порядка 0,01 мм фиксировали незначительное (порядка 0,1 градуса) изменение направления движения пиона после испускания им в мишени тормозного фотона. По отклонению трека рассеянного пиона в магнитном поле определялся его импульс. Электромагнитный калориметр с хорошим энергетическим и координатным разрешением определял энергию тормозного фотона (которая достигала 170 ГэВ, что соответствует длине волны всего 7?10-18 метра) и угол его вылета из мишени. Информации, регистрируемой детектором для каждого события, хватало, чтобы полностью восстановить его кинематику и сделать вывод о том, действительно ли имела место регистрация испускания пионом тормозного фотона, или же зарегистрированное событие не имеет к этому никакого отношения. Из всего объёма данных, набранных за несколько недель сеанса, проведённого осенью 2009 года, для определения поляризуемости пиона было отобрано 63 000 событий. Это почти в 10 раз превышало статистику, полученную в ходе эксперимента в Протвино. Однако не только разница в статистике выводит проведённые измерения на новый уровень. На установке COMPASS существует уникальная возможность наряду с пионным пучком использовать пучок мюонов того же знака и той же энергии. Мюон — нестабильная частица, представляющая собой тяжёлый аналог электрона. Её масса в 207 раз больше массы электрона и всего на четверть отличается от массы пиона. По современным представлениям, мюон, как и электрон, не имеет внутренней структуры, по крайней мере на масштабах, доступных в сегодняшних экспериментах. Таким образом, наблюдаемый спектр тормозного излучения для мюона должен полностью соответствовать спектру для точечной бесструктурной частицы.

 

Случайная статья

Статьи по теме


Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки