Эксперименты на новосибирском коллайдере позволят открыть новую физику
Внимание ученых приковано к нескольким экспериментам, которые могут показать существование еще неведомых человечеству частиц и сил природы — так называемой «новой физики». Для этого оказались критически важны исследования на новосибирской коллайдере. Тайга.инфо узнала о мировом значении экспериментов в Институте ядерной физики Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН).
В США проводят эксперименты по сверхточному измерению аномального магнитного момента мюона. Но один из ключей к их результатам могут дать исследования в Новосибирске на ускорителе частиц ВЭПП-2000 в Институте ядерной физики.
Тайга.инфо поговорила с замдиректора ИЯФ Иваном Логашенко, чтобы разобраться — что всё это значит.
Теория мироздания неполна
Лет 100 назад физики поняли, что есть какие-то частицы, меньшие, чем атом. С этого момента началось познание микромира. Сейчас есть очень стройная теория, «Стандартная модель», которая и описывает все эти «кирпичики мироздания» — как они между собой связаны, какие силы действуют между ними.
Но накапливается все больше наблюдений, в основном за звездами и галактиками, которые показывают что и эта картина мира неполна. Есть еще что-то, что мы не видим. Мы понимаем, что существует какая-то невидимая «темная материя», из которой состоит большая часть массы галактики. И этого вещества много — на порядок больше, чем той материя, которую мы замечаем.
То есть, большую часть того, из чего состоит мир, мы не видим и не знаем, как она устроена. И наблюдаем только по гравитационному воздействию.
А есть еще «темная энергия», которую вообще непонятно из чего собрать. Темную материю, потенциально, есть из чего — можно немного расширить текущую теорию и дать место новым частицам. А вот темную энергию — не из чего.
Всё это значит, что существующая теория «Стандартной модели». Это как в 19 веке выяснилось, что Меркурий крутится вокруг Солнца чуть-чуть не так, как предсказывала теория Ньютона. Это была очень маленькая неувязочка, но она потом была полностью объяснена в теории относительности Эйнштейна.
Что такое «аномальный магнитный момент мюона»
Встает вопрос — куда двигаться дальше? У теоретиков есть много идей, много теорий, которые пытаются расширить «Стандартную модель». Но пока не появятся какие-то наблюдения «новой физики», нельзя будет сказать, какие из теорий верны, а какие — нет.
Один из путей поиска «новой физики» — сверхточное измерение частиц. У каждой частицы есть не так много параметров: масса, электрический заряд и магнитный момент. Проще всего (хотя это и не совсем правильно) представить так — каждая частица это небольшой заряженный шарик, который крутится. И из-за этого вращения появляется магнитный момент (частица превращается в небольшой магнит). У каждой частицы есть спин — угловой момент вращения. Этот спин для каждой частицы фиксирован. То есть, все электроны во вселенной «крутятся» с одинаковой скоростью.
Когда появилась теория электрона (теория Дирака) было предсказано, что есть коэффициент пропорциональности между спином (моментом вращения частицы) и её магнитным моментом. И он равен двойке. Действительно, в 1920-х его измерили и подтвердили этот коэффициент.
Следующий шаг — возникновение квантовой теории поля. Оказалось, что частицы не просто существуют. Они могут рождаться и умирать. Другой шаг в теории — возникновение квантовой электродинамики. Она показала, что вакуум — не пустой. В нем постоянно рождаются и умирают частицы. Вокруг каждой из них существует «облако» «виртуальных» частиц (рождающихся и исчезающих) — и это немного влияет на наблюдаемые характеристики, в том числе слегка изменяет магнитный момент частицы. Именно это отклонение (от двойки) и называется «аномальный магнитный момент» частицы.
Этот аномальный магнитный момент характеризует не столько саму частицу, сколько — свойства вакуума. По идее, в облаке «виртуальных частиц» должны быть все существующие частицы. Большую часть вклада вносят легкие частицы (им проще рождаться), но и тяжелые тоже должны давать свой вклад. В том числе в аномальный магнитный момент должны вносить свой вклад и пока неизвестные нам частицы.
Первое точное измерение аномального магнитного момента произошло сразу после войны, в конце 1940-х. В ходе войны благодаря радарам развилась микроволновая техника. Это позволило улавливать излучения атомов при переходе из одного состояния в другое (при развороте одного из электронов). Это позволило очень точно измерить аномальный магнитный момент электрона. И действительно, выяснилось, что он есть. Что коэффициент пропорциональности не 2, а отличается от нее на 0,001.
Это был большой триумф, родилась новая теория — квантовая электродинамика.
Потом обнаружили новые взаимодействия — сильное взаимодействие, слабое взаимодействие. И теория расширилась. В конце концов и была создана «Стандартная модель», объясняющая электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Гравитация стоит особняком, так как в микромире ее влияние крайне трудно «замерить».
Дверь в «новую физику»
Довольно быстро физики поняли, что аномальный магнитный момент показывает свойства вакуума. И, если мы сможем его рассчитать, мы сможем понять — есть ли что-то еще, кроме того, что мы знаем.
Но для электрона основной вклад в аномальный магнитный момент вносят электромагнитные силы, а остальные — слишком малы. Гораздо перспективнее оказалось измерение аномального магнитного момента мюона. Он в 200 раз тяжелее. А для очень многих взаимодействий предсказывается, что их влияние на аномальный магнитный момент пропорционально квадрату массы. То есть, для мюона — в 40 тыс. раз больше, чем для электрона.
Мюон хорошая частица для экспериментов. Физики научились их генерировать в большом количестве. И они очень удобны для наблюдения.
С 1950-х начались эксперименты по измерению аномального магнитного момента мюона. Его нашли, увидели что он похож на аномальный магнитный момент электрона, но все же отличается от него. Каждое из взаимодействий вносит свой вклад в аномальный магнитный момент мюона. Больше всего — электромагнитное. Затем — сильное (но в тысячи раз меньше электромагнитного). А затем — слабое, еще в 50 раз меньше.
Брукхейвенский эксперимент
Чтобы увидеть эти вклады, нужно было постоянно улучшать точность измерения.
Сначала эти измерения делались в ЦЕРНе, пока в 1979 года не дошли до предела технических возможностей. В 1990-е исследования возобновили в Брукхейвенской лаборатории в США. Там удалось улучшить точность измерений еще в 20 раз и впервые дойти до уровня вклада слабых взаимодействий. И увидели, что этот вклад расходится с предсказаниями «Стандартной модели». Впервые увидели разницу, которая оказалась в два раза больше, чем предсказанный вклад слабых взаимодействий.
Брукхейвенский эксперимент закончился, когда стало понятно, что надо еще сильнее повышать точность. Исследования переехали в Фермилаб (лаборатория недалеко от Чикаго), где был Тэватрон -самый мощный ускоритель до создания Большого адронного коллайдера (БАК). Когда запустили БАК, Тэватрон закончил свою жизнь и освободился мощный протонный пучок, необходимый для массового производства мюонов. Оборудование из Брукхейвена перевезли в Фермилаб, дополнили аппаратурой и перешли на новый уровень точности. Эксперимент заработал и начал сбор данных в 2016 году.
В 2021 году опубликовали первый результат. Он чуть-чуть точнее, чем был в Брукхейвене и полностью с ним согласуется. И снова подтвердилось расхождение с предсказанием «Стандартной модели».
Разница — в четыре стандартных отклонения (или грубо говоря — в четыре раза превышает достигнутую точность измерений). Это много.
Вклад сильного взаимодействия — нельзя посчитать, но можно измерить
Но дальше есть подвох. Чтобы сравнивать результат эксперимента с предсказанием теории, нам надо уметь с высокой точностью считать аномальный магнитный момент мюона, каким он должен быть, исходя из «Стандартной модели». А с этим есть проблема. Электромагнитные взаимодействия теория может рассчитывать с очень высокой точностью. Там всё посчитано с гораздо более высокой точностью, чем эксперимент. И слабые взаимодействия физики умеют считать с нужной точностью. А сильные взаимодействия — не умеют. Они устроены очень хитро (сильное взаимодействие переносится восемью разными частицами, в то время как элетромагнитное — только фотонами, а слабое — двумя бозонами).
Современная математика не позволяет провести расчеты сильного взаимодействия с нужной точностью. Но еще в 1960-х был придуман способ. Мы не можем рассчитать теоретически вклад сильных взаимодействий, но мы можем измерить его экспериментально.
Как вы помните, аномальный магнитный момент появляется из-за того, что в вакууме вокруг частицы рождаются и исчезают виртуальные пары частиц. Такие же пары рождаются (но не всегда исчезают) в столкновениях электронов и позитронов в коллайдерах. Поэтому самый простой способ посчитать вклад сильного взаимодействия — измерить вероятность появления адронов (частиц, взаимодействующих с сильным взаимодействием) при позитрон-электроной аннигиляции. Потом эти данные пересчитываются, и получается вклад сильного взаимодействия в аномальный магнитный момент мюона.
Точность, которая необходима для измерения сильного взаимодействия — порядка 1%. Вклад сильного взаимодействия в аномальный магнитный момент порядка 60 миллионных долей, вклад слабого — около 1,3 миллионных долей. А вклад «неизвестной составляющей» — около 2 миллионных долей (или 1/30 от сильного взаимодействия). Точность учета вклада сильного взаимодействия в 1% достаточен, чтобы сказать — есть «новая физика» в Брукхейвенском эксперименте или нет.
Поэтому задача учета вклада сильного взаимодействия свелась к тому, чтобы смотреть, сколько рождается адронов при электрон-позитронных столкновениях.
ИЯФ на передовой
Хитрость оказалось в том, что для точного измерения вероятностей рождения адронов требуются небольшие (по современным меркам) энергии электронов и позитронов. Именно эти энергии дают основной вклад в изучаемую величину. И оказалось, что лучший коллайдер в этой области — ВЭПП-2000, работающий в новосибирском Институте ядерной физики. Он работает в диапазоне от ноля до 2 ГЭВ (гигаэлектронвольт — энергия, которую набирает электрон, разогнанный разницей потенциалов в один гигавольт).
Для рождения самой легкой пары адронов (это пионы) нужно 0,14 ГЭВ для каждой сталкивающейся частицы. Рождение новой частицы в столкновении возможно только в том случае, если энергия столкновения превышает энергию массы частицы по известной формуле Эйнштейна E=MC². Чем выше энергия столкновения частиц в коллайдере, тем более массивные частицы могут родиться. Поэтому физики старались строить все более и более мощные коллайдеры. Самый мощный из них — Большой адронный коллайдер, который позволил обнаружить бозон Хиггса.
Но оказалось, что для точного измерения вероятность рождения адронов нужны как раз не столь мощные коллайдеры. ВЭПП-2000 — самая производительная машина в этой области энергии. Его основная задача — точное измерение сечений рождения адронов. Адроны рождаются в самых разных комбинациях, но наиболее весомый вклад дает самая простая реакция — рождение пары пионов.
На коллайдере стоит два детектора — в местах, где сталкиваются пучки. Соответственно над задачей измерения вклада сильного взаимодействия работает две группы. Одна из них уже выдала предварительный результат, точность у которого 0,9%. Другая, в которую входит Иван Логашенко, намерена опубликовать окончательный результат в 2021 году.
До ВЭПП-2000 несколько научных центров в мире пытались экспериментально измерить вероятности рождения адронов при столкновениях электрона и позитрона. Делалось это на коллайдерах с высокой энергией пучка, не очень подходящих для таких измерений. И полученные результаты немного не сходятся. Поэтому мировое научное сообщество ждет более точных данных из ИЯФ, которые могут дать ответ — есть ли в результатах Брукхейвенского эксперимента новая физика или же это всего лишь неточность предыдущих расчетов.
Последнее нельзя исключать. Одна из групп, занимающихся компьютерными вычислениями вклада сильного взаимодействия объявила недавно, что точность ее расчета превысила 1%. А полученный результат оказался близок к тому, что показал Брукхейвенский эксперимент. Но пока нет подтверждения от других групп, чей результат вычисления всё же существенно отличался от полученного в эксперименте.
Алексей Мазур