Ученые ИЯФ подняли точность измерения структуры нейтрона и антинейтрона
Нового уровня точности добились в эксперименте по изучению структуры нейтрона и антинейтрона на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 со сферическим нейтральным детектором (СНД) специалисты Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, 27 декабря сообщила пресс-служба института.
Физики увеличили в 2023 году статистику набора данных в четыре раза по сравнению с результатами 2022 года и в два раза улучшили точность эксперимента, разработав прецизионный метод регистрации нужных для исследования частиц.
Полученный результат согласуется как с предыдущим измерением СНД, так и с международным экспериментом BESIII (Китай) в области энергии 2 ГэВ. Свои результаты экспериментаторы представили в статьях, опубликованных в журнале «Ядерная физика» и Nuclear Instruments Methods.
Предметом изучения физики высоких энергий являются продукты соударения элементарных частиц. В коллайдерах такие частицы на встречных пучках сначала разгоняются почти до скорости света, а затем сталкиваются. Эти исследования экспериментально проверяют Стандартную модель в теории микромира, которая описывает всё многообразие частиц во Вселенной и законы их взаимодействия.
Всего в мире работают семь ускорителей на встречных пучках (из них два в России, оба в ИЯФ), а еще шесть проектируются и строятся.
Столкновение электронов и позитронов в коллайдере приводит к их аннигиляции, взаимном исчезновении с одновременным с рождением других элементарных частиц.
На самом крупном таком ускорителе — Большом адронном коллайдере (БАК, ЦЕРН, Швейцария) — ученые на энергиях до 6,5 ТэВ сталкивают протоны с протонами или протоны с тяжелыми ионами. При таких соударениях могут рождаться бозоны (тяжелые фундаментальные частицы со слабым взаимодействием). Именно протон-протонное столкновение на БАК позволило обнаружить бозон Хиггса.
На российском коллайдере ВЭПП-2000 в ИЯФ СО РАН производятся столкновения электронов и позитронов, но на невысоких энергиях — до 2 ГэВ. Однако эксперименты и в этой области энергий дают физикам много интересной информации.
Детекторы коллайдера регистрируют рождение адронов, то есть частиц, состоящих из кварков: протонов, нейтронов, пи-мезонов, К-мезонов и др., а физики изучают структуру и свойства полученных частиц.
Главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Середняков рассказал о работе этого ускорителя:
«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. 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, но обладая свойством конфайнмента, то есть невозможностью существовать по одному в свободном пространстве, 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“».
Нейтрон создается при встрече двух d-кварков и одного u-кварка, для рождения протона нужны два u-кварка и один d-кварк. Соответственно, такое же количество антикварков необходимо для появления антинейтрона и антипротона. Всё это происходит за 10–24 секунды.
Для фиксации такого события — столкновения и электрон-позитронной аннигиляции с рождением элементарных частиц, в коллайдере ВЭПП-2000 есть два детектора — криогенный магнитный детектор (КМД-3) и сферический нейтральный детектор (СНД).
Физики, работающие с детектором СНД, изучают структуры нейтрона и антинейтрона. Первыми в мире структуру данной пары вблизи порога реакции, в самый момент ее рождения, еще при маленькой относительной скорости частиц измерили в 2022 году специалисты ИЯФ. До этого момента структуру этой пары в пороговой области никто не изучал.
В эксперименте 2023 года физики смогли в четыре раза увеличить статистику набора данных, в два раза — точность эксперимента за счет разработки для калориметра детектора СНД электроники, которая позволила выделять необходимые процессы с высокой точностью.
«Любой эксперимент в физике стремится к увеличению набранной статистики и улучшению точности полученных результатов, — пояснил Сергей Середняков. — Мы продолжаем процесс изучения электрон-позитронной аннигиляции в пару нейтрон-антинейтрон на коллайдере ВЭПП-2000. В последнем измерении мы примерно в четыре раза увеличили статистику — было зарегистрировано около 6000 пар нейтронов-антинейтронов. Это, в свою очередь, повысило точность измерений структуры этих частиц и античастиц в два раза. Полученные в 2023 году данные согласуются с предыдущим измерением СНД, но, как уже сказано, имеют в два раза лучшую статистическую точность».
Нейтроны относятся к классу адронов и состоят из кварков (наименьших частиц материи) и глюонов (элементарных частиц, «склеивающих» кварки между собой, притягивая их с помощью сильного взаимодействия). Поэтому, чтобы определить структуру нейтрона и антинейтрона, необходимо установить суммарные характеристики 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», — пояснил Сергей Середняков.
Ученый объяснил значение формфактора в изучении структуры нейтрона и антинейтрона на примере такого понятия, как температура. В реальности температура, например, воздуха зависит от скоростей и взаимодействий молекул в нем. При этом скорости молекул воздуха описываются сложной функцией, или распределением Максвелла, но в целом измерить эту функцию можно как температуру воздуха.
«Так и с формфактором, — продолжил Середняков. — Теоретики задают некоторые распределения того, как движутся кварки в нейтроне, то есть некоторые вероятности их движения, скорости и др. И на выходе получается электромагнитный формфактор — интегральное, или суммарное описание всех сложных движений кварков, параметров их взаимодействия друг с другом и с глюонами внутри нейтрона. Очень упрощенно можно сказать, что в эксперименте СНД мы измеряем формфактор, как измеряют температуру воздуха».
Формфактор для элементарных частиц является важной измеряемой величиной, которую физики изучают как теоретически, так и экспериментально. Однако его значения для нейтронов и протонов в пороговой области теория предсказывает неоднозначно. Отсюда вытекает важность экспериментальных измерений на ВЭПП-2000 с детектором СНД, которые дают хорошую точность, повышая ее каждый год.
«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%. Помимо того, что наше новое измерение согласуется с предыдущим, наши данные говорят, например, о том, что по величине формфактор нейтрона меньше формфактора протона», — рассказал Сергей Середняков.
Значение данных, получаемых в экспериментальной физике, зависит от их точности — «усов» ошибки (так называют графическое отображение погрешности измерения). В пределе усов не должно быть, но практически реальной задачей является «укорочение усов».
Измеренное событие в данном эксперименте — рождение пары частицы и античастицы, у физиков называется сечением (σ) и измеряется в квадратных сантиметрах. Чтобы было удобнее выражать величину сечений столкновений элементарных частиц ввели специальную единицу — 1 нанобарн, который равен 10 ⁻³³ см².
«Мы измерили сечение процесса аннигиляции электрона и позитрона в пару нейтрон-антинейтрон с хорошей точностью — 0,1 нанобарна. И теперь очень интересно увидеть результаты независимых экспериментов по измерению нейтронов-антинейтронов на пороге реакции. На данный момент на уровне энергии до 2 ГэВ ИЯФ СО РАН является первопроходцем», — отметил Сергей Середняков.
В эксперименте 2023 года физики ИЯФ СО РАН сумели также улучшить его методику.
«У нейтрона есть свой особый признак — ему нужно время, довольно продолжительное, около пяти наносекунд, чтобы долететь до детектора. Это время задержки для нейтрона мы очень хорошо знаем, а измеряя его в эксперименте можем достоверно выделять необходимые нам события. Для эксперимента СНД мы разработали новый метод регистрации нейтрон-антинейтронных событий. Метод позволяет с высоким разрешением, около 1 наносекунды, измерять время прихода сигнала в каждом из 1640 кристаллов калориметра детектора СНД. … Во многом благодаря этому мы и повысили набор статистики и точность эксперимента», — завершил свой рассказ Сергей Середняков.
