Одно из направлений поиска физики за рамками Стандартной модели (Новой физики) – измерение в эксперименте и сравнение с теоретическими расчетами значения аномального магнитного момента мюона. Величина этого параметра складывается из суммы электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий. Но если вклад первых двух с высокой точностью рассчитан теоретически, то вклад сильных можно узнать только из эксперимента. Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), работающие на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000, впервые измерили сечение процесса электрон-позитронной аннигиляции в семь пи-мезонов (пионов) в области энергий до 2 ГэВ. Полученные данные представляют интерес для расчетов адронного вклада в аномальный магнитный момент мюона. Результаты опубликованы в Physics Letters.

Аномальный магнитный момент мюона – это уникальная и очень важная величина в современной физике. Его можно очень точно рассчитать в рамках Стандартной модели и так же точно измерить экспериментально. И, например, наличие разницы между этими двумя значениями более чем на 5 стандартных отклонений (сигм) будет свидетельствовать о существовании физики за рамками Стандартной модели. Измеренные в предыдущих экспериментах и предсказанные теорией значения аномального магнитного момента мюона сейчас расходятся в 3–4 стандартных отклонения, что хоть и является очень существенным различием, но все же не может надежно интерпретироваться, как наличие сигнала Новой физики. Нужны более точные результаты для обоих значений.

«Для того, чтобы рассчитать значение аномального магнитного момента мюона в рамках Стандартной модели, нужно учесть все факторы, то есть вклад в него всех взаимодействий, – рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Евгений Солодов. – Вклады электромагнитных и слабых взаимодействий известны, их предсказывают с высокой точностью квантовая электродинамика (КЭД) и теория слабых взаимодействий. Вклад адронной поляризации вакуума – процесса, относящегося к сильным взаимодействиям, пока не удается рассчитать теоретически с приемлемой точностью. Расчеты по квантовой хромодинамике (КХД) имеют достаточную точность только в области энергий выше 2 ГэВ, тогда как основной вклад (95%) дает область энергий ниже 2 ГэВ».

Адронный вклад в аномальный магнитный момент мюона в области энергий, где теория работает плохо, можно извлечь экспериментально из электрон-позитронных взаимодействий. На спроектированном, построенном и введенном в эксплуатацию в ИЯФ СО РАН электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 с помощью двух современных детекторов, КМД-3 и СНД, изучаются адронные реакции от порога рождения до максимальной энергии в 2 ГэВ. На данный момент коллайдер не имеет конкурентов по уровню производительности (светимости) в мире.


Так выглядит событие с рождением шести заряженных пионов после реконструкции в детекторе КМД 3. ЕТак выглядит событие с рождением шести заряженных пионов после реконструкции в детекторе КМД-3. Е. Солодов.
 

«Коллайдер ВЭПП-2000 создавался именно для экспериментального измерения всех адронных состояний, рожденных в электрон-позитронных столкновениях в той области энергий, где КХД не дает точных предсказаний, – пояснил Евгений Солодов. Все, что здесь рождается (сумма всех сечений), входит в адронную поляризацию вакуума, вклад которой сильно меняет значение аномального магнитного момента мюона. В экспериментах на детекторах КМД-3 и СНД специалисты ИЯФ СО РАН уже измерили десятки процессов с рождением адронов. Производительность установки и качество детекторов позволяют увидеть и измерить даже самые редкие, ранее не встречающиеся, процессы».

Так в Институте было впервые измерено сечение процесса электрон-позитронной аннигиляции в семь пи-мезонов (шесть положительно заряженных пи-мезонов и один нейтральный пи-мезон). Это небольшой вклад в теоретический расчет аномального магнитного момента мюона, который в итоге будут сравнивать с его значением, измеренным в эксперименте Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб).

Сигналы от омега и эта мезона в инвариантной массе трех пионов. Е. Солодов

Сигналы от омега- и эта-мезона в инвариантной массе трех пионов. Е. Солодов.

«Важно учесть еще и промежуточные состояния в процессах, сечение которых мы измеряем, – добавил Евгений Солодов. – Например, при рождении семи пи-мезонов мы увидели омега-мезон и эта-мезон, вклад которых тоже играет роль в получении точного значения аномального магнитного момента мюона. Наши результаты – лишь маленькая поправка в теоретический расчет, но таких небольших вкладов много, и когда все они будут учтены, суммарная поправка может оказаться очень значительной».


Дальнейшая задача новосибирских физиков – измерить все сечения, доступные в этой области энергий и входящие в расчеты адронной поляризации вакуума. Это, например, измерение сечений тех же семи пи-мезонов, но состоящих из четырех заряженных и трех нейтральных частиц, процессы с рождением ка-мезонов, протонов и нейтронов, то есть с участием всех частиц, образованных из легких кварков и рождающихся в области энергий ниже 2 ГэВ.

Полученные в ИЯФ СО РАН результаты важны и для развития теоретического направления в физике частиц. На данный момент квантовая хромодинамика не дает точных предсказаний по сечениям тех состояний, которые рождаются в области энергий ниже 2 ГэВ, поэтому физикам приходится кропотливо измерять их в эксперименте. На основе полученных экспериментаторами данных, физики-теоретики смогут в будущем делать надежные предсказания.

Работы проводятся при поддержке гранта РФФИ-JSPS, который выдается Российским фондом фундаментальных исследований совместно с Японским обществом продвижения науки.