Физики Большого адронного коллайдера достигли проектного максимума числа протонных сгустков в ускорителе. Начиная с 28 июня в кольце крупнейшего в мире коллайдера движутся одновременно 2556 сгустков, как по, так и против часовой стрелки. Расстояние между соседними сгустками при этом составляет около семи метров — эту дистанцию протоны пролетают за 25 миллиардных долей секунды. Благодаря такой большой плотности светимость коллайдера превысила проектную в полтора раза, а статистика протонных столкновений набирается рекордными темпами. Об этом сообщает пресс-релиз CERN.
Большой адронный коллайдер — кольцевой ускоритель, по которому в двух направлениях движутся пучки протонов. В четырех точках ускорителя пучки пересекаются и происходят столкновения протонов. Чем больше пучков в коллайдере и чем плотнее они, тем больше протон-протонных столкновений происходит за секунду. С этой величиной связана другая характеристика коллайдера — светимость, которая показывает как часто взаимодействуют протоны в сечении встречных пучков (количество столкновений пропорционально светимости). Ранее ученым уже удалось преодолеть проектную светимость коллайдера, физики научились сжимать сгустки сильнее, чем предполагалось.
Благодаря увеличению количества сгустков во встречных пучках светимость достигла 1,58×1034 событий на квадратный сантиметр сечения в секунду. Эта величина в 1,58 раза больше, чем проектная. Ограничение в 2556 сгустков связано с системой инъекции протонов в основное кольцо БАК. Сейчас сгустки имеют диаметр порядка 2,5 микрометров, в каждом из них находится около 115 миллиардов протонов. Весь пучок несет энергию около 300 мегаджоулей — эта величина соответствует кинетической энергии 120-тонного самосвала, едущего со скоростью 250 километров в час.
В 2017 году физики планируют набрать порядка 45 фемтобарн статистики протон-протонных столкновений. На 28 июня коллайдер уже обеспечил порядка 6 фемтобарн статистики — это больше, чем за весь 2015 год.
Одна из главных целей экспериментов Большого адронного коллайдера — поиск Новой физики за пределами Стандартной модели. Ожидается, что обнаружить ее следы удастся в редких распадах. Изучение последних требует набора большого количества статистики протон-протонных столкновений. К примеру, распады прелестных странных мезонов на два мюона происходят в четырех случаях из миллиарда событий рождения соответствующих мезонов. В свою очередь, сами прелестные мезоны рождаются реже, чем раз в тысячу столкновений.
Владимир Королёв
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ
Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.