Новый прибор позволит получить самое точное значение массы элементарной частицы со скрытой прелестью

В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) находятся два из семи действующих сегодня в мире коллайдера – ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М. На последнем готовится эксперимент по прецизионному измерению массы ипсилон 1s мезона – элементарной частицы со скрытой прелестью. Для того, чтобы с лучшей в мире точностью провести подобные измерения на энергии 4,7 ГэВ, физики модернизировали ускорительный комплекс ВЭПП-4М – они разработали и интегрировали в него лазерный поляриметр. Прибор позволит специалистам получить самое точное значение массы ипсилон 1s мезона – этот результат в ближайшие десять лет будет эталонным в международном физическом сообществе. Экспериментальные данные, полученные на коллайдере ВЭПП-4М, станут еще одним кирпичиком в уточнении и развитии современной теории микромира.

Одним из основных инструментов исследования элементарных частиц в современной физике высоких энергий являются встречные пучки. При столкновении двух пучков частиц, например, электронов и позитронов, летящих навстречу друг другу почти со скоростью света, происходит их аннигиляция. Аннигиляция – это процесс взаимного исчезновения одних частиц с последующем рождением новых. Благодаря коллайдерам, на которых и реализован данный метод, физики получают информацию о новых частицах и, как по кирпичикам, дополняют и развивают Стандартную модель – современную теорию микромира, объединяющую электромагнитное, слабое и сильное ядерные взаимодействия частиц.

Части лазерной системы (лазер, дихроичное зеркало, фазовая пластинка и ячейка Поккельса). Предоставлено В. Каминским.

Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-4М со встречными электрон-позитронными пучками и детектором КЕДР (ИЯФ СО РАН) предназначен для проведения измерения масс элементарных частиц на энергиях до 6 ГэВ. Например, здесь с беспрецедентно высокой точностью измерены массы джи-пси мезона (J/ψ) и пси 2s мезона (ψ (2S)).

«Высокую точность измерения массы частиц, рождающихся в процессе аннигиляции, в данном случае ипсилон 1s мезонов, гарантирует точность, с которой нам известна энергия сталкивающихся электронов и позитронов, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН к.ф.-м.н. Иван Николаев. – Эту информацию мы получаем при помощи метода резонансной деполяризации, который был предложен и реализован в ИЯФ СО РАН».

Для калибровки энергии сталкивающихся пучков методом резонансной деполяризации исследователи используют специальное устройство – лазерный поляриметр. Существуют различные виды таких приборов, они отличаются принципом действия. Например, на энергии до 2 ГэВ (предыдущие эксперименты с джи-пси (J/ψ) и пси 2s (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.

«Мы продолжаем славные традиции прецизионных измерений масс элементарных частиц методом резонансной деполяризации, которые проводились в ИЯФ СО РАН на предыдущих версиях наших электрон-позитронных коллайдеров, – добавляет старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН к.ф.-м.н. Вячеслав Каминский. – Сейчас перед нами стоит задача измерить массу ипсилон 1s мезона с точностью лучше, чем в предыдущих экспериментах. 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. Это более сложное оборудование по сравнению с тушековским поляриметром – для его эксплуатации требуется большее количество высококвалифицированных сотрудников».

На графике изображены четыре калибровки энергии во время предварительного сканирования Y(1S)-мезона. По вертикальной оси отложена степень поляризации электронного пучка, по горизонтальной – время. После инжекции и ускорения идет процесс радиационной поляризации пучка (эффект Соколова-Тернова), затем включается деполяризатор (подписи около оси времени в единицах энергии), при деполяризации поляризация уменьшается скачком, и далее всё повторяется. Предоставлено И. Николаевым.

Новый лазерный поляриметр уже установлен и работает на комплексе ВЭПП-4М. Специалисты отлаживают и автоматизируют систему, проводят предварительные сканирования ипсилон-мезона.

«Эксперимент по измерению массы ипсилон 1s мезона сложный и требует поэтапной подготовки, – поясняет Иван Николаев. – Точность, с которой мы планируем провести измерения – 50 кэВ, что почти в два раза лучше существующего сейчас табличного значения ипсилон-мезона. Для этого необходимо, чтобы все системы ускорительного комплекса работали стабильно. Измеренная в нашем эксперименте масса ипсилон мезона станет на некоторое время (не меньше десяти лет) эталонной – все последующие эксперименты будут калибровать свои ускорители по измеренному нами резонансу. В этом смысле физика немного похожа на спорт. Но, разумеется, мы преследуем более глобальные интересы. Наш вклад – это небольшой кирпичик в общее понимание Стандартной модели. Когда-нибудь полученные нами знания помогут произойти качественному скачку в науке».

Источник: Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН.