Эксперимент по изучению структуры нейтрона и антинейтрона на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 с детектором СНД, который провели специалисты кафедры ядерной физики. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), вышел на новый уровень точности. По сравнению с результатами 2022 года в этом году физики увеличили статистику набора данных в четыре раза, удвоили точность эксперимента и разработали прецизионный метод регистрации частиц, необходимых для исследования. Результат 2023 года согласуется с предыдущими измерениями SND, а также с международным экспериментом BESIII (Китай) в области энергий 2 ГэВ. Результаты были опубликованы в журнале Nuclear Physics and Nuclear Instruments Methods.
Детектор СНД для коллайдера ВЭПП-2000 в открытом состоянии. Автор Т. Морозова.
Физика высоких энергий изучает продукты столкновений элементарных частиц. В ускорителях частиц, использующих встречные лучи, коллайдеры сначала ускоряются почти до скорости света, а затем сталкиваются. Так физики проводят экспериментальную проверку стандартной модели — теории микромира, описывающей весь спектр частиц во Вселенной и законы взаимодействия между ними. В мире действуют семь ускорителей-коллайдеров, еще шесть находятся на стадии проектирования и строительства.
Что происходит в коллайдере и почему частицы выбирают компаньонов
При столкновении электронов и позитронов в коллайдере происходит аннигиляция — их исчезновение с рождением других элементарных частиц. Например, на крупнейшей установке — Большом адроном коллайдере (БАК, ЦЕРН, Швейцария) — исследователи сталкиваются протоны с протонами или протоны с тяжелыми ионами при высоких энергиях (до 6,5 ТэВ). Продуктами таких столкновений могут стать бозоны — тяжелые фундаментальные частицы со слабым взаимодействием. Бозон Хиггса был открыт во время протон-протонного столкновения на БАКе. На другом коллайдере, уже российском, ВЭПП-2000 в Институте ядерной физики СО РАН, сталкиваются электроны и позитроны. Столкновения происходят при низких энергиях — до 2 ГэВ, но в этой области происходит много интересного. Детекторы фиксируют рождение адронов, то есть частиц, состоящих из кварков: протонов, нейтронов, пи-мезонов, К-мезонов и т д. Затем физики изучают структуру и свойства образующихся частиц.
"В ускорительном кольце коллайдера ВЭПП-2000 электроны и позитроны движутся почти со скоростью света, а столкновения пучков происходят с частотой 12 МГц, то есть 12 миллионов раз в секунду", - рассказал главный научный сотрудник Сергей Середняков в ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук. - При столкновении электрона и позитрона образуется виртуальный фотон, который живет очень недолго - всего 10-24 секунды, он рождает кварк и антикварк, которые начинают разлетаться, но обладают свойством В результате конфайнмента, то есть невозможности существования поодиночке в свободном пространстве, каждый кварк порождает пару кварков. Так происходит до тех пор, пока кварки случайным образом не соберутся в нужную комбинацию и не выберут нужных для реакции «спутников». Для появления нейтрона, например, должны встретиться два d-кварка и u-кварк, для рождения протона - два u-кварка и d-кварк. Такое же количество кварков только с приставкой «анти» необходимо для появления антинейтрона и антипротона. Эта комбинаторика происходит очень быстро – за 10–24 секунды».
Столкновения и электрон-позитронная аннигиляция с последующим образованием элементарных частиц происходят в тех зонах коллайдера ВЭПП-2000, где установлены два детектора - КМД-3 (Криогенный магнитный детектор) и СНД (Сферический нейтральный детектор). Группа физиков-экспериментаторов детектора СНД изучает структуру нейтрона и антинейтрона. В 2022 году специалисты ИЯФ первыми в мире измерили структуру этой пары вблизи порога реакции, то есть в момент ее зарождения, когда относительная скорость частиц мала. До этого структуру этой пары в пороговой области никто не изучал. В новом эксперименте 2023 года физики в четыре раза увеличили статистику набора данных, удвоили точность эксперимента и разработали электронику для калориметра детектора СНД, позволяющую с высокой точностью выделять необходимые процессы.
Новые результаты эксперимента СНД
"Каждый эксперимент в физике стремится увеличить накопленную статистику и повысить точность получаемых результатов", - пояснил Сергей Середняков. - Мы продолжаем процесс изучения электрон-позитронной аннигиляции в паре нейтрон-антинейтрон на коллайдере ВЭПП-2000. В последнем измерении мы увеличили статистику примерно в четыре раза — было обнаружено около 6000 пар нейтрон-антинейтрон.
Обратите внимание: Экспериментальная вакцина против рака кожи была на 100% эффективна при тестировании на мышах.
Это, в свою очередь, вдвое увеличило точность измерений структуры этих частиц и античастиц. Данные, полученные в 2023 году, соответствуют предыдущим измерениям СНД, но, как уже упоминалось, имеют вдвое большую статистическую точность».Нейтроны относятся к классу адронов и состоят из кварков — мельчайших частиц материи и глюонов — элементарных частиц, «склеивающих» кварки между собой и притягивающих их с помощью сильных взаимодействий. Поэтому измерение структуры нейтрона и антинейтрона — это исследование общих свойств взаимодействия кварков с кварками, кварков с глюонами и глюонов с глюонами.
Форм-фактор измерен в эксперименте SND. В области энергий 2 ГэВ результаты российского эксперимента (черные точки) совпадают с результатами китайского BESIII (красные точки). С разрешения С. Середнякова
«Структура частицы описывается функцией, так называемым электромагнитным форм-фактором, который определяется движением электрических зарядов кварков и глюонов внутри частицы. Измеряя величину, мы примерно понимаем, по каким траекториям, с какими скоростями движутся кварки и глюоны внутри нейтрона и антинейтрона и как происходит взаимодействие между ними", - добавил Сергей Середняков. - Примерно потому, что движение отдельного кварка затруднено для описания.Можно провести аналогию:вещество,например воздух,имеет температуру,которая определяется скоростями и столкновениями молекул.Скорости молекул воздуха определяются сложной функцией,или распределением Максвелла.Но в целом , вся эта сложная функция измеряется и описывается как температура. То же самое и с форм-фактором. Теоретики указывают некоторые распределения того, как кварки движутся в нейтроне, то есть некоторые вероятности их движения, скорости и т д. И на выходе получается электромагнитная форма фактор – комплексное, 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 коэффициент формы так же, как измеряется температура воздуха».
По словам специалиста, формфактор — важная величина, измеряемая в элементарных частицах, и он всегда был предметом теоретических и экспериментальных исследований. В случае нейтронов и протонов значение их коэффициентов формы в пороговой области теоретически предсказывается неоднозначно. Начавшиеся на ВЭПП-2000 эксперименты с детектором СНД измеряют эту величину с хорошей точностью, которая увеличивается с каждым годом. "Уже можно сказать, что мы измеряем сечение процесса электрон-позитронной аннигиляции в пару нейтрон-антинейтрон с лучшей в мире точностью, с систематической ошибкой не хуже 10%. Помимо того, что «Наше новое измерение согласуется с предыдущим, наши данные показывают, например, что форм-фактор нейтрона меньше форм-фактора протона», — сказал Сергей Середняков.
Лучше без усов
В экспериментальной физике все сводится к точности, то есть уменьшению количества ошибок. Есть измерения, имеющие очень длинные «усы», что говорит о большой погрешности и, следовательно, низкой точности. Вариант предельной точности – отсутствие «усов». Измеряемые события, то есть рождение пары частиц и античастиц, физики называют измерениями поперечного сечения. Сечение (обозначается буквой σ) измеряется в квадратных сантиметрах. Для выражения сечений столкновений элементарных частиц используется более удобная единица - 1 нанобарн = 10 -33 см2.
"Мы измерили сечение процесса аннигиляции электрона и позитрона в пару нейтрон-антинейтрон с хорошей точностью - 0,1 нанобар (нб)", - добавил Сергей Середняков. - И сейчас очень интересно увидеть результаты независимых экспериментов по измерению нейтронов-антинейтронов на пороге реакции. В настоящее время на уровнях энергии до 2 ГэВ ИЯФ СО РАН является пионером. Международный эксперимент BESIII (Китай) работает при более высоких энергиях, но наши результаты согласуются именно в диапазоне энергий 2 ГэВ, который является максимальным для нас и минимальным для них. Скорее всего, это означает, что и они, и мы все сделали правильно».
эксперимент 2023 года стал качественно лучше с методической точки зрения. Когда происходит электрон-позитронная аннигиляция, образуется большое количество частиц. Чтобы зарегистрировать только необходимые события, в данном случае рождение пары нейтрон-антинейтрон, электроника детектирования должна быть высокочувствительна к их сигналам.
"У нейтрона есть своя особая функция - ему нужно довольно много времени, около пяти наносекунд, чтобы добраться до детектора", - добавляет Сергей Середняков. — Мы очень хорошо знаем это время задержки нейтрона, и, измерив его в эксперименте, мы можем достоверно идентифицировать нужные нам события. Для эксперимента СНД мы разработали новый метод регистрации нейтрон-антинейтронных событий. Метод позволяет измерять с высоким разрешением, ок. 1 наносекунда — время прихода сигнала в каждый из 1640 кристаллов детекторного калориметра СНД. Работа, описывающая систему синхронизации, была опубликована в 2023 году в журнале Nuclear Instruments Methods. Во многом благодаря этому мы увеличили набор статистики и точность эксперимента».
Источник
ResearchPhysicsCollider Длинный пост 29Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Эксперимент по измерению структуры нейтрона и антинейтрона на российском коллайдере ВЭПП-2000 проведен с лучшей в мире точностью.