Ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН в измерениях с помощью детектора КМД-3 на коллайдере ВЭПП-2000 примерно в два раза сократили наблюдаемое различие между экспериментальным значением аномального магнитного момента мюона и значением, предсказанным Стандартной моделью. Исследователи измерили вероятность рождения пары пионов в результате столкновения пучков электронов и позитронов, и она оказалась выше, чем во всех предыдущих экспериментах в мире.
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. Его величина предсказывается Стандартной моделью. В последние годы аномальный магнит мюона был измерен с высокой точностью в разных лабораториях мира, однако полученные результаты отличались от предсказанных. Это вызвало огромный интерес научного сообщества, так как указывало на существование Новой физики — явлений (частиц и сил), не описываемых Стандартной моделью.
Ученые ИЯФ СО РАН получили новые данные, уменьшающие это противоречие, измерив вероятность рождения пары пионов в результате столкновения пучков электронов и позитронов. Эксперименты проводились с помощью детектора КМД-3 на коллайдере ВЭПП-2000 с 2013 по 2020 годы. В ВЭПП сталкиваются и аннигилируют пучки электронов и позитронов. Область энергий, в которой работает этот коллайдер (от 0,36 до 2 ГэВ), наиболее важна для определения вклада сильных взаимодействий в аномальный магнитный момент мюона.
Дело в том, что рассчитать величину АМММ в рамках Стандартной модели довольно сложно, поскольку на нее влияют все электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия, наблюдаемые в микромире. Вклад первых двух теоретики научились вычислять с высокой точностью, но вклад сильных взаимодействий напрямую посчитать пока невозможно. Однако он оказался тесно связан с другой величиной, которая как раз поддается измерениям. Речь идет о вероятности рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона. Просуммировав правильным образом эту вероятность при различных энергиях электрона и позитрона, можно получить вклад сильных взаимодействий в АМММ.
За почти 10 лет эксперимента сотрудники ИЯФ СО РАН набрали рекордную статистику с помощью детектора КМД-3 на коллайдере ВЭПП-2000 и осуществили реконструкцию событий. Оказалось, что измерения вероятности рождения пары пи-мезонов на КДМ-3 на 3—5 % выше, чем это показывали результаты всех предыдущих мировых экспериментов. «Предстоит еще понять, что отличает наши измерения от всех остальных, где у нас разница в методике, в полученных эффектах, но, несмотря на всё это, мы уверены в правильности своего результата», — сказал заместитель директора ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Иван Борисович Логашенко.
Большой объем, высокое качество экспериментальных данных и их тщательный анализ говорят о высокой точности измерений. «Количество статистики, которую мы накопили в экспериментах, позволило провести измерения с высокой точностью. Было разработано три независимых метода, которые используют различную информацию для детекторного анализа. Мы проверили несколько наборов данных в разных условиях, а также сделали комплексную проверку, измерив вероятность рождения пары мюонов. Все измерения согласуются точностью порядка 1 %», — пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Фёдор Владимирович Игнатов.
В последние годы появился новый метод расчета вклада сильных взаимодействий в АМММ — вычисления на решетке. Это метод теоретического расчета, основанный на компьютерном моделировании. Он не зависит от измерений, подобных тем, которые проводятся на ВЭПП-2000. В 2021 году с помощью этого метода впервые был сделан расчет с точностью лучше 1 %. Оказалось, что если использовать результат решеточных вычислений вклада сильных взаимодействий в АМММ, то измеренное значение АМММ начинает согласовываться со Стандартной моделью. Этот результат отличается от результатов всех предыдущих экспериментов по вычислению АМММ, но хорошо согласуется с результатом КМД-3.
В 2022 году свой первый результат по измерению вероятности рождения пары пи-мезонов выдала также команда детектора СНД — второго эксперимента, который работает на ВЭПП-2000 одновременно с КМД-3. Этот результат не согласуется ни с КМД-3, ни с методом решеточных вычислений. Сейчас ученые ждут уточняющих данных с СНД, чтобы попробовать разрешить эту загадку.
«Конечно, наши результаты не закрывают вопрос изучения АМММ. Необходимо и дальше проводить эксперименты с лучшей точностью, чтобы подтвердить собственные измерения. Также нужны 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 увеличению точности эксперимента. Думаю, в ближайшие пять-десять лет у нас появится точное понимание, согласуются наши значения или же расходятся, свидетельствуя о Новой физике», — пояснил Фёдор Игнатов.
Если результат сибирских ученых на детекторе КМД-3 подтвердится, разница между измеренным и предсказанным теорией аномальным магнитным моментом мюона сократится. «Это не означает, что Новой физики нет, но это значит, что она должна проявляться при больших энергиях. Имеются в виду экзотические моменты: рождение Вселенной, Большой взрыв и так далее. Новые частицы могут существовать, но их масса такая большая, что мы их пока не видим даже на Большом адронном коллайдере», – прокомментировал Иван Логашенко.
Сейчас вклад сильных взаимодействий в аномальный магнитный момент мюона продолжает исследоваться в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США) — там в ближайшее время ожидаются новые результаты, призванные уменьшить неопределенность экспериментального результата в три раза, — и Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН, Швейцария).
«Наука в Сибири»
