Новые данные по физике  лептонов и фотонов.

 

                                                    С. Середняков

 

        Представлены новейшие результаты по физике элементарных частиц, представленные на очередном XX симпозиуме по лептон-фотонным взаимодействиям  при высоких энергиях в Риме, 23-28 июля 2001 года.

Так
выглядит главная улица нового района Рима, где проходил Лептон-фотонный
Симпозиум.

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. 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.

 Внешний
вид детектора MACRO по изучению потоков атмосферных нейтрино в одном
из подземных туннелей лаборатории

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.