Ученые создали и испытали прототип детектора в рамках международного проекта в Японии
01.08.2019
Эксперимент по поиску Новой физики готовится в японском протонном
ускорительном комплексе J-PARC. Специалисты Института ядерной физики им. Г. И.
Будкера СО РАН, принимающие участие в международной коллаборации, разработали,
изготовили и успешно испытали прототип детектора для J-PARC. На настоящий
момент идет разработка детектора, который в 2019 году установят в J-PARC.
Прибор позволит проверить корректность работы строящегося мюонного ускорителя.
Одно из направлений поиска физики за рамками Стандартной модели (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: 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.
В 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 году прошел все испытания и
продемонстрировал работоспособность. Теперь сибирские ученые разрабатывают
детектор для мюонного ускорителя J-PARC.
«Наш детектор — 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
Павлович Разуваев. — Детектор, разработанный в институте и представляющий собой
монитор со сцинтилляционной пленкой, 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».
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. Однако
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 ИЯФ
СО РАН, 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 —
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, —
дополняет 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 так далее. 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 совместного гранта Российского фонда
фундаментальных исследований и Японского общества продвижения науки РФФИ-JSPS.
Пресс-служба ИЯФ СО
РАН
Источник: Наука в Сибири