Удачный эксперимент на новосибирском электрон-позитронном коллайдере отодвинул границу «новой физики»

Специалисты из Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели измерение вероятности рождения пары пионов в результате столкновения пучков электронов и позитронов. Эксперименты проводили с помощью детектора КМД-3 на коллайдере ВЭПП-2000 с 2013 по 2020 год. Рекордный объем набранных данных позволил провести очень детальное измерение. Результат стал сюрпризом: как показывают исследования новосибирских физиков, вероятность рождения пары пионов в результате столкновения пучков электронов и позитронов куда выше, чем данные, которые ученые в мире получали последние 60 лет.

Дело в том, что вероятность рождения пионов используется для расчета вклада в аномальный магнитный момент мюона (АМММ). Магнитный момент отражает силу взаимодействия частицы с магнитным полем. Аномальный магнитный момент возникает в результате взаимодействия частицы с короткоживущими ненаблюдаемыми, или виртуальными, частицами. Величина АМММ предсказывается с высокой точностью Стандартной моделью — существующей теорией, описывающей физику микромира. Именно в этом расчете используется вероятность рождения пионов.

В последние годы АМММ был измерен с высокой точностью, и результаты измерений отличались от значения, предсказанного Стандартной моделью. Это отличие вызвало огромный интерес научного сообщества, так как указывало на существование Новой физики — явлений (частиц и сил), не описываемых Стандартной моделью.

В результате многолетнего измерения вероятности рождения пары пионов в электрон-позитронной аннигиляции, то есть в процессе взаимного исчезновения и рождения новых частиц, физики ИЯФ СО РАН примерно в четыре раза сократили наблюдаемое различие между экспериментальным значением АМММ и предсказанием СМ. Новый результат вместе с детальным описанием эксперимента опубликован в arxiv.org.

Аномальный магнитный момент есть у любой заряженной частицы, но наиболее интересно его изучать именно у мюона. На пресс-конференции в ИЯФ СО РАН, состоявшейся 18 апреля, заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе доктор физико-математических наук Иван Логашенко пояснил: «Плюс мюона в том, что физики умеют получать эти частицы в большом количестве, а также в том, что они живут относительно долго — целых две микросекунды. Частица представляет собой небольшой магнитик, он проворачивается в магнитном поле, и по углу его поворота измеряется величина АММ. Если частица короткоживущая, как, например, тау-лептон, АММ которого тоже было бы очень интересно измерить, она успевает повернуться на очень маленький угол до того, как умирает (распадается). А вот мюон, напротив, успевает сделать десятки полных оборотов, поэтому величину АММ мюона можно измерить очень хорошо. С еще большей точностью, приблизительно в 1000 раз, измеряют АММ электрона, который живет бесконечно долго. Но тут в дело вступает еще одно преимущество мюона — он в 200 раз тяжелее электрона, и его АММ гораздо чувствительнее, примерно в 40 тысяч раз, к вкладу тяжелых частиц. Поэтому именно для мюона интереснее всего сравнить величину АММ, измеренную в эксперименте, с предсказанием Стандартной модели. Если мы увидим отличие, то это указывает на Новую физику: что существуют какие-то силы и частицы, которые вносят свой вклад в АММ и которые мы не учитываем в Стандартной модели».

«Мы не понимаем, почему у нас получился результат, который так отличается от результатов всех наших коллег. Мы в нашем результате уверены, провели огромное количество очень тщательных проверок. Но и прошлые измерения проводили очень серьезные научные группы, и тоже их тщательно проверяли. Предстоит еще понять, что отличает наши измерения от всех остальных», ― добавил Иван Логашенко.

На вопрос корреспондента Naked Science, в какой все же степени результат эксперимента закрывает вопрос существования Новой физики, Логашенко ответил: «Вся проблема ― в точности измерения. Чем тяжелее частицы, которые мы еще не открыли, тем они дают меньший вклад в аномальный магнитный момент мюона. Поэтому наша разрешающая способность ― то, до каких энергий мы увидим вклад гипотетических частиц ― зависит от точности измерений. С той точностью, которую мы измерили, ― да, отчасти закрывает. Мы уже можем сказать, что не может быть частиц легче определенной массы. Но частицы с большой массой могут быть!»

Параметров детектора КМД-3 хватило, чтобы достигнуть систематической неопределенности в измерении пионного форм-фактора, равной 0,7 процента. Этого оказалось достаточно, чтобы обнаружить, что новый форм-фактор слегка отличается в большую сторону от пионных форм-факторов, измеренных в предыдущих экспериментах. Найденные в диапазоне от 0,6 до 0,75 гигаэлектронвольта расхождения составили всего в пять процентов, но эта разница существенна при оценке вкладов от рождения пионов в аномальный магнитный момент мюона. Если опираться на новый форм-фактор, то расхождение между Стандартной моделью и экспериментом для этой величины уменьшается примерно в четыре раза. Значит, расчеты магнитного момента в пределах Стандартной модели теперь сходятся с экспериментом.

Значение аномального магнитного момента мюона, измеренное по совокупности всех экспериментов (фиолетовый) и вычисленное в рамках Стандартной модели (зеленый). Работа новосибирских физиков приближает экспериментальные данные к «стандартным» (желтый) / © Коллаборация КМД-3

«Конечно, наш последний анализ не закроет полностью вопрос изучения АМММ. Необходимо и дальше проводить эксперименты с лучшей точностью, чтобы подтвердить собственные измерения. Также необходимы независимые эксперименты для верификации полученного результата. Например, в Японии на Belle II уже набирают данные для измерения вероятности рождения двух пионов в электрон-позитронной аннигиляции. В будущем и в ИЯФ продолжится работа по повышению точности эксперимента. Думаю, в ближайшие пять-десять лет у нас появится точное понимание, согласуются наши значения или же расходятся, свидетельствуя о Новой физике», — так прокомментировал это открытие старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Федор Игнатов.