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.

 

Прототип_детектора.jpg 

 Прототип детектора разработанный в ИЯФ СО РАН представляет собой монитор со сцинтилляционной пленкой. Фотография Г. Разуваева.

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.

Изображение профиля пучка на мониторе прототипа детектора. Иллюстрация Г 

Изображение профиля пучка на мониторе прототипа детектора. Иллюстрация Г. Разуваева.

«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.

 

Научная_группа.jpg 

 Научная группа ИЯФ СО РАН и коллеги из J-PARС во время испытаний прототипа детектора. Фотография Б. Шварца.

«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.

Подготовила Вероника Болонева

Источники

Российские физики создали и испытали прототип детектора для поисков Новой физики в рамках международного проекта в Японии
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 31/07/2019
Ученые создали и испытали прототип детектора в рамках международного проекта в Японии
Наука в Сибири (sbras.info), 31/07/2019
Ученые из России испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
РИА Новости, 31/07/2019
Ученые из России испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
Margust (gazeta-margust.ru), 31/07/2019
В России испытали прототип детектора для поисков Новой физики
Поиск (poisknews.ru), 31/07/2019
Успешно испытан прототип детектора для поисков Новой физики, созданный ИЯФ СО РАН
Академия новостей (academ.info), 31/07/2019
Ученые из России испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
Kyivweekly.com, 31/07/2019
Ученые из России испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
3news.ru, 31/07/2019
Ученые из России испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
Новосибирские новости (nscn.ru), 31/07/2019
Ученые из России испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
Profi-news.ru, 31/07/2019
Ученые из России испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
Новости@Rambler.ru, 31/07/2019
Ученые из России испытали прототип детектора для поисков новой физики - новости на сегодня 31.07.2019
News2world.net, 31/07/2019
Российские ученые успешно испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
Novosibirsk.4geo.ru, 31/07/2019
Ученые из России испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
Lenta-7day.ru, 31/07/2019
Новосибирские физики изготовят детектор для японского ускорителя, на котором будут искать Новую физику
Новосибирские новости (nscn.ru), 31/07/2019
Российские ученые успешно испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
Новости@Rambler.ru, 31/07/2019
Российские ученые успешно испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
ТАСС, 31/07/2019
Российские ученые успешно испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
SMIonline (so-l.ru), 31/07/2019
Ученые из России испытали прототип детектора для поисков "новой физики"
Novostival.ru, 31/07/2019
Российские ученые создали и испытали прототип детектора для поисков Новой физики
Навигатор (navigato.ru), 31/07/2019
Физики ИЯФ СО РАН создали и испытали прототип детектора для поисков Новой физики в рамках международного проекта в Японии
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 31/07/2019
Российские физики создали и испытали прототип детектора для поисков Новой физики в рамках международного проекта в Японии
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 01/08/2019
В поисках Новой физики
Академгородок (academcity.org), 02/08/2019
Новосибирский прицел на новую физику
Научный портал MSAU.RU, 05/08/2019
Российские физики создали и испытали прототип детектора для поисков Новой физики: Яндекс.Новости
Яндекс.Новости (news.yandex.ru), 12/08/2019
Российские физики создали и испытали прототип детектора для поисков Новой физики
Научная Россия (scientificrussia.ru), 12/08/2019
Российские физики создали и испытали прототип детектора для поисков Новой физики
1k.com.ua, 12/08/2019

Похожие новости

  • 06/04/2017

    Германия выделит новосибирским ученым-ядерщикам 30 миллионов евро на совместные научные разработки

    Один из примеров сотрудничества - проект рентгеновского лазера, успешно развивающийся  в Гамбурге. Это оборудование, которое сможет помочь изучить структуру любого вещества одним пучком света, было изготовлено в столице Сибири.
    1741
  • 25/05/2017

    Большой адронный коллайдер возобновил сбор данных

    На Большом адронном коллайдере (БАК) закончились технические работы и модернизация — он возобновил сбор данных, в трех экспериментах на коллайдере участвуют исследователи НГУ и ИЯФ СО РАН. Планируемая остановка на технические работы на БАК случается в начале каждого года.
    1993
  • 22/01/2019

    Зачем в Европе хотят построить новый коллайдер?

    ​Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) работает над концепцией нового коллайдера, который будет больше и мощнее ставшего знаменитым БАК. Разбираемся, для чего он нужен. В поисках Новой физикиКогда на Большом адронном коллайдере (БАК) был открыт бозон Хиггса, физики сразу заговорили, что теперь им необходима установка для более тщательного его изучения.
    1123
  • 05/09/2018

    Новосибирские физики в борьбе за «полезный» атом

    ​Мы уже обращали внимание на одно парадоксальное обстоятельство. Россия - одна из немногих стран, занимающих ведущие позиции в области ядерной физики. Здесь работают признанные во всем мире специалисты-ядерщики.
    573
  • 30/08/2018

    Новосибирские ученые знают, как разбить древность на атомы

    Озера, древние книги, иконы, кости мамонтовой фауны или доисторического человека, деревянные колоды из погребений и даже болотный торф - все эти объекты можно точно датировать, определить время их создания, появления на свет или, если речь идет о живом существе, период обитания на Земле.
    854
  • 10/03/2017

    В ИЯФ СО РАН проходит собрание международной коллаборации AWAKE

    ​В Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН проходит собрание международной коллаборации AWAKE, на котором обсуждается новый принцип ускорения заряженных частиц, использующий плазму и протонный пучок.
    1453
  • 05/03/2018

    Супер чарм-тау фабрика поможет выйти на новую физику

    ​Реализация проекта Супер чарм-тау фабрики в Новосибирске подтолкнет развитие технологий, необходимых для создания коллайдера, поспособствует решению мюонной проблемы и, возможно, решит загадку антиматерии и поможет выйти на новую физику.
    1248
  • 30/06/2017

    Рентгеновский лазер XFEL: мощный, быстрый, европейский

    ​27 000 импульсов в секунду - такая высокая частота повторения делает рентгеновский лазер XFEL уникальной установкой. 100 фемтосекунд - столь короткая продолжительность импульса (одна десятитриллионная доля секунды) открывает новые возможности для изучения химических и биологических систем.
    1511
  • 20/06/2019

    Совместная работа археологов и физиков позволит закрыть «белые пятна» в древней истории Сибири

    На помощь новосибирским археологам пришли физики-ядерщики. Их уникальное оборудование позволило закрыть большое «белое пятно» истории человека на территории Новосибирской области — в эпоху каменного века.
    480
  • 28/02/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу, которая уточнит кварковую модель

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D).
    860