Эксперимент по измерению структуры нейтрона и антинейтрона на российском коллайдере ВЭПП-2000 проведен с лучшей в мире точностью
Эксперимент по изучению структуры нейтрона и антинейтрона на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 с детектором СНД, который проводят специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), вышел на новый уровень точности. По сравнению с результатами 2022 года физики в четыре раза увеличили статистику набора данных, в два раза улучшили точность эксперимента и разработали прецизионный метод регистрации нужных для исследования частиц. Результаты опубликованы в журналах «Ядерная физика» и Nuclear Instruments Methods.
Физика высоких энергий изучает продукты соударения элементарных частиц. В коллайдерах (ускорителях частиц на встречных пучках) они сначала разгоняются практически до скорости света, а потом сталкиваются. Так физики проводят экспериментальную проверку Стандартной модели – теории микромира, описывающей все многообразие частиц во Вселенной и законы взаимодействия между ними. Всего в мире семь действующих ускорителей на встречных пучках, еще шесть находятся на стадии проектирования и строительства.
При столкновении электронов и позитронов в коллайдере происходит аннигиляция – их исчезновение с рождением других элементарных частиц. Например, на самой крупной установке – Большом адронном коллайдере (Швейцария) – ученые при высоких энергиях сталкивают протоны с протонами или протоны с тяжелыми ионами. Продуктами таких соударений могут стать бозоны – тяжелые фундаментальные частицы со слабым взаимодействием. Именно при протон-протонном столкновении был открыт бозон Хиггса. На российском коллайдере, ВЭПП-2000 в ИЯФ СО РАН сталкивают электроны и позитроны. Детекторы регистрируют рождение адронов, состоящих из кварков: протонов, нейтронов, пи-мезонов, К-мезонов и др. Дальше физики изучают структуру и свойства полученных частиц.
«В ускорительном кольце коллайдера ВЭПП-2000 электроны и позитроны движутся практически со скоростью света, а столкновение пучков происходит с частотой 12 МГц, то есть 12 миллионов раз в секунду, – рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Середняков. – Когда электрон с позитроном сталкиваются, образуется виртуальный фотон, который живет очень непродолжительное время – всего около 10-24 секунды, он рождает кварк и антикварк, которые начинают разлетаться… Каждый кварк рождает еще пару кварков. Так происходит до тех пор, пока случайным образом кварки не соберутся в нужную комбинацию, не подберут себе нужных для реакции «компаньонов». Например, чтобы появился нейтрон, должны встретиться два d-кварка и один u-кварк, чтобы родился протон – два u-кварка и один d-кварк. Такое же количество кварков только с приставкой «анти» необходимо для появления антинейтрона и антипротона. Такая комбинаторика происходит очень быстро – за 10— 24 секунды».
Группа физиков-экспериментаторов занимается изучением структуры нейтрона и антинейтрона. В 2022 г. специалисты ИЯФ первыми в мире измерили структуру данной пары вблизи порога реакции, то есть в самый момент ее рождения, когда относительная скорость частиц маленькая. В новом эксперименте физики не только увеличили статистику набора данных и улучшили точность эксперимента, но и разработали электронику для детектора СНД (Сферический нейтральный детектор), позволяющую с высокой точностью выделять необходимые процессы.
Нейтроны входят в класс адронов и состоят из кварков – наименьших частиц материи и глюонов – элементарных частиц, которые «склеивают» кварки между собой. Измерение структуры нейтрона и антинейтрона представляет собой изучение суммарных характеристик взаимодействия кварков с кварками, кварков с глюонами и глюонов с глюонами.
«Структура частицы описывается функцией, так называемым электромагнитным формфактором, который определяется движением электрических зарядов кварков и глюонов внутри частицы. Измеряя его значение, мы примерно понимаем, по каким траекториям, с какими скоростями кварки и глюоны движутся внутри нейтрона и антинейтрона, как происходит взаимодействие между ними», – добавил Сергей Середняков.
По словам специалиста, значение формфакторов нейтронов и протонов в пороговой области в теории предсказывается неоднозначно. Начавшиеся эксперименты на ВЭПП-2000 измеряют это значение с хорошей точностью, которая каждый год повышается. «Уже сейчас можно сказать, что мы с наилучшей в мире точностью проводим измерение сечения процесса электрон-позитронной аннигиляции в пару нейтрон-антинейтрон, с систематической погрешностью не хуже 10%», – сказал Сергей Середняков.
Эксперимент 2023 года стал качественно лучше и с методической точки зрения. По словам Середнякова, для эксперимента СНД ученые разработали новый метод регистрации нейтрон-антинейтронных событий, который позволяет с высоким разрешением измерять время прихода сигнала в каждом из 1640 кристаллов калориметра детектора. Это позволило повысить набор статистики и точность эксперимента.
Рисунок: изображение коллайдера ВЭПП-2000 ИЯФ СО РАН. Автор Е. Койнова