Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) достигли выдающегося результата в области физики высоких энергий. В ходе эксперимента на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 с детектором СНД им удалось с лучшей в мире точностью измерить структуру нейтрона и его античастицы — антинейтрона. По сравнению с данными 2022 года, физики в четыре раза увеличили статистику набора данных, что позволило удвоить точность измерений. Для этого был разработан и внедрен прецизионный метод регистрации частиц. Полученные в 2023 году результаты не только согласуются с предыдущими измерениями на детекторе СНД, но и находятся в полном соответствии с данными международного эксперимента BESIII (Китай) в области энергий около 2 ГэВ. Итоги этой масштабной работы были опубликованы в авторитетном журнале Nuclear Physics and Nuclear Instruments Methods.
Детектор СНД для коллайдера ВЭПП-2000 в открытом состоянии. Автор Т. Морозова.
Коллайдеры: окно в мир элементарных частиц
Физика высоких энергий исследует фундаментальные строительные блоки материи, изучая продукты столкновений элементарных частиц. В ускорителях-коллайдерах, таких как ВЭПП-2000, частицы разгоняются до скоростей, близких к световым, и сталкиваются друг с другом. Эти эксперименты служат для проверки и уточнения Стандартной модели — теоретической основы, описывающей все известные частицы и силы взаимодействия между ними (за исключением гравитации). Сегодня в мире активно работают семь таких установок, и еще шесть находятся на стадии проектирования или строительства.
Рождение частиц в столкновениях
При столкновении электрона и позитрона в коллайдере происходит процесс аннигиляции: они исчезают, а их энергия преобразуется в рождение новых частиц. В отличие от Большого адронного коллайдера (БАК, ЦЕРН), где сталкиваются протоны при гигантских энергиях для поиска тяжелых частиц вроде бозона Хиггса, на российском ВЭПП-2000 работа ведется при сравнительно низких энергиях (до 2 ГэВ). Однако именно в этой энергетической области происходит множество интереснейших процессов, в частности, рождение адронов — частиц, состоящих из кварков, таких как протоны, нейтроны и мезоны.
Сергей Середняков, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук, объясняет процесс: «В кольце ВЭПП-2000 пучки сталкиваются 12 миллионов раз в секунду. При аннигиляции электрона и позитрона рождается виртуальный фотон, который почти мгновенно (за 10^-24 секунды) распадается на кварк и антикварк. Из-за фундаментального свойства конфайнмента — невозможности существования одиночных кварков — каждый из них порождает пару. В результате этой «кварковой комбинаторики» формируются адроны. Например, для рождения нейтрона требуется собраться вместе двум d-кваркам и одному u-кварку, а для антинейтрона — их античастицам».
Прорывные измерения на детекторе СНД
Столкновения происходят в зонах коллайдера, где установлены два детектора: КМД-3 и СНД. Группа экспериментаторов детектора СНД сосредоточилась на изучении структуры нейтрона и антинейтрона. В 2022 году им впервые в мире удалось измерить структуру этой пары вблизи порога реакции, то есть в момент её зарождения. Эксперимент 2023 года стал качественным скачком: была вчетверо увеличена статистика (зарегистрировано около 6000 пар нейтрон-антинейтрон), вдвое повышена точность и создана специальная электроника для калориметра, позволяющая чётко выделять нужные процессы среди фона.
«Цель любого физического эксперимента — накопить как можно больше статистики и минимизировать погрешность, — поясняет Сергей Середняков. — Наши новые данные подтвердили предыдущие результаты, но с удвоенной статистической точностью».
Обратите внимание: Экспериментальная вакцина против рака кожи была на 100% эффективна при тестировании на мышах.
Что такое форм-фактор и почему его важно измерить
Нейтроны, как и протоны, относятся к адронам и состоят из кварков, скрепленных глюонами посредством сильного взаимодействия. Измерение структуры нейтрона — это, по сути, исследование сложной динамики взаимодействий кварк-кварк, кварк-глюон и глюон-глюон внутри частицы.
Форм-фактор, измеренный 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 электромагнитным форм-фактором — функцией, которая отражает движение электрических зарядов кварков и глюонов внутри неё, — говорит учёный. — Измеряя его, мы получаем усреднённое представление о том, как движутся и взаимодействуют эти фундаментальные составляющие. Можно провести аналогию с температурой воздуха: она является макроскопическим параметром, описывающим сложное распределение скоростей и столкновений молекул. Так и форм-фактор даёт суммарное описание всей внутренней динамики частицы».
Значение форм-фактора для нейтронов и протонов в пороговой области теоретически предсказывается неоднозначно. Эксперименты на СНД позволяют измерить эту величину с беспрецедентной точностью, с систематической погрешностью не хуже 10%. «Уже сейчас можно утверждать, что мы измеряем сечение процесса аннигиляции в пару нейтрон-антинейтрон с лучшей в мире точностью. Наши данные, например, показывают, что форм-фактор нейтрона меньше, чем у протона», — отмечает Середняков.
Методологический прорыв: точность без «усов»
В экспериментальной физике ключевой показатель — точность, то есть минимальная величина погрешности измерений, которая на графиках часто отображается в виде «усов». Идеал — результат вообще без «усов». Сечение реакции (обозначаемое σ) рождения пары нейтрон-антинейтрон в эксперименте СНД было измерено с точностью до 0,1 нанобарна (нб), где 1 нб = 10^-33 см².
«Наши результаты в области до 2 ГэВ являются пионерскими, — подчеркивает исследователь. — При этом они прекрасно согласуются с данными эксперимента BESIII на стыке энергетических диапазонов (2 ГэВ — наш максимум и их минимум), что взаимно подтверждает корректность проведённых измерений».
Качественный скачок в 2023 году стал возможен благодаря разработке нового метода регистрации. Нейтроны обладают характерной особенностью — они достигают детектора с задержкой около 5 наносекунд. Учёные создали систему, которая с высоким разрешением (около 1 наносекунды) измеряет время прихода сигнала в каждый из 1640 кристаллов калориметра СНД. Эта инновация, описанная в журнале Nuclear Instruments Methods, позволила надёжно идентифицировать нужные события и стала одной из главных причин увеличения точности всего 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.