В Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) был проведён уникальный научный эксперимент, впервые зафиксировавший прямое рождение псевдовекторного мезона f1(1285) в результате электрон-позитронной аннигиляции. Этот знаковый прорыв стал возможен благодаря инновационным возможностям электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-2000 и чувствительному детектору СНД. Открытие впечатляет не только своей новизной, но и существенным вкладом в понимание фундаментальных механизмов элементарных частиц. Успех опирается на тесную связь экспериментальных данных с теоретическими прогнозами, подготовленными научным коллективом лаборатории управления Владимиром Дружининым.
Редчайший квантовый переход: как рождалась частица f1(1285)
Взаимодействие между электронами и позитронами на низких энергиях традиционно приводит к появлению адронов — сложных частиц, рождающихся при участии одного виртуального фотона. Обычно новый адрон формируется в векторном состоянии, отсюда и наблюдалась до сих пор только генерация векторных частиц. Однако команда ИЯФ СО РАН смогла выйти за пределы известных границ и зафиксировать переход, включающий сразу два виртуальных фотона, благодаря чему появляется вовсе не векторная, а псевдовекторная частица — именно этот редкий случай и был впервые замечен в Новосибирске.
«В стандартных электрон-позитронных столкновениях подобные реакции снижены по вероятности примерно в десять тысяч раз по сравнению с обычными, — делится руководитель эксперимента Владимир Дружинин. — Феноменально высокая светимость коллайдера ВЭПП-2000 и высокая чувствительность детектора СНД позволили исследовать эту тончайшую редкость и зафиксировать рождение f1(1285) непосредственно в эксперименте». Это событие стало первым за всю историю наблюдений в мире, когда на встречных электрон-позитронных потоках запечатлено рождение не векторной, а псевдовекторной частицы.
Тонкости регистрации редких квантовых событий
Крайне небольшой шанс такого процесса объясняет, почему данный результат ждался научным сообществом десятилетиями. За весь период наблюдений зарегистрировано всего два события — аннигиляция электронов и позитронов в межуточное состояние f1(1285), за которым следовал цепной распад: рождение эта-мезона и двух нейтральных пи-мезонов, а затем — шести фотонов (гамма-квантов). Это фантастическое достижение не только свидетельствует об уникальности эксперимента, но и иллюстрирует мощные аналитические и технические способности коллектива.
Вероятность спонтанного распада мезона f1(1285) на электрон-позитронную пару (e+e-) минимальна — порядка 5×10-9, что в совершенстве вписывается в вычисленные ранее теоретические значения. Данный мезон — это возбуждённое состояние пары лёгких кварков (u или d) и антикварка, подробно исследованное как по свойствам, так и по поведению в различных реакциях. Российские теоретики на основе полученных данных построили прогноз развития f1(1285) при взаимодействии с фотонами, что позволило очень точно спрогнозировать и измерить вероятность его неожиданных «электрон-позитронных» распадов.
Новая страница в изучении Стандартной модели
Одной из ключевых научных задач современности является изучение аномального магнитного момента мюона — фундаментальной физической константы, отклонения в которой могут указывать на физику за пределами Стандартной модели. Этот параметр складывается из трёх частей: электромагнитной, слабой и сильной. Первая пара вкладов чрезвычайно точно вычисляется теоретически, но основной источник неопределенности — сложная картина сильных взаимодействий.
Для повышения точности таких расчётов крайне необходимы экспериментальные данные о результатах аннигиляции электрон-позитронных пар с рождением адронов, именно этим активно занимается ИЯФ СО РАН на базе ВЭПП-2000. Сбор подобных данных — это обязательный шаг как для понимания механики этих процессов, так и для построения надёжных моделей, описывающих фундаментальные закономерности природы.
Вклад уникального процесса в мировую физику
Рассматриваемый процесс рождения псевдовекторной частицы f1(1285) открывает новое окно для дальнейших исследований не только в рамках существующей физики, но и в поиске её новых границ. Благодаря точным измерениям сечения образования и распада этого мезона появляется возможность радикально улучшить феноменологические модели.
Особую значимость приносит то, что участие двух виртуальных фотонов в таком взаимодействии непосредственно связано с так называемым «рассеянием света на свете» — эффектом, предсказать вероятность которого, не имея экспериментальных данных, крайне сложно. Подобные вклады хоть и малы, но с ростом экспериментальной точности могут оказаться решающими для теоретических выкладок о свойствах элементарных частиц. «Чтобы уточнить и подкрепить расчёты, нам жизненно необходимы сведения о двухфотонных процессах, в частности о прямом рождении f1(1285)», — подчёркивает Владимир Дружинин.
Технологический и научный прорыв на ВЭПП-2000
Коллайдер ВЭПП-2000, оснащённый системой быстрых электронных и позитронных пучков и инновационным детектором, стал одним из ведущих мировых центров развития элементарной физики. Успехи коллектива ИЯФ СО РАН ярко демонстрируют силу отечественной экспериментальной школы и открывают российским физикам новые горизонты исследований свойств материи. В сотрудничестве теории и эксперимента специалисты института приближают день новых фундаментальных открытий, сохраняя оптимизм в реализации самых дерзких идей современной науки.
