Data BaBar yang berusia sepuluh tahun dibenarkan memperbaharui sekatan terhadap parameter foton gelap • Mikhail Stolpovsky • Berita sains mengenai "Unsur" • Matematik, Cari Fizik Baru

Data BaBar yang berumur sepuluh tahun membenarkan kami untuk meningkatkan sekatan pada parameter foton gelap

Rajah. 1. Eksperimen BaBar, yang bekerja pada PEP-II accelerator di SLAC National Accelerator Laboratory dari tahun 1999 hingga 2008. Foto diambil semasa penutupan pemecut untuk acara teknikal. Arah rasuk zarah menerusi jurugambar. Bahagian pengesan muon (di latar depan) dipindahkan selain untuk membuka akses ke bahagian pusat kemudahan. Tugas saintifik utama eksperimen adalah kajian simetri CP dalam peluruhan mesons B (lihat berita Hadiah Nobel dalam Fisika – 2008, "Elemen", 10.10.2008). PEP-II adalah pelarut elektron dan positron yang tidak simetris. Persediaan eksperimen BaBar adalah serupa dengan banyak pemasangan pengganti lain: sistem pengesan berbentuk tong sekitar mengelilingi perlanggaran rasuk zarah. Pemasangan dilampirkan dalam magnet yang besar, yang, oleh pesongan zarah dalam medan magnet, membolehkan mengukur caj dan momentum mereka. Tenaga perlanggaran ditala kepada jisim meson B, yang memungkinkan untuk mendapatkannya dengan kecekapan yang tinggi. Dan oleh kerana rasuk elektron dan positron mempunyai tenaga yang sedikit berbeza (kata-kata "collimator asimetris" hanya bermaksud ia), mesobik B yang dihasilkan mempunyai momentum bukan sifar dalam sistem penyelarasan pengesan, dan dengan jarak yang mereka lulus sebelum kerosakan, ia mudah diukur masa hidup mereka. Gambar dari phys.org

Pada tahun-tahun terakhir kerjanya, eksperimen BaBar beralih kepada pencarian untuk menunjukkan adanya zarah baru yang dapat mengisi beberapa jurang dalam pemahaman kita tentang Alam Semesta. Hampir sepuluh tahun telah berlalu sejak itu, eksperimen telah dihentikan, tetapi ahli fizik terus menyiasat data yang dikumpulkan. Analisis mereka telah membantu untuk meningkatkan batasan pada parameter salah satu zarah baru hipotesis – foton gelap, yang, seperti yang diharapkan, dapat menjelaskan sifat gelap.

Photon gelap

Pemerhatian astronomi menunjukkan bahawa alam semesta kita bukan sahaja terdiri daripada perkara biasa, tetapi juga perkara gelap. Tambahan pula, jumlah bahan gelap, menurut anggaran, adalah lima kali lebih banyak daripada jumlah perkara biasa. Matlamat gelap menampakkan dirinya hanya melalui interaksi graviti: contohnya, kelajuan putaran galaksi menunjukkan bahawa kebanyakan perkara di dalamnya tidak dapat dilihat (untuk lebih lanjut, lihat artikel "Bagaimana mereka mencari benda gelap"). Bahagian yang tidak kelihatan ini kita panggil perkara gelap. Terdapat pelbagai hipotesis tentang sifatnya. Salah satu yang paling umum membayangkan kehadiran zarah yang bukan sebahagian daripada Model Standard, yang tidak berinteraksi dengan zarah-zarah biasa dengan cara lain daripada graviti (atau berinteraksi, tetapi sangat lemah).

Seperti yang anda faham, ahli fizik tidak dapat meninggalkan subjek yang diberkati semata-mata, dan mula mencuba "mencipta" zarah belum terbuka (Fizik mempelajari daya gelap dan fenomena gelap yang lain, "Elements", 04/01/2015). Telah dicadangkan bahawa zarah-zarah perkara gelap dapat berinteraksi dengan satu sama lain. Asas asumsi ini adalah keinginan kekal ahli fizik untuk menggambarkan semua fenomena alam dengan satu undang-undang. Pada akhirnya, ia akan menjadi pelik jika zarah-zarah perkara gelap pada asasnya berbeza daripada zarah-zarah biasa yang biasa dari Model Standard. Oleh itu, adalah logik untuk mengembalikan partikel zarah gelap dengan sifat-sifat yang serupa dengan sifat-sifat zarah "cahaya", iaitu, untuk memberi mereka kemampuan untuk berinteraksi antara satu sama lain. Pengangkut interaksi ini adalah foton gelap yang disebut (R. Essig et al., 2013) Sektor gelap dan Semula Baru, Cahaya, Lemah yang Ditambah). Zarah hipotetikal ini telah menerima nama itu kerana ia adalah pembawa "elektromagnetisme gelap". Iaitu, ia adalah sama dengan foton biasa, tetapi bertindak hanya untuk zarah-zarah gelap.

Dianggap bahawa foton gelap boleh "bercampur secara kinetik" – dengan kata lain, untuk berinteraksi – dengan foton biasa dan terang.Interaksi ini, tentu saja, sangat jarang berlaku – jika tidak, perkara gelap tidak akan menjadi gelap. Tetapi, dengan statistik yang mencukupi, ia dapat diperhatikan. Kebarangkalian interaksi antara foton gelap dan yang biasa adalah parametrized menggunakan pemalar tak berdimensi ε, yang lebih kecil, semakin lemah interaksi. Khususnya, elektromagnetik gelap harus bertindak dalam ε2 kali lebih lemah daripada interaksi elektromagnet biasa. Kami tidak akan menyelidiki perbincangan pelbagai model foton gelap. Kami hanya akan mengatakan bahawa saintis yang berbeza cuba pendekatan yang berbeza untuk penerangannya: ini adalah teori rentetan, dan andaian mengenai simetri baru fizik zarah, dan lain-lain. Dalam model yang berbeza, ε dianggarkan dari 10−12 sehingga 10−3. Model yang sama meramalkan jisim foton gelap pesanan MeV-GeV.

Percubaan BaBar, yang bekerja di Makmal Pemula Nasional SLAC dari tahun 1999 hingga 2008, mengumpul statistik penting mengenai pelanggaran elektron dengan positron, analisis yang sedang dijalankan. Dua tahun terakhir kerja, BaBar telah mencari zarah baru yang memperluas Model Standard. Apabila foton gelap dicadangkan pada tahun 2009, pasukan BaBar memutuskan untuk mencari kesan yang diramalkan dalam data mereka.Menggunakan data yang diperoleh pada 2006-2008, adalah mungkin untuk mewujudkan sekatan yang agak kuat pada parameter foton gelap. Tandatangan foton gelap dalam eksperimen adalah tidak jelas: jika foton gelap dilahirkan dalam kejadian perlanggaran zarah dalam pemecut, maka satu foton tenaga tinggi harus diperhatikan dalam pengesan, tanpa zarah lain. Acara penuh akan seperti ini:

\ [\ begin % % e ^ + + e ^ – \ rightarrow \ gamma + A '\ \ phantom {e ^ + + e ^ – \ rightarrow \ gamma +! !} A '\ rightarrow \ chi \ bar \ chi \ end % \]

Iaitu, dalam pelanggaran elektron dan positron (bahagian kiri tindak balas pertama) pasangan itu dilahirkan dari foton (γ) dan foton gelap (A '), yang kemudiannya terbahagi kepada dua zarah materi gelap (reaksi kedua). Tiada foton gelap A 'ataupun zarah-zarah gelap χ Jangan berikan apa-apa isyarat dalam pengesan. Hanya satu foton yang kekal, yang akan menjadi isyarat penentuan untuk suatu peristiwa dengan foton gelap. Selain itu, foton mesti mempunyai tenaga kurang daripada tenaga perlanggaran zarah awal.

Ia diketahui oleh apa elektron tenaga dan positron dipercepatkan dalam collider. Anda juga boleh mengukur jumlah tenaga zarah yang dicatatkan dalam pengesan. Mengurangkan yang kedua dari yang pertama, kita mendapat jisim yang hilang, yang kemudiannya menghasilkan zarah gelap.Jika puncak diperhatikan dalam spektrum jisim yang hilang, ini akan menunjukkan kehadiran zarah-zarah gelap yang dihasilkan. Selama dua tahun terakhir operasi, BaBar telah mengumpulkan 35.9 fb−1 data, yang membolehkan kita memperoleh keputusan yang menarik tentang foton gelap. Spektrum jisim yang hilang ditunjukkan dalam Rajah. 2

Rajah. 2 Turun di bawah – Spektrum pada segi kuadrat M yang hilangx2. Pada paksi menegak menunjukkan bilangan kejadian bagi setiap segmen paksi mendatar 0.5 GeV lebar2. Mata dengan ralat – data eksperimen, isyarat yang sepadan dengan jisim foton gelap 6.21 GeV, ditunjukkan garis merah, garisan bertitik ungu – pelbagai acara latar belakang, garis biru – julat penuh. Di atas – Penyimpangan data dari garisan biru. Jadual dari artikel dalam perbincangan Surat Pemeriksaan Fizikal

Puncak pada graf ini sepadan dengan hipotesis foton gelap dengan jisim 6.21 GeV. Parameter ε untuk foton gelap itu adalah dari urutan 10−3. Tetapi, sebenarnya, ini tidak bermakna foton seperti itu terbuka. Kepentingan puncak ialah 3.1. Dan simulasi menunjukkan bahawa kemungkinan bahawa puncak yang serupa muncul di suatu tempat dalam spektrum secara kebetulan adalah kira-kira 1%. Maksudnya, kepentingan global berkurangan kepada 2.6.Apa yang membuatnya lebih ragu lagi bahawa ini adalah isyarat dari foton gelap adalah kepentingan isyarat bergantung pada hipotesis tentang jisim foton gelap, yang ditunjukkan dalam Rajah. 3

Rajah. 3 Kepentingan puncak foton gelap dalam unit sisihan piawai σ sebagai fungsi massa foton gelap mA '. Isyarat foton gelap dijangka menjadi puncak pada latar belakang yang berterusan dalam spektrum dari Rajah. 2. Tetapi tidak diketahui di mana puncak ini sepatutnya muncul. Oleh itu, semua lokasi yang mungkin pada spektrum yang diukur diperiksa. Pentingnya isyarat foton gelap yang mungkin ditunjukkan dalam graf ini. Sebagai contoh, dalam rajah. 2 terdapat titik menaik di kawasan 48 GeV2 (jisim, masing-masing, kurang dari 7 GeV). Jika kita menganggap titik ini sebagai puncak foton gelap, maka kepentingan statistiknya akan – kita melihat grafik ini – hanya sedikit lebih daripada satu sisihan piawai. Ia dapat dilihat bahawa puncak pada 6.21 GeV adalah yang paling mungkin, tetapi bukan satu-satunya yang mungkin. Jadual dari artikel dalam perbincangan Surat Pemeriksaan Fizikal

Maklum, apabila terdapat banyak petunjuk foton gelap, kredibiliti mereka berkurangan. Pasukan BaBar telah melakukan segala kemungkinan untuk mengambil kira peristiwa latar belakang yang mungkin.Sebagai contoh, elektron dan positron boleh terbang melewati satu sama lain dengan kelahiran satu foton tunggal – peristiwa sedemikian akan memberi tandatangan yang kelihatan seperti foton gelap. Memandangkan statistik terhad dan kesilapan sistematik yang ada, foton gelap dalam eksperimen BaBar tidak dijumpai.

Tetapi orang tidak boleh berfikir bahawa, kerana foton gelap belum ditemui, tidak ada berita. Kerja yang dilakukan pada BaBar membuka tingkap ke topik fizik yang menarik, dan lebih banyak lagi di bawah.

Muon magnet muon

Profesor Michael Roney (Michael Roney), pembicara rasmi BaBar, bercakap mengenai kerja yang dibincangkan: "Meskipun tidak membuktikan keberadaan foton gelap, keputusan BaBar mengehadkan parameter sah mereka, dan secara tegas membantah penjelasan menggunakan foton gelap teka-teki menarik lain yang berkaitan dengan sifat-sifat zarah subatom lain yang dikenal sebagai muon". Marilah kita menjelaskan apa ini misteri dengan muon.

Muon boleh dibayangkan sebagai magnet kecil, yang juga berputar di sekitar paksinya, seperti bahagian atas (ini adalah analogi untuk putaran muon). Kekuatan magnet dan kelajuan putarannya menentukan nisbah gyromagnetnya g. Dalam penghampiran pertama, nilai g sepatutnya sama dengan 2.Walau bagaimanapun, apabila kita mempertimbangkan momen gyromagnetic muon, pelbagai proses campur tangan dalam perkara itu, yang sebahagiannya ditunjukkan dalam Rajah. 4

Rajah. 4 Contoh proses yang diketahui yang mengubah momen magnetik muon. Rajah mestilah dibaca di sebelah kiri (yang pertama) ke kanan (apa yang berlaku pada akhir). Di atas Setiap rajah menunjukkan foton yang menggambarkan kesan medan magnet luar pada muon. Proses yang paling biasa (dan paling mudah) ditunjukkan dalam rajah. a): muon terbang, berinteraksi dengan foton dan terbang jauh. Tetapi selain itu, proses mungkin dilakukan di mana zarah maya terlibat. b) – sumbangan dari foton maya, yang dipancarkan oleh muon untuk berinteraksi dengan medan luaran dan diserap selepas, c) – sumbangan daripada interaksi lemah, d) – polarzation hadron vakum, e) – Hadron cahaya berselerak pada cahaya. Imej dari W. Gohn, 2016. Percubaan muon g-2 di Fermilab, dengan pengubahsuaian

Masalahnya adalah bahawa walaupun mengambil kira proses-proses ini, nilai diukur momen magnet muon tidak sepadan dengan teori. Nilai yang diperolehi dalam eksperimen E821 (eksperimen terakhir yang mengukur momen magnetik muon), yang diterbitkan dalam karya terakhir mereka pada tahun 2006 (G. W. Bennett et al., 2006).Laporan Akhir Muon E821 Pengukuran Momen Magnet Anomali di BNL), sangat sedikit berbeza daripada ramalan Model Standard: nilai diukur g berbeza dari ramalan teoritis hanya dalam 8 tempat perpuluhan. Walau bagaimanapun, kepentingan sisihan dalam kes ini adalah 3.6 σ. Ini adalah petunjuk yang agak serius bahawa momen momen magnetik muon memang anomali (ingat bahawa penemuan dipercayai memerlukan penyimpangan 5σ).

Apa yang boleh menunjukkan momen magnetik muon? Dalam artikel 2016, eksperimen muon g-2 di Fermilab, senarai penjelasan yang mungkin adalah seperti berikut: supersymmetry dan fizik baru yang lain, dan juga – siapa yang anda fikirkan? – foton gelap!

Kini kembali ke BaBar. Dalam ara. 5 menunjukkan batasan pada fizik foton gelap.

Rajah. 5 Sekatan ke atas nilai ε untuk foton gelap, bergantung kepada jisim mereka. Kawasan oren dikecualikan dalam eksperimen E787 dan E949 pada kaon decays (S. Adler et al., 2002. arXiv: hep-ex / 0111091, A. V. Artamonov et al., 2009. arXiv: 0903.0030) kawasan biru dikecualikan oleh pengukuran momen magnetik elektron (G. W. Bennett et al., 2006. Laporan Akhir Muon E821 Pengukuran Moment Magnet Anomali di BNL) biru – dalam eksperimen NA64 (D. Banerjee et al., 2017. Mencari Keputusan Tak Matang Sub-GeV di CERN SPS). Kawasan hijau dikecualikan dalam kerja yang dibahas oleh percubaan BaBar. Merah menunjukkan julat ε (dengan selang 5 penyimpangan piawai), yang boleh menerangkan momen anomali muon menggunakan foton gelap.Gambar dari artikel dibincangkan di Surat Pemeriksaan Fizikal

Jika terdapat foton gelap dengan jisim dan ε sepadan dengan rantau merah dalam Rajah. 5, dia dapat menjelaskan nilai momen magnetik muon. Tetapi jelas bahawa data baru BaBar sepenuhnya mengecualikan kawasan ini. Ini bermakna kita boleh menyeberangi foton gelap dari senarai proses yang menjelaskan anomali momen magnetik muon. Iaitu, sama ada anda perlu mencari di bidang supersimetri, atau beberapa eksotik yang sempurna bercampur di sini.

Apa yang akan datang?

Untuk melaksanakan pengukuran momen momen magnetik muon yang tepat, eksperimen Muon g-2 (diucapkan "muon ji-minus-tu") dilancarkan, yang terletak di Fermilab. Nama eksperimen bermakna bahawa ia mengukur sisihan g dari dua. Eksperimen Muon g-2 perlu mendapatkan lebih banyak statistik pengukuran daripada percubaan E821, dengan kesilapan kurang sistematik. Akibatnya, jika sisihan itu disahkan pada tahap semasa, perbezaan antara teori dan eksperimen akan mencapai 7.5 dan menjadi kritikal.

Rajah. 6 Eksperimen Muon g-2. Bahagian utamanya ialah magnet superkonduktor cincin dengan medan yang sangat seragam.Satu bundle muons dengan putaran yang sama diarahkan ke cincin, di mana punggung mula berkeliaran dari sisi ke sisi – precession bermula. Kekuatan ayunan ini secara langsung bergantung kepada parameter g. Muon mereput menjadi positron dan dua neutrinos, dan nilai nisbah gyromagnetic muon g dapat diukur oleh tenaga positron dan bilangan mereka bergantung pada masa selepas rasuk diperkenalkan ke dalam gelang. Foto dari en.wikipedia.org

Eksperimen Muon g-2 bermula musim panas ini. Kami tidak sabar-sabar untuk keputusannya, kerana mereka boleh mengesahkan atau menutup tetingkap untuk fizik baru. Sudah tentu, saya mahu anomali disahkan. Di sini keadaan mengingatkan beberapa bulan sebelum penemuan boson Higgs (lihat berita Higgs boson: penemuan dan rancangan untuk masa depan, "Unsur-unsur", 16.07.2012), apabila pakar fizikal menyedari penemuan yang akan datang mengakui antara satu sama lain bahawa ia akan menjadi lebih baik bukan zarah yang diramalkan, kerana dalam kes ini Model Standard akan selesai, dan penembusan ke dalam Fizik Baru akan ditangguhkan selama-lamanya. Tidak, tiada siapa yang mengatakan bahawa boson Higgs bukan penemuan hebat. Tetapi saya mahukan sesuatu yang baru! Momen momen magnetik muon adalah kesan yang menjanjikan yang boleh mengubah semua fizik moden. Walau bagaimanapun, ia patut berhati-hati dalam jangkaan.Jadi, sebagai contoh, zarah baru-baru ini dengan massa 750 GeV, yang juga diramalkan dengan merujuk kepada Fizik Baru, ternyata menjadi ralat statistik.

Sementara itu, percubaan Belle II sedang disiapkan di Jepun. Belle pertama (atau yang pertama?) – kerana dalam bahasa Perancis belle bermaksud "kecantikan") mengambil bahagian dalam penemuan pelanggaran simetri CP dalam pelunturan mesons B, yang BaBar juga melakukan pada masa yang sama. Kerja ini membantu mengesahkan asas-asas Model Standard. Siapa tahu, mungkin Belle II kini akan membantu melonggarkan asas-asas dan membuka foton gelap? Kita akan lihat. Kami perhatikan sekarang bahawa carian untuk Fizik Baru adalah salah satu keutamaan Belle II. Pengesan percubaan pada bulan April tahun ini dipasang pada pemecut SuperKEKB, dan pelancaran itu dijadualkan pada awal tahun 2018.

Rajah. 7 Eksperimen Belle II (skim di sebelah kiri), percubaan eksperimen Belle, saudara kembar Jepun dalam eksperimen BaBar: persiapan eksperimen yang sama dengan tugas yang sama, juga pada collider elektron-positron, tetapi dengan kepekaan yang lebih tinggi, dan pada pemecut SuperKEKB dengan kecerahan yang lebih besar. Peta dari phy.olemiss.edu dan rjs.phys.uvic.ca

Sumber: J. P. Lees et al. (Kerjasama BaBar). Cari Photon Dark Invisible Dihasilkan di e+e Perlanggaran di BaBar // Surat Pemeriksaan Fizikal. 2017. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.119.131804. (Artikel preprint arXiv: 1702.03327 [hep-ex] tersedia.)

Mikhail Stolpovsky


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: