Молодые физики из России и Белоруссии посчитали пионы в эксперименте ВЭПП-2000: полученные данные используются для проверки Стандартной модели
- 05.11.2026
Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно с коллегами из Института физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси провели измерение вероятности рождения трех пионов в результате электрон-позитронных столкновений в эксперименте на коллайдере ВЭПП-2000. Вероятность рождения трех адронов данного типа вносит 10% вклада в теоретический расчет аномального магнитного момента мюона (АМММ). Данную величину ученые рассчитывают в международном эксперименте Muon g-2 Theory Initiative, чтобы уточнить Стандартную модель. Российские и белорусские физики проводили анализ полученных данных двумя разными методами. Это позволило им получить более полную и точную информацию, а заодно и проверить собственные результаты. На данный момент систематическая точность измерения составляет 2%, но специалисты продолжают изучение с целью достичь погрешности уровня 1%. Работы проводились в рамках гранта РНФ. Результаты опубликованы в журнале «Нелинейные явления в сложных системах».
Определение области применимости Стандартной модели (современной теории микромира) и поиск явлений за ее рамками – одна из задач современной физики. Наиболее перспективное направление таких исследований – изучение аномального магнитного момента мюона. Магнитный момент отражает силу взаимодействия частицы с магнитным полем. Аномальный магнитный момент возникает в результате взаимодействия частицы с короткоживущими ненаблюдаемыми, или виртуальными, частицами. Наиболее интересно изучать АММ мюона, так как мюон очень чувствителен к вкладу тяжелых частиц, а именно такие частицы предсказываются во многих теориях Новой физики. Над проверкой предсказаний СМ работают международные коллаборации Muon g-2 и Muon g-2 Theory Initiative. Они измеряют в эксперименте и предсказывают в рамках теории величину АМММ. Цель – сравнить две полученные величины. Если эти числа согласуются, это означает, что на достигнутом уровне точности теория верна, а если нет – значит мы наблюдаем явления за ее рамками, то есть проявления Новой физики.
Электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2000 ИЯФ СО РАН. Фото С. Ерыгиной.
Точность теоретического предсказания АМММ в значительной степени определяют именно прецизионные результаты, получаемые на новосибирском электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000. Область энергий, в которой работает ускоритель на встречных пучках, от 0.36 до 2 ГэВ. ВЭПП-2000 является самым производительным коллайдером в мире в своей области энергий.
«На новосибирском электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 ученые измеряют вероятность рождения двух и трех пионов – полученные данные вносят 70% и 10% вклада в теоретический расчет АМММ, – прокомментировал научный сотрудник ИЯФ СО РАН Сергей Толмачев. – Повышение точности измерения этих вероятностей позволяет улучшить точность расчета адронного вклада в АМММ. – Наша группа совместно с коллегами из Минска занята получением второго по значимости вклада – измерением вероятности рождения трех пионов (двух заряженных и одного нейтрального) по данным статистики, набранной на детекторе КМД-3 коллайдера ВЭПП-2000. Делаем мы это двумя независимыми способами, что важно для контроля систематических погрешностей, которые показывают многие неопределенности в методике эксперимента и анализе данных».
Качество экспериментов в физике элементарных частиц складывается из статистической и систематической точности. Статистическая точность повышается относительно просто – увеличением количества набранного объема данных, а вот с систематической – все сложнее. Избавиться от нее полностью невозможно, так как детекторы в коллайдерах, как и любые устройства, не являются совершенными.
«Дело в том, что мы все измеряем с какой-то точностью, – пояснил Сергей Толмачев. – Возьмите пилу и попробуйте напилить 20 тысяч досок по метру, каждый ваш метр будет метром с какой-то точностью, потому что пилу кто-то калибровал, и линейку, которой вы отмеряли метр, произвели с какой-то конечной точностью. По итогу отпиливания метровых досок вы сможете понять что-то и о линейке, и о пиле. В хорошем случае еще и сможете отделить влияние линейки от влияния пилы, померить эти систематики независимо. С детектором то же самое, только сильно сложнее, потому что процессов больше, а значит и неопределенностей в работе установки много. Чтобы в изучаемом нами событии рождения трех пионов (двух заряженных и одного нейтрального) таких неопределенностей стало меньше, коллеги из Минска изучают реакцию только по заряженным частицам, а мы – с полной реконструкцией события, то есть два заряженных трека и реконструированный из двух фотонов нейтральный пион. Статистическая точность нашего эксперимента очень высокая (0.1 – 0.3 %), но все равно имеет смысл ее повышать, потому что таким образом мы сможем улучшить наши знания об 1 – 2% систематики».
Борновское сечение процесса электрон-позитронной аннигиляции в три пиона в области резонанса ω(782). Сравнение измерений CMD-3 (настоящая работа) с результатами экспериментов SND, CMD-2, BaBar и Belle II. Предоставлено С. Толмачевым.
После того, как происходит столкновение пучков электронов и позитронов в коллайдере ВЭПП-2000, из энергии рождаются другие разнообразные частицы. Способ, по которому пойдет процесс перерождения одних частиц в другие, называется каналом распада. Один из таких каналов – короткоживущий омега-мезон (ω(782)-мезон). Он сначала распадается на ро-мезон и пион, а потом ро-мезон распадается на два пиона. Получается три пиона, вероятность рождения которых и интересна физикам.
«Наш анализ был направлен на достижение высокой эффективности регистрации сигнала в области ω(782)-мезона (то есть той области энергии, где высока вероятность рождения трех пионов) при одновременном обеспечении сильного подавления физических фонов, – пояснил заведующий Центром «Физика элементарных частиц» Института физики НАН Белоруссии кандидат физико-математических наук Дмитрий Шелковый. – С этой целью проводилась полная реконструкция только заряженных пионов исключительно по параметрам треков частиц в дрейфовой камере. Такой подход дает максимальную точность только в пиковой резонансной области, где статистика событий наибольшая; в областях со спадающей вероятностью он менее эффективен. Но тут как раз используются преимущества метода наших новосибирских коллег – он более универсальный и использует полную реконструкцию всех частиц конечного состояния, включая нейтральный пион, что позволяет практически полностью подавить физические фоны и измерять вероятность рождения трёх пионов в широком диапазоне энергий. Объединяя наши два метода, мы получаем возможность оценки систематической погрешности измерения вклада трехпионного канала в теоретический расчет АМММ, во всей низкоэнергетической области (ниже 1 ГэВ в системе центра масс). Пока что мы получили промежуточные результаты – систематическая погрешность нашего общего измерения составляет 2%, а мы бы хотели достичь 1%, а для этого нужно провести дополнительные работы».
Как отметил Сергей Толмачев, изучение распада в три пиона интересно не только с точки зрения повышения точности расчета АМММ в Muon g-2 Theory Initiative. «Измерение ω(782)-мезона, его параметров, само по себе важно для продвижения фундаментальной науки, и является частью нашей мотивации. Параметры всех элементарных частиц (время жизни, масса, вероятности распада по определенным каналам) заносятся в таблицу PDG (Particle Data Group). Таким образом физики структурируют информацию о них и используют в своей работе. Периодически эти данные обновляются, так как каждый последующий эксперимент повышает точность ранее полученного результата. Набранный нами уровень статистики позволяет изучать вероятность распада ро-мезона в три пиона и ро-омега интерференцию. Как и в экспериментах СНД на ВЭПП-2000 и BaBar (SLAC, США) мы измеряем относительную ширину распада ро-мезона в три пиона. Отдельный интерес представляет изучение зарядовой асимметрии этого процесса», – добавил специалист.
Важной особенностью совместной работы российских и белорусских физиков является и то, что участники команды являются молодыми учеными. «Одна из наших задач состояла в том, чтобы научить молодых специалистов самостоятельно писать научные статьи, нести ответственность за соблюдение сроков и выполнять работу в рамках графика, – прокомментировал заведующий сектором ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Дмитрий Григорьев. – У данного гранта было несколько целей, в том числе педагогическая. С этой частью мы великолепно справились: все запланированные работы выполнены в срок, а из 11 отчетных статей 8 написали наши молодые ученые».