Как попасть в «палату мер и весов» физики элементарных частиц?
- 29.10.2024
Физика элементарных частиц (ФЭЧ) занимается изучением структуры и свойств фотонов, адронов и лептонов, то есть базового состава материи. На сегодняшний день специалистам известны характеристики более трехсот элементарных частиц, систематизирует которые международное сообщество «фэчистов» – Particle Data Group (PDG). Параметры частиц (время жизни, масса, спин, электрический заряд), занесенные в таблицу PDG, периодически обновляются, так как каждый последующий эксперимент повышает точность ранее полученного результата. Впрочем, стать эталонным и задержаться на десятилетия результат может, главное кратно повысить точность своего эксперимента и не иметь конкурентов. Планируется, что так будет с ϒ(1S) (ипсилон 1S) мезоном – элементарной частицей, массу которой специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) собираются измерить с лучшей в мире точностью на коллайдере ВЭПП-4М с детектором КЕДР. Новый эксперимент станет в два раза точнее предыдущего, который, кстати, также был проведен в том числе на новосибирском коллайдере в 80-х г. XX в.
Рассказывают об этапах подготовки к эксперименту КЕДР старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Иван Николаев и ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Андрей Шамов.
— Зачем физикам знать массу ипсилон-мезона или любой другой элементарной частицы?
Иван Николаев: Одна из задач физики элементарных частиц состоит в изучении и дополнении теории микромира, Стандартной модели, которая дает указания, как взаимодействуют частицы во Вселенной. Например, ипсилон-мезон – это элементарная частица, мезон, представляющий собой систему из b и анти-b кварков. Измеряя его массу, мы можем понять, как именно взаимодействуют друг с другом b и анти-b кварки, то есть детально описать сильное взаимодействие между ними, уточнить квантовую хромодинамику этого процесса.
— Кто первым измерил массу этой частицы, и какие измерения имеются на данный момент?
Андрей Шамов: Ипсилон-мезоны были открыты в 1977 г. в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб, США) в эксперименте с фиксированной мишенью. Тогда наблюдались два пика в инвариантной массе, регистрируемых в потоке частиц после мишени. Один пик наблюдался при массе 9410 МэВ, другой при 10060 МэВ. В таблицах Particle Data Group 1978 г. они именовались ϒ(9410) и ϒ(10060). В 1978 г. соответствующие пики были зарегистрированы на установке DORIS (Doppel Ring Speicher, Германия), а в 1980 г. – на установке CESR (Cornell Electron Storage Ring, США). Дополнительно, на CESR несколько выше по энергии были обнаружены еще два пика, узкий и широкий. К 1984 г. их стали считать проявлениями связанных состояний b-кварка и анти b-кварка и называть ϒ(1S)-ϒ(4S) по аналогии с состояниями атома водорода. В 1982 г. Particle Data Group вычислила значение массы ϒ(1S)-мезона на основе всех полученных данных, оно составило 9456.2 ± 9.5 МэВ.
Первое точное измерение массы ϒ(1S)-мезона было проведено в ИЯФ СО РАН в июне 1982 г. Для определения энергии пучков применялся метод резонансной деполяризации, разработанный в нашем институте семью годами ранее. Результат был опубликован 15 июля в препринте 82–84 г., масса составила 9459.7+-0.6 МэВ, точность знания массы увеличилась в 15 с лишним раз.
Коллайдер ВЭПП-4М. Фото С. Ерыгиной.
С этого момента началось соревнование по дальнейшему улучшению точности измерений. В нем участвовали детектор МД-1 на ВЭПП-4 и CUSB на CESR. В 1983 г. на конференции в Корнельском университете были представлены результаты ВЭПП-4 с точностью 0.4 МэВ (при обработке использовалась дополнительная статистика) и c CESR с точностью 0.2 МэВ, для его получения также использовался метод резонансной деполяризации. Соревнование завершилось публикацией работы CUSB в 1984 г. и МД-1 в 1986 г. Опубликованные значения масс составили МД-1: 9460.59 ± 0.12 МэВ и CUSB: 9459.97 ± 0.11 ± 0.07 МэВ. Из двух приведенных ошибок первая – статистическая, вторая – систематическая. В публикации МД-1 они были объединены в полную ошибку по принятым правилам, полная ошибка CUSB - 0.13 МэВ. В 1992 г. в статье по измерению лептонной ширины ϒ(1S)-мезона результат МД-1 по массе улучшился до 9460.59 ± 0.09 ± 0.05 МэВ и превысил точность результата CUSB на 26%.
До 2023 г. Particle Data Group использовала значения массы, полученные МД-1 и CUSB, для определения среднемирового значения. При этом отмечалось, что результаты плохо согласуются друг с другом, так что при вычислении был введен так называемый масштабный фактор, обеспечивающий формальное согласие измерений. Ошибка среднемирового значения в 3.3 раза превысила величину, которую можно было ожидать при согласии результатов.
— Андрей Георгиевич, в 2022 г. Вы переработали данные МД-1 и CUSB с учетом современных представлений. Для чего это было необходимо, особенно когда впереди нас ждет новый эксперимент на детекторе КЕДР?
Андрей Шамов: Это было необходимо как раз в связи с предстоящим экспериментом. Дело в том, что при появлении нового измерения старые результаты не выбрасываются, наравне с новым они используются при вычислении среднемирового значения. При противоречии новых и старых, не совсем корректных данных, новый эксперимент был бы частично обесценен, а мы не хотели этого допустить.
Основная причина плохого согласия результатов МД-1 и CUSB известна уже более тридцати лет. В работе CUSB были опубликованы все данные, необходимые для того, чтобы определить сечение рождения ϒ(1S)-мезона и энергию в точках сканирования. Мы обработали их результаты сами и получили результат на 0.35 МэВ выше опубликованного ими. Это сильно уменьшало противоречие. Мы обращались к авторам работы, чтобы прояснить ситуацию, но ответа не получили. Свои вычисления мы неоднократно проверяли, используя в том числе альтернативные теоретические подходы, так что были уверены в правильности пересчета, однако, разницу можно было списать и на опечатку в статье.
Только недавно был найден способ убедиться, что существенных опечаток в опубликованных данных наших коллег нет. Мы оцифровали рисунки из электронной версии публикации CUSB графическим редактором, получили сечения и энергии в точках и сравнили их с вычисленными по данным статьи. Все хорошо совпало. Мы подогнали сечение, как функцию энергии, используя те же формулы, которые использовали авторы, и сравнили подгоночные кривые, полученные нами и восстановленные с рисунка – они оказались разными. Это показало, что причина расхождения результатов по массе в неправильном вычислении подгоночной кривой в работе CUSB, и переобработанным данным можно доверять. Следует отметить, что одну несущественную опечатку мы нашли, но на результат по массе она практически не влияет.
Оптическое оборудование лазерного поляриметра. Фото С. Ерыгиной.
В нашей работе по ревизии значений масс ϒ(1S)-ϒ(3S) мы исправили недостатки чужих работ (некорректность в учете радиационных поправок, использование неточного значения массы электрона) и учли еще один эффект, который не учитывался в то время никем. Существенность его была осознана при измерениях массы J/ψ и ψ (2S)- мезонов на ВЭПП-4М с детектором КЕДР в 2002-2008 г. В результате переобработки данных степень несогласия результатов МД-1 и CUSB существенно уменьшилась, требуемое значение масштабного фактора изменилось с 3.3 до 1.8.
Наша работа была одобрена рецензентами журнала Phys. Lett. B, а результаты признаны Particle Data Group. К сожалению, поправленные значения массы по работе CUSB были приведены, но не использовались для вычисления результирующего значения, хотя с ускорительной точки зрения работа качественная, а недостатки в обработке были исправлены. Мы считаем, что исключать поправленный результат СUSB не правильно, но ничего поделать не смогли. В переписке представители PDG сослались на формальные правила, которым следуют.
— Расскажите подробнее о методе резонансной деполяризации: на каких принципах он основан и как повышает точность экспериментов в вашей области?
Иван Николаев: Чтобы иметь все основания говорить, что масса элементарной частицы измерена с лучшей в мире точностью, необходима эффективная система измерения энергии пучков электронов и позитронов, сталкивающихся в коллайдере. Именно на знании энергии релятивистского пучка основан метод резонансной деполяризации. Каждый электрон, движущийся в ускорителе почти со скоростью света, вращается и вокруг себя, как волчок. Такое вращение называется спином частицы. И само направление этого вращения прецессирует (вращается) вокруг направления магнитного поля ускорителя, причем скорость этого вращения зависит от энергии электрона. Измеряя скорость прецессии спина, можно измерить энергию самих элементарных частиц. Но чтобы измерить энергию электрона нужно, чтобы все спины частиц в сгустке, а их там около десяти миллиардов, были повернуты в одну сторону. Справиться с этой задачей помогает синхротронное излучение (СИ) – кванты света, «отрывающиеся» на поворотах от электронов. Под действием СИ спины электронов постепенно выстраиваются в одном направлении, и этот процесс называется радиационной поляризацией сгустка (эффект Соколова-Тернова). И вот в этот момент мы уже можем проводить измерение энергии электрона. При помощи деполяризатора, воздействуя на сгусток переменным электрическим или магнитным полем определенной частоты, мы разрушаем поляризацию, деполяризуем пучок, так что спины снова располагаются в хаотичном порядке.
Поляризацию электронов можно отследить по процессу рассеяния электронов друг на друге внутри сгустка, поскольку часть электронов выбивается из него и, сделав один-два оборота по кольцу ускорителя, «падает» на стенки. Регистрируя такие электроны с помощью счетчиков, можно по незначительному (всего 1-2 %) изменению их количества определить момент разрушения поляризации, а значит и частоту прецессии спина. А посчитать после этого энергию самих элементарных частиц в пучках – уже дело техники.
Метод резонансной деполяризации был предложен в ИЯФ в 70-х г. С его помощью с высокой точностью был измерены массы ряда частиц: K-мезона, ϕ-мезона, J/ψ- и ψ (2S)-мезонов, ϒ(1S)-, ϒ(2S)- ϒ(3S)-мезонов.
— Был ли каким-то образом модернизирован ускорительный комплекс ВЭПП-4М в процессе подготовки к будущему эксперименту?
Иван Николаев: Для калибровки энергии сталкивающихся пучков методом резонансной деполяризации мы используем специальное устройство – лазерный поляриметр. Существуют различные виды таких приборов, они отличаются принципом действия. Например, на энергии до 2 ГэВ (предыдущие эксперименты с J/ψ- и ψ (2S)-мезонами в ИЯФ СО РАН) поляризацию измеряли по интенсивности внутрисгусткового рассеяния (эффект Тушека) или тушековским поляриметром. Но на более высоких энергиях, при которых рождаются ипсилон-мезоны, этот принцип работает гораздо хуже.
Чтобы достичь запланированного уровня точности, мы разработали и установили на комплексе ВЭПП-4М поляриметр, основанный на принципах обратного комптоновского рассеяния. В этом случае поляризация измеряется через рассеяние фотона инфракрасного, видимого или ультрафиолетового диапазона на встречном ультрарелятивистском электроне или позитроне. Этот метод измерения поляризации пучка был предложен в ИЯФ в 1969 г. В. Н. Байером и В.А. Хозе.
Пример измерения поляризации пучка. Данные аппроксимируются теоретической моделью обратного комптоновского рассеяния с учётом особенностей взаимодействия фотонов с электронным пучком (пространственный и угловой разброс). Слева пятна показывают сумму распределений для левой и правой поляризаций фотонов для данных (e) и модели (g); справа для разности поляризаций для данных (f) и модели (h), соответственно. О наличии поляризации пучка говорит асимметрия верх-вниз на рисунке (c). Предоставлено И. Николаевым.
При столкновении циркулярно поляризованных фотонов с поперечно поляризованными электронами рассеянные гамма-кванты будут иметь небольшую асимметрию углового распределения – в нашем случае около 1 %. На нашей установке в качестве источника фотонов используется твердотельный импульсный лазер с диодной накачкой. С помощью специальных оптических устройств – фазовой пластинки и ячейки Поккельса – мы переключаем направление циркулярной поляризации фотонов при каждом лазерном импульсе. Управляемая от компьютера система линз и зеркал фокусирует поляризованный лазерный луч на электронный пучок. Рассеянные гамма-кванты с энергией до 800 МэВ образуют узкий конус размером 0,02 градуса. Пролетая через медное зеркало, вакуумную камеру ускорителя и 20 метров воздуха, они попадают в свинцовую пластину, где превращаются в электрон-позитронные пары. Координаты этих пар регистрируются с помощью детектора на основе газовых электронных умножителей (ГЭУ). В результате работы детектора мы получаем два пятна диаметром около 1 см, которые соответствуют левой и правой циркулярной поляризациям лазера. При наличии поляризации электронного пучка положения пятен будут отличаться на 0,1 мм. За оптическую часть в нашей команде отвечает Вячеслав Каминский, а детектор был разработан Львом Шехтманом и Василием Кудрявцевым, системой сбора и обработки данных занимался Степан Захаров.
— Это был первый этап подготовки к реальному эксперименту с ипсилон-мезоном, а на каком этапе сейчас находится эксперимент?
Иван Николаев: В апреле 2024 г. мы приступили к этапу предварительного сканирования массы ϒ(1S)-мезона. Предварительное сканирование – это способ потренироваться перед реальным экспериментом, например, отработать непростую процедуру калибровки энергии, без которой наша работа невозможна.
Одной из важных задач на подготовительном этапе была автоматизация процесса калибровки, чтобы дежурный, который ведет эксперимент, особенно по ночам, не ошибался и мог отличить плохую калибровку от хорошей, ведь ошибки – это потеря времени.
Сам эксперимент проходит следующим образом. На низкой энергии 1.9 ГэВ в ускорителе готовится один электронный и один позитронный сгусток, которые ускоряются в заранее назначенную точку (одну из семи точек по энергии, где происходит рождение ипсилон-мезона (4.7 ГэВ)). После ускорения включается лазерный поляриметр, и мы ждем, когда произойдет релаксация магнитного поля и пучок поляризуется за счет эффекта Соколова-Тернова. Затем мы включаем деполяризатор – специальное устройство, которое воздействует на электронный пучок при помощи переменного электрического поля, плавно меняя частоту колебаний в заданном диапазоне. По моменту времени, когда произошла деполяризация (разрушение поляризации) пучка, мы определяем частоту деполяризатора в этот момент, а по частоте деполяризатора определяем энергию пучка. Одновременно с измерением энергии пучка через столкновения электронов с позитронами рождаются ϒ(1S)-мезоны, которые мы регистрируем в детекторе КЕДР по продуктам их распада. Таким образом мы измеряем вероятность их рождения. Повторяя весь описанный цикл при разных энергиях пучка, мы получаем зависимость вероятности рождения ϒ(1S)-мезонов от энергии. Форма и положение этой кривой позволяет нам определить параметры частицы: ее массу и вероятность распада.
Пример измерения энергии пучка методом резонансной деполяризации при помощи лазерного поляриметра. Вначале идет процесс радиационной поляризации Соколова-Тернова, затем включается деполяризатор, происходит деполяризация пучка, далее снова начинается процесс радиационной поляризации. Предоставлено И. Николаевым.
— Какой-то результат вы уже получили?
Иван Николаев: Полученный результат очень предварительный, настолько предварительный, что эта масса ϒ(1S)-мезона почти не имеет значения на данном этапе. Процедура извлечения настоящего результата заключается в учете всех калибровок детектора, то есть всех неожиданностей в его работе, которые могут повлиять на итоговое число. Также нам надо выкинуть все плохие калибровки по энергии. Сейчас начнется этап изучения систематических ошибок, а это тоже очень сложная работа. Вот допустил ты ошибку, и оказывается, что она неустранима, сколько данных не набирай, она остается. И это тоже надо учесть. Полученное сейчас значение точно изменится, когда будут обработаны данные реального эксперимента. Его мы планируем начать осенью 2024 г.
— Правильно ли я понимаю, что в будущем, когда закончится эксперимент на КЕДРЕ, в таблице Particle Data Group старое значение массы ϒ(1S)-мезона от ИЯФ поменяют на новое? И на какое время оно там задержится? Есть ли другие эксперименты, которые могут с нами посоревноваться в точности в той области энергии, где рождается ϒ(1S)-мезон?
Андрей Шамов: Particle Data Group будет считать наши результаты независимыми и усреднит их – так что и старый, и новый эксперимент будут использованы. Если новый эксперимент будет вдвое точнее, как мы надеемся, он будет взят с весом 0.8, а старый – с весом 0.2. За счет использования нашего старого результат, точность среднего значения будет на 10% лучше. Старый результат по ϒ(1S) продержался почти 40 лет, вполне возможно, что новый удержится еще дольше.
На Большом адронном коллайдере в эксперименте LHCb планируют измерить разницу масс ϒ(2S) и ϒ(1S), а также ϒ(3S) и ϒ(1S) с точностью около 0.1 МэВ. Массы всех трех узких состояний будут уточняться с учетом результата, полученного в эксперименте КЕДР на детекторе ВЭПП-4М.
Подготовила Татьяна Морозова