С. Середняков
3. Так выглядит главная улица нового района Рима EUR, где проходил Лептон-фотонный Симпозиум. |
Главные результаты 2001 года выглядят
следующим образом:
1. Открыт эффект СР нарушения в распадах
В-мезонов, предсказываемый Стандартной моделью элементарных частиц,
2. В
распадах нейтральных каонов проведены точные измерения нового эффекта –
«прямого» СР-нарушения.
3. Предварительные
результаты измерения аномального магнитного момента m-мезона
дают значение , заметно отличающее от предсказаний Стандартной модели,
4. Первые
данные с нейтринного детектора SNO,
Канада, вместе с результатами детектора SuperKamiokandе, Япония,
свидетельствуют о том, что наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино обусловлен их
переходом в другие виды нейтрино
Ниже приводится более подробное обсуждение
этих результатов.
СР-нарушение в распадах В-мезонов. Эффект
СР-нарушения означает, что некоторые физические свойства в мире (так
будем называть нашу Галактику и ближайшую часть Вселенной) и антимире (где все состоит из антивещества) – различны. Наиболее известным
примером являются полулептонные распады
К-мезонов, например, распад KL®p+m-n в нашем мире и распад KL®p-m+n в антимире имеют
разную вероятность. Как было
высказано в 1967 году А.Д.Сахаровым, СР-нарушение является возможной причиной наблюдающейся во
Вселенной 100%-ной барионной асимметрии. (В модели Большого Взрыва, которая
объясняет происхождение Вселенной и подтверждается целым рядом
экспериментальных фактов, начальное состояние предполагается зарядово
симметричным).
В Стандартной модели элементарных частиц
СР-нарушение является следствием ненулевого значения фазы при смешивании кварков в слабом взаимодействии с
заряженными токами. Такой эффект смешивания кварков вообще отсутствует в
нейтральных токах и в электромагнитном взаимодействии.
Стандартная
модель предсказывает значительный эффект СР-нарушения в распадах В-мезонов.
Наиболее ярко это проявляется в распаде
( B0) В0 ®J/YKS , в котором конечное состояние,
имеющее определенную СР-четность: CP(J¤y KS )=-1,
возникает как от прямого распада В0 ® J/YKS, так и вследствие смешивания В0 ® В0 ® J/YKS . Интерференция этих двух каналов
дает волну в зависимости числа распадов от времени с амплитудой ~sin( 2j1), которая целиком определяется СР-нарушением.
Представленные результаты
для амплитуды этой волны с двух В-фабрик выглядят следующим образом:
BaBar (SLAC,
США) : sin( 2j1)=
0.59+-0.14+-0.05,
Belle (KEK, Япония) : sin( 2j1)=
0.99+-0.14,
Если
пренебречь некоторым расхождением ~2s между BaBar и Belle и формально усреднить, сигнал СР-нарушения
составит:
sin( 2j1)= 0.8+-0.1,
Высокая статистическая
значимость этого сигнала ~ 8 стандартных отклонений, позволяет твердо заявить об открытии эффекта СР-нарушения в
распадах В-мезонов, что является, по-видимому, одним из самых ярких
подтверждений Стандартной модели в последние годы. Можно без преувеличения
сказать, что электрон-позитронные В-фабрики выполнили главную поставленную
перед ними задачу: найти СР-нарушение в В-мезонах. В ближайшие годы на этих
установках продолжатся эксперименты по исследованию тончайших деталей этого эффекта.
Демонстрация эффекта СР-нарушения в распадах В-мезонов – осцилляции числа распадов В-мезонов от времени на нижнем графике соответствуют СР-нарушению. |
Прямое СР-нарушение. Наряду с описанным выше механизмом
СР-нарушения (смешивание состояний с
противоположной СР-четностью), Стандартная модель предсказывает и более тонкий
эффект – нарушение СР-инвариантности непосредственно в амплитуде распада. В
К-мезонах этот эффект описывается так называемыми «пингвинными» диаграммами.
Соответствущий параметр e¢ предсказывается
на уровне 10-3 от «обычного» параметра e СР- нарушения, равного 2.10-3. Таким образом, «прямое» СР-нарушение составляет ~10-6 от амплитуды разрешенного процесса KL®3p. Такой
мизерный эффект проявляется в разнице между вероятностями распадов KS - и
KL -мезонов на
p+p- и p0p0. Две конкурирующие коллаборации NA-48 (CERN) и KTEV (FNAL) представили следующие данные:
NA-48 : Re(e¢/ e) =
(1.53 +- 0.26) 10-3 ,
KTEV : Re(e¢/ e) =
(2.07 +- 0.28) 10-3 .
Усредненное значение близко к ожидаемому: Re(e¢/ e) = (1.72 +- 0.18) 10-3, что является новым существенно важным подтверждением Стандартной модели.
Следует отметить, что в некоторых распадах В-мезонов (например, B®pp ) и очень редких распадах К-мезонов (например, K®pnn) «прямое»
СР-нарушение может доминирующим и поэтому
поиск таких процессов имеет важное значение.
Эксперимент (g-2). Группа
Е821 (BNL) объявила предварительный результат измерения
аномального магнитного момента m-мезона.
Отличие между экспериментом и расчетом составляет :
a (Exp)- a
(Theory)=(4.3+-1.6) 10-9,
то есть, разница – почти 3 стандартных отклонения. Результат BNL,
конечно, очень предварительный, но полученное отличие уже превышает в несколько раз расчетную ошибку от адронного
вклада, которая в этих единицах составляет 1.2. Уменьшение этой ошибки
становится актуальной задачей для
низких энергий. В ближайшее время могут быть получены новые данные по адронному
вкладу в (g-2) из анализа распадов t–лептона, а также с детекторов KLOE (DAFNE), BaBar (SLAC), где
изучаются процессы типа е+е-®g+C, где Х – адронная система с квантовыми числами
виртуального фотона. Конечно, наиболее ценными являются прямые измерения
адронных сечений, которые проводятся у нас на ВЭПП-2 с детекторами КМД-2 и СНД.
В случае, если
результат BNL устоит (в чем есть, однако, сомнения), он будет
означать начало новой физики – это вдохновляющая новость для LHC, где будет изучаться эта новая физика. Какая именно будет новая физика, результат BNL нам
сказать не сможет, но возможности здесь очень широкие – это --проявления
суперсимметрии, возможная внутренняя структура m-мезона, вклады новых частиц и др.
Возможное решение проблемы
солнечных нейтрино.
Группа SNO
доложила о предварительных результатах измерения потока солнечных нейтрино.
Рабочим материалом этого детектора является тяжелая вода D20, благодаря чему детектор способен
к одновременной регистрации следующих
процессов взаимодействия нейтрино:
- через «заряженные» токи ne+d ®p+p+e- (скорость
счета этого процесса пропорциональна
потоку электронных нейтрино ne,
- через «нейтральные» токи nх+d ®p+n+e- , ( здесь скорость счета пропорциональна суммарному потоку всех типов
нейтрино ~ (nе + nm + nt),
- упругое рассеяние nх+ e-®nх +e- , которое
определяется
«заряженными» и «нейтральными»
токами. Скорость счета в упругом рассеяниии
зависит от интенсивности всех типов нейтрино ~ (nе + 0.14(nm + nt)). Как
видно, вклад «нейтральных токов» заметно подавлен, хотя именно он несет
основную информацию об осцилляциях солнеччных нейтрино.
Как следует из приведенных
выше выкладок, в случае отсутствия
нейтринных осцилляций упругое рассеяние и «заряженные токи» определяются одним и тем же потоком
электронных нейтрино, поэтому разность расчетных потоков нейтрино должна
быть равна нулю. Однако
экспериментальный результат SNO и
SuperKamiokandе для разности DФ вкладов «заряженных» токов и упругого
рассеяния противоречит такой простой
картине:
DФ =
Ф(«зар.токи) - Ф(упр.расс.) = 0.57 +- 0.17, (3.3s)
Наблюдение ненулевой разности
потоков нейтрино численно решает
существующую около 30 лет проблему дефицита солнечных нейтрино. До сих пор наблюдалось только исчезновение
солнечных электронных или атмосферных m-мезонных нейтрино, а эксперимент SNO впервые
указывает на «появление» новых нейтрино, предположительно m и t типа.
Если этот результат и его интерпретация в ближайшие годы устоят, Стандартная
модель подвергнется значительной модификации
в ее лептонном секторе. Нейтринные осцилляции означают наличие у
нейтрино ненулевой массы, несохранение лептонных квантовых чисел, возможно,
несохранение СР-четности в процессах с лептонами и т.д. Эти и другие тонкие
эффекты могут в будущем изучаться на нейтринных фабриках, идеи создания которых
также обсуждались на конференции.
Другие темы. Поиск Хиггсовского бозона.
Достаточно
стабильно выглядит сегодня ситуация по Хиггсовскому бозону (H) – основному недостающему звену Стандартной
модели. Как известно, на LEP и Tevatron найти Хиггс не удалось, хотя все помнят драму
закрытия LEP, когда на
нескольких детекторах наблюдались события с сигнатурой процесса e+e- ®HZ ®4струи,
соответствующие массе MH » 116 GeV, но тем не менее было принято решение
остановить LEP в пользу
развития LHC.
Существующий сегодня на основе прецизионных тестов электрослабой модели
верхний предел на массу H-бозона составляет MH<200 GeV на уровне достоверности 95%, то есть, нет
большого противоречия с предварительными данными LEP (если
они окажутся верными).
Основные ожидания по
Хиггс-бозону связываются, во первых, с
начинающимися экспериментами на FNAL, где произведена значительная модернизация детекторов СDF и D0 и самого коллайдера Tevatron. В самом ЦЕРНе следующий этап
поисков Н-бозона начнется с запуска LHC, и
результаты по среднеоптимистическим прогнозам ожидаются не позднее 2010 года.
Результаты с коллайдера DAFNE. Коллайдер
DAFNE достиг светимости 3.1031 см-2сек-1 , что позволяет
записывать до 1.5 пб-1 в сутки.
Фактический интеграл светимости летом был 58 пб-1 (это
близко к полному интегралу на ВЭПП-2М), а к концу года они хотят иметь 200 пб-1. По
электрическим дипольным распадам j®f0g, a0g и распаду f®h¢g они
подтвердили результаты СНД и КМД-2 и достигли сравнимой точности ~10% . Сейчас итальянцы усиленно занимаются физикой
KS-мезонов. В качестве метки KS используется
KL-мезон, который с измеренной задержкой времени
регистрирутся в калориметре. В
частности, они сделали измерение вероятности распада KS®pln и
повторили результат KMD-2.
Наша конкуренция с DAFNE по
измерению j-мезонных распадов в будущем становится проблематичной. На ВЭПП-2М пока сохраняются преимущества для
поиска редких распадов типа, например,
j®wp, у которых большая нерезонансная подложка, поэтому требуется сканирование
в широком ~10 МэВ интервала энергии.
Лаборатория Gran Sasso. Участники конференции имели возможность посетить
один из самых больших в мире подземных неускорительных центров, лабораторию Gran Sasso (LNGS).
Она
находится на расстоянии около 200 км от Рима в туннеле под одноименной
горой. Высота горы около 1400 метров,
что дает защищенность от космического излучения. Гора сложена из известняка с малой
естественной радиоактивностью – это важно для уменьшения фона. Лаборатория имеет 3 огромных зала длиной
около 100 м и высотой 20 м, где располагаются следующие основные физические
установки:
·
Детектор
GALLEX – известная установка по изучению потока
солнечных нейтрино. GALLEX способен к регистрации самых низкоэнергетических нейтрино. Подобно другим
нейтринным детекторам GALLEX «видит» лишь ~50% от расчетного потока нетрино. Сейчас GALLEX замещен на более совершенный детектор GNO, цель
которого вести постоянный мониторинг нейтринной светимости в течение солнечного
цикла 11 лет.
·
Детектор
BOREXINO – это нейтринный детектор на основе 300 тонн тщательно очищенного жидкого сцинтиллятора.
Ожидаемая скорость счета - около 50
соб./день, что фактически позволяет вести контроль потока солнечных нейтрино в
режиме реального времени.
·
Детекторы двойного b-распада - на этих установках
изучается гипотетический безнейтринный b-распад. Сейчас ведутся измерения и готовятся около 5 проектов. Один из
наиболее известных среди них – проект Heidelberg - Moscow bb. Чувствительность этого детектора позволит
установить предел на массу Майоранового нейтрино mn < 0.2 eV (90% CL).
·
Детектор
МАCRO - поиск реликтовых магнитных монополей
в космических лучах. Кроме того, ведутся измерения потоков «атмосферных»
нейтрино.
2.
Внешний
вид детектора MACRO по изучению потоков атмосферных нейтрино в одном
из подземных туннелей лаборатории Gran Sasso. |
·
Детектор
DAMA (Dark Matter search) – поиск проявлений взаимодействия одного из
кандидатов на роль «темной материи» - WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) c детектором на основе кристаллов NaI(Tl). Как известно, доля «темной» материи составляет
около 90% от всей массы Вселенной. Целью измерений является поиск годичной
модуляции сигнала с детектора, вызванного взаимодействием детектора с
частицами WIMPS.
Имеется также еще несколько подобных детекторов, например CRESST, HDMS.
·
ICARUS – универсальный детектор по поиску распада
протона, а также изучения атмосферных и космических нейтрино. Будет состоять из
огромной время-проекционной камеры на основе 600 тонн жидкого аргона. Этот детектор создается также в
предположении использовать его для регистрации пучка нейтрино из ускорителя ЦЕРНа (проект NGS). Учитывая расстояние – 700 км между Gran Sasso и ЦЕРНом и возможность изменять энергию и состав
нейтринного пучка, можно не сомневаться, что эта установка в ближайшее время
станет одной из важных в нейтринной физике
Заключение. Делегация ИЯФ включала В.Голубева, Р.Ли,
А.Кузьмина, Г.Поспелова и С.Середнякова (автора этой заметки). Нами был
представлен «постерный доклад»– три больших плаката, посвященных нового проекту
ВЭПП-2000 и двум модернизированным детекторам – КМД-2М и СНД. Сказать что наше
представление вызвало большой интерес, было бы преувеличением, тем не менее,
многие люди интересовались проектом и задавали вопросы, в частности, о сроках его реализации. Возможности выступить
с пленарным докладом мы не получили, но нужно отметить, что слова Новосибирск
или ВЭПП (под которым люди в мире
физики высоких энергий подразумевают ИЯФ), звучали в выступлениях нескольких докладчиков ( J.Miller (BNL), F.Bossi (KLOE), F.Close (Oxford.U) ), что свидетельствует о важности и
востребованности результатов полученных в ИЯФ.
В этой короткой заметке не
описаны многие другие интересные
результаты, прозвучавшие на конференции – распады К-мезонов и В-мезонов,
астрофизика и космология, нейтринная физика, новые коллайдеры и другие темы.
Для интересующихся подробностями один из нас (В.Г.) переписал все доклады на ИЯФовский адрес: http://sndfs0.inp.nsk.su/SND_Publications/lp01, откуда они легко доступны для
просмотра.