24.05.2016

Коллаборация КМД-3, в которую входят ученые из Новосибирского государственного университета и Института ядерной физики СО РАН, опубликовала в журнале Physics Letters B результаты измерения сечения электрон-позитронной аннигиляции в конечное состояние с двумя заряженными каонами и двумя пионами на энергии 1500–2000 МэВ. Физики проанализировали взаимодействие адронов при низких энергиях — на сегодняшний день предсказания в этой области с помощью Стандартной модели затруднены вследствие ограниченности математического аппарата.

КМД-3 — универсальный криогенный магнитный детектор, расположенный в Институте ядерной физики СО РАН на коллайдере на встречных электрон-позитронных пучках ВЭПП-2000. Коллайдер работает на энергиях от 300 до 2000 МэВ (мегаэлектронвольт). Основная цель экспериментов — точное измерение сечений аннигиляции электронов и позитронов в адроны и изучение возможных промежуточных состояний

Ученые из НГУ и ИЯФ в своей работе исследовали более 24 тысяч событий электрон-позитронной аннигиляции в заряженные каоны и пионы (e+e — K+Kπ+π). Полученные данные согласуются с предыдущими результатами измерений детектором BaBar (США), но имеют более высокую точность.

Каон — мезон, содержащий один странный кварк (антикварк) и один u- или d-кварк (антикварк). Самый лёгкий из всех странных, то есть имеющих ненулевую странность (квантовое число), адронов (элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию). Пионы (пи-мезоны) — самые легкие «представители» мезонов


По словам главного автора исследования, ассистента кафедр общей и теоретической физики ФФ НГУ, младшего научного сотрудника ИЯФ СО РАН Дмитрия Шемякина, одно из достижений коллектива физиков — чистое выделение конечного состояния, практически без фона, что позволяет подробно изучать динамику рождения частиц:

Электрон и позитрон аннигилируют сначала в фотон, фотон — в другие частицы, потом частицы распадаются в пары каонов и пионов. Исследование вероятности такой аннигиляции интересно потому, что Стандартная модель не может предсказать динамику рождения частиц и можно обнаружить новые резонансы и измерить с высокой точностью параметры уже имеющихся.

Учёные в ходе работы поняли, какие промежуточные частицы доминируют в процессе e+e — K+Kπ+π. В следующей серии экспериментов группа планирует увеличить статистику минимум в 10 раз, чего для этого процесса никто раньше не делал.


На коллайдере ВЭПП-2000 сталкиваются электроны и позитроны, а детекторы КМД-3 и СНД (сферически нейтральный детектор) регистрируют результаты их столкновений.

Детекторы передают данные, которые позволяют исследовать, в частности, какие частицы образуются при электрон-позитронных аннигиляциях, и измерять вероятность образования систем частиц (сечение процессов). К примеру, при столкновении e+e могут образоваться два пиона, или два каона и пион, или два нейтрона и т. д. Мы можем наблюдать несколько десятков различных процессов при энергиях до 2 ГэВ и планируем измерить сечение для каждого из них. Эти данные будут очень важны для вычисления теоретического значения аномального магнитного момента мюона, — говорит Дмитрий Шемякин.

Аномальный магнитный момент — отклонение величины магнитного момента элементарной частицы от значения, предсказываемого уравнением, описывающим поведение частицы

Сравнение теоретически вычисленного аномального магнитного момента мюона на основе Стандартной модели и экспериментально измеренного значения является на сегодняшний день важной задачей для физики элементарных частиц.

Дмитрий Шемякин, говоря об актуальности исследования, отмечает, что описание взаимодействия адронов при низких энергиях на уровне 2–3 ГэВ (гигаэлектронвольт) с помощью Стандартной модели пока что встречает на своем пути трудности:

Основным методом изучения мира элементных частиц является измерение вероятностей их взаимодействия. На сегодняшний день Стандартная модель очень хорошо описывает практически все взаимовоздействия. Тем не менее, точное предсказание взаимодействия адронов на основе СМ при низких энергиях на сегодняшний день пока что затруднено, в том числе вследствие ограниченности математического аппарата. В области низких энергий возможно существование еще не обнаруженных частиц, например, глюболов, и других интересных физических эффектов.

Глюбол — гипотетически существующая составная частица с ожидаемой массой от 1 до 2 ГэВ, состоящая только из глюонов (частиц, отвечающих за сильное цветное взаимодействие в квантовой хромодинамике)

Квантовая хромодинамика — квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена глюонами (аналогом фотонов в квантовой электродинамике)

Доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой физики элементарных частиц ФФ НГУ, один из авторов статьи Семён Эйдельман подчеркивает, что для изучения процессов взаимодействия адронов при высоких и низких энергиях требуются разные подходы:

Для описания взаимодействия при высоких энергиях, а также процессов с участием тяжелых кварков успешно применяется квантовая хромодинамика (КХД). Для процессов при низких энергиях и с легкими кварками КХД не работает, нужны другие теоретические подходы, развитие которых требует разнообразной экспериментальной информации, в частности, измерения адронных сечений.

По словам старшего научного сотрудника лаборатории физики тяжелых кварков в адронных взаимодействиях НГУ, одного из автора статьи Павла Кроковного, область энергий до 1400 МэВ была достаточно хорошо измерена на предыдущих экспериментах с детекторами КМД-2 и СНД (сферически нейтральный детектор) на коллайдере ВЭПП-2М. Сейчас детектор КМД-3 готовится к новому сезону набора данных. В ИЯФ запущен новый инжекционный комплекс, который позволит значительно увеличить светимость в ВЭПП-2000 и повысить точность измерений.

Анастасия Аникина

Последняя редакция: 30.05.2016 10:22