Столкновения позитронов и электронов в новосибирском коллайдере позволяют увидеть «Новую физику».

Основная теория физики элементарных частиц, знаменитая Стандартная модель, прекрасно описывает большинство известных процессов, однако существует ряд ситуаций, где она работает не достаточно хорошо. К ним относится, в частности, взаимодействие адронов в области низких энергий – ниже 2-3 гигаэлектронвольт (ГэВ).

Общий вид кольца коллайдера ВЭПП-2000. Детектор КМД-3 расположен справа

Исследователи в зале коллайдера ВЭПП-2000.

Теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика) не годится для объяснения процессов, происходящих при таких низких энергиях и с легкими кварками. Здесь нужны другие теоретические подходы, требующие различных экспериментальных данных, в частности, касающихся реакций с образованием адронов. В этом диапазоне энергий возможно существование еще не обнаруженных частиц, например, глюболов и резонансов, а также новых интересных физических эффектов.

Физики из Новосибирского государственного университета и Института ядерной физики Сибирского отделения (СО) РАН, исследовали образование адронов при аннигиляции электрона и позитрона на энергии 1,5–2 ГэВ. Появляющийся в результате фотон порождает систему распадающихся частиц, в которой в конце концов возникают и адроны.

В данном случае физики рассматривали образование в конечном состоянии пары заряженных каонов и пионов. В эксперименте использовали коллайдер на встречных электрон-позитронных пучках ВЭПП-2000, находящийся в Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН. Коллайдер работает на энергиях от 300 до 2000 МэВ. Частицы, рожденные в результате аннигиляции, регистрировались универсальным криогенным магнитным детектором КМД-3, работы на котором начались в 2010 году.

В результате удалось решить важную задачу – выделить чистое конечное состояние практически без помех, что позволило подробно изучить динамику рождения частиц, определить, какие промежуточные частицы доминируют, и с высокой точностью измерить так называемые сечения процессов, определяющие вероятность взаимодействия частиц. (Напомним, что измерение сечений остается основным методом изучения событий, происходящих в мире элементарных частиц.)

Авторы работы исследовали более 24 тысяч случаев электрон-позитронной аннигиляции, а в дальнейшем планируют увеличить их количество минимум в 10 раз, чего для этого процесса еще никто не делал. Полученные данные согласуются с результатами измерений, проведенных ранее на детекторе BaBar (Стэндфордская лаборатория, США), но имеют более высокую точность.

Отметим, что новые результаты весьма важны для вычисления значения аномального магнитного момента мюона – отклонения величины магнитного момента элементарной частицы от значения, предсказываемого уравнением, описывающим её поведение. Расхождение теоретического и экспериментального значений этой величины – один из наиболее характерных примеров «Новой физики», т.е. явлений, которые не описываются Стандартной моделью.

Имеющаяся технология позволяет наблюдать несколько десятков различных процессов, возникающих в результате аннигиляции электрона и позитрона при энергиях до 2 ГэВ (могут образоваться два пиона, или два каона и пион, или два нейтрона и т. д.), и в дальнейшем исследователи планируют измерить сечения для каждого процесса.

Для справки.
Адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии, которые состоят из кварков и антикварков, «склеенных» переносчиками сильного взаимодействия – глюонами.

Каоны и пионы (К- и Пи-мезоны) – разновидность адронов, состоящая из одного кварка и одного антикварка
Глюбол – гипотетическая элементарная частица с ожидаемой массой от 1 до 2 ГэВ, состоящая из глюонов одного цвета

По материалам Новосибирского государственного университета