Работа ведется в рамках международного проекта в Японии
Стандартная модель (СМ) – современная теория микромира – хорошо
описывает взаимодействия элементарных частиц. Множество
параметров в СМ, например, массы кварков, лептонов, калибровочных
бозонов и др., позволяют ученым предполагать существование Новой
физики – явлений, которые не согласуются со СМ. Эксперимент по
поиску Новой физики готовится в японском протонном ускорительном
комплексе J-PARC. Специалисты Института ядерной физики им. Г. И.
Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), принимающие участие в международной
коллаборации, разработали, изготовили и успешно испытали прототип
детектора для J-PARC, сообщает пресс-служба ИЯФ СО РАН. В
настоящий момент идет разработка детектора, который в 2019 г.
установят в J-PARC в префектуре Ибараки. Прибор позволит
проверить корректность работы строящегося мюонного ускорителя.
Одно из направлений поиска физики за рамками СМ – измерение в
эксперименте и сравнение с теоретическими расчетами значения
аномального магнитного момента мюона. Физики используют именно
эту величину, потому что ее можно очень точно рассчитать в рамках
теории и так же точно ее можно измерить экспериментально.
Подобные эксперименты ранее проводились в Европейской организации
по ядерным исследованиям (CERN, серия экспериментов CERN-I,
CERN-II, CERN-III) и в Брукхейвенской Национальной лаборатории
(BNL, эксперимент E821). На сегодняшний день наиболее точное
измерение аномального магнитного момента мюона отличается от
теоретического расчета в рамках СМ более чем на три стандартных
отклонения. Это означает, что вероятность такого случайного
отклонения около 0,1% при условии, что погрешность эксперимента
определена правильно. Отклонение может быть как указанием на
существование физики вне СМ, так и следствием недооценки
систематических погрешностей в эксперименте или расчете. Поэтому
нужны более точные эксперименты.
На настоящий момент набор данных осуществляется в эксперименте
E989 в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми
(Фермилаб), который продлится около двух лет, а также готовится
эксперимент E34 на японском протонном ускорительном комплексе
(J-PARC) – ведется строительство мюонного ускорителя в селе Токай
префектуры Ибараки. Задача каждого эксперимента с большей
точностью измерить величину аномального магнитного момента
мюона.
Для эксперимента E34 специалисты ИЯФ СО РАН изготовили прототип
системы диагностики мюонного пучка, который в 2018 г. прошел все
испытания и продемонстрировал работоспособность. Теперь физики
ИЯФ СО РАН разрабатывают детектор для мюонного ускорителя
J-PARC.
«Наш детектор – это только одна из систем диагностики мюонного
ускорителя. Все они нужны для того, чтобы еще до начала
эксперимента понимать, какими параметрами будет обладать пучок –
от этого зависит результат работы, – рассказывает участник
коллаборации J-PARC, научный сотрудник ИЯФ СО РАН Георгий
Разуваев. – Детектор, разработанный в Институте, будет измерять
поперечный профиль пучка – то есть регистрировать зависимость
количества мюонов от их положения в пространстве, распределение
частиц в пучке. Все эти параметры будут отображаться в виде
двухмерной картинки. Детектор представляет собой монитор со
сцинтилляционной пленкой».
Работа детектора ИЯФ СО РАН основана на следующем принципе:
потоки мюонов, проходящие через сцинтилляционный слой толщиной
три микрометра, излучают свет в видимом диапазоне, который с
высокой чувствительностью, низкими шумами и возможностью держать
экспозицию до 50-ти дней фиксирует специальная фотокамера.
«Чем толще сцинтилляционная пленка, тем больше приходится света
на частицу и тем сильнее сигнал – соответственно, его легче
зарегистрировать. Но толстая пленка сильнее влияет на структуру
пучка, – поясняет Георгий Разуваев. – Необходимо было подобрать
такие параметры материала, которые бы эффективно справлялись с
этими исключающими друг друга задачами. Наша пленка максимально
тонкая и минимально влияет на пучок. Технология детектора,
разработанная в нашем Институте, позволит специалистам J-PARC
работать с пучками нужных параметров».
По словам Георгия Разуваева, экспериментальные результаты
значения аномального магнитного момента мюона, измеренные в
предыдущих экспериментах, и предсказания теории физики
элементарных частиц расходятся довольно значительно – в
Стандартной модели предсказания отличаются от измерений на 3,5-4
стандартных отклонения, но для обоснованного утверждения, что это
действительно проявления Новой физики, необходимы более точные
эксперименты.
«Сцинтилляционный детектор, разработанный нашими коллегами из
Будкеровского института, обладает уникальной технологией
регистрации мюонного пучка, – рассказывает руководитель мюонного
эксперимента J-PARC, профессор Цутому Мибе (Tsutomu Mibe). –
Благодаря этому мы сможем без помех контролировать характеристики
пучка мюонов в эксперименте J-PARC».
В эксперименте E34 реализован отличный от E989 (Фермилаб) подход.
Здесь будет использован охлажденный пучок мюонов, который
позволит отказаться от электростатической фокусировки и проводить
измерения при значительно меньшем импульсе мюонов, что позволит
избежать целого комплекса систематических погрешностей.
«Эмиттанс мюонного пучка (фазовый объем пучка в ускорителе) в
эксперименте J-PARC меньше, чем в эксперименте Фермилаб, а значит
выше качество пучка, – добавил профессор Мибе. – Это позволило
нам ослабить фокусирующее поле для удержания мюонов на
равновесной орбите, используя только магнитное поле, и работать с
более компактным накопительным кольцом; увеличить эффективность
инжекции и др. Также наша техника эксперимента сильно отличается
от Фермилаб. Таким образом, эксперимент J-PARC становится
уникальным и ценным инструментом для определения аномального
магнитного момента мюона».
Благодаря разным методам измерения аномального магнитного момента
мюона систематические ошибки в этих двух экспериментах будут
практически независимы.
Работы проводятся при поддержке гранта РФФИ-JSPS Российского
фонда фундаментальных исследований и Японского общества
продвижения науки.
Иллюстрация: Прототип детектора разработанный в ИЯФ СО РАН
представляет собой монитор со сцинтилляционной пленкой.
Фотография Г. Разуваева.
Источник: www.inp.nsk.su
