Стандартная модель (СМ) — современная теория микромира — хорошо описывает взаимодействия элементарных частиц. Множество параметров в СМ, например, массы кварков, лептонов, калибровочных бозонов и др., позволяют ученым предполагать существование Новой физики — явлений, которые не согласуются со СМ. Эксперимент по поиску Новой физики готовится в японском протонном ускорительном комплексе J-PARC. Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), принимающие участие в международной коллаборации, разработали, изготовили и успешно испытали прототип детектора для J-PARC. В настоящий момент идет разработка детектора, который в 2019 г. установят в J-PARC в префектуре Ибараки. Прибор позволит проверить корректность работы строящегося мюонного ускорителя.

Одно из направлений поиска физики за рамками СМ — измерение в эксперименте и сравнение с теоретическими расчетами значения аномального магнитного момента мюона. Физики используют именно эту величину, потому что ее можно очень точно рассчитать в рамках теории и так же точно ее можно измерить экспериментально. Подобные эксперименты ранее проводились в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN, серия экспериментов CERN-I, CERN-II, CERN-III) и в Брукхейвенской Национальной лаборатории (BNL, эксперимент E821). На сегодняшний день наиболее точное измерение аномального магнитного момента мюона отличается от теоретического расчета в рамках СМ более чем на три стандартных отклонения. Это означает, что вероятность такого случайного отклонения около 0,1% при условии, что погрешность эксперимента определена правильно. Отклонение может быть как указанием на существование физики вне СМ, так и следствием недооценки систематических погрешностей в эксперименте или расчете. Поэтому нужны более точные эксперименты.

На настоящий момент набор данных осуществляется в эксперименте E989 в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб), который продлится около двух лет, а также готовится эксперимент E34 на японском протонном ускорительном комплексе (J-PARC) — ведется строительство мюонного ускорителя в селе Токай префектуры Ибараки. Задача каждого эксперимента с большей точностью измерить величину аномального магнитного момента мюона.

Для эксперимента E34 специалисты ИЯФ СО РАН изготовили прототип системы диагностики мюонного пучка, который в 2018 г. прошел все испытания и продемонстрировал работоспособность. Теперь физики ИЯФ СО РАН разрабатывают детектор для мюонного ускорителя J-PARC.

«Наш детектор — это только одна из систем диагностики мюонного ускорителя. Все они нужны для того, чтобы еще до начала эксперимента понимать, какими параметрами будет обладать пучок — от этого зависит результат работы, — рассказывает участник коллаборации J-PARC, научный сотрудник ИЯФ СО РАН Георгий Разуваев. — Детектор, разработанный в Институте, будет измерять поперечный профиль пучка — то есть регистрировать зависимость количества мюонов от их положения в пространстве, распределение частиц в пучке. Все эти параметры будут отображаться в виде двухмерной картинки. Детектор представляет собой монитор со сцинтилляционной пленкой».

Работа детектора ИЯФ СО РАН основана на следующем принципе: потоки мюонов, проходящие через сцинтилляционный слой толщиной три микрометра, излучают свет в видимом диапазоне, который с высокой чувствительностью, низкими шумами и возможностью держать экспозицию до 50-ти дней фиксирует специальная фотокамера.

«Чем толще сцинтилляционная пленка, тем больше приходится света на частицу и тем сильнее сигнал — соответственно, его легче зарегистрировать. Но толстая пленка сильнее влияет на структуру пучка, — поясняет Георгий Разуваев. — Необходимо было подобрать такие параметры материала, которые бы эффективно справлялись с этими исключающими друг друга задачами. Наша пленка максимально тонкая и минимально влияет на пучок. Технология детектора, разработанная в нашем Институте, позволит специалистам J-PARC работать с пучками нужных параметров».

По словам Георгия Разуваева, экспериментальные результаты значения аномального магнитного момента мюона, измеренные в предыдущих экспериментах, и предсказания теории физики элементарных частиц расходятся довольно значительно — в Стандартной модели предсказания отличаются от измерений на 3,5-4 стандартных отклонения, но для обоснованного утверждения, что это действительно проявления Новой физики, необходимы более точные эксперименты.

«Сцинтилляционный детектор, разработанный нашими коллегами из Будкеровского института, обладает уникальной технологией регистрации мюонного пучка, — рассказывает руководитель мюонного эксперимента J-PARC, профессор Цутому Мибе (Tsutomu Mibe). — Благодаря этому мы сможем без помех контролировать характеристики пучка мюонов в эксперименте J-PARC».

В эксперименте E34 реализован отличный от E989 (Фермилаб) подход. Здесь будет использован охлажденный пучок мюонов, который позволит отказаться от электростатической фокусировки и проводить измерения при значительно меньшем импульсе мюонов, что позволит избежать целого комплекса систематических погрешностей.

«Эмиттанс мюонного пучка (фазовый объем пучка в ускорителе) в эксперименте J-PARC меньше, чем в эксперименте Фермилаб, а значит выше качество пучка, — добавил профессор Мибе. — Это позволило нам ослабить фокусирующее поле для удержания мюонов на равновесной орбите, используя только магнитное поле, и работать с более компактным накопительным кольцом; увеличить эффективность инжекции и др. Также наша техника эксперимента сильно отличается от Фермилаб. Таким образом, эксперимент J-PARC становится уникальным и ценным инструментом для определения аномального магнитного момента мюона».

Благодаря разным методам измерения аномального магнитного момента мюона систематические ошибки в этих двух экспериментах будут практически независимы.

Работы проводятся при поддержке гранта РФФИ-JSPS Российского фонда фундаментальных исследований и Японского общества продвижения науки.

http://www.inp.nsk.su/press/novosti/2440-rossijskie-fiziki-sozdali-i-ispytali-prototip-detektora-dlya-poiskov-novoj-fiziki-v-ramkakh-mezhdunarodnogo-proekta-v-yaponii