Электрон в атоме гелия заменили на пион
Физики впервые экспериментально подтвердили и исследовали экзотический метастабильный атом — систему, состоящую из пиона, электрона и ядра гелия. Дальнейшее изучение этого объекта позволит многократно увеличить точность определения масс элементарных частиц и проверить Стандартную модель. Статья опубликована в журнале Nature.
Экзотические атомы — это особые квантовомеханические системы с электромагнитной связью. Если в обычных атомах носителями заряда являются электроны и протоны, то в экзотических их заменяют другие элементарные частицы. Как правило, такие объекты разрушаются за доли секунды, поэтому наблюдать за системой и проводить измерения чрезвычайно сложно. В то же время данные, которые могут предоставить экзотические атомы, имеют большую значимость для физики. В частности, они позволяют определять массы частиц во много раз точнее, чем это возможно в других экспериментах, а также фиксировать и изучать явления, которые выходят за рамки Стандартной модели.
Одним из возможных типов экзотических атомов являются мезонные атомы. В таких системах один из электронов заменяется на отрицательно заряженный мезон — в сотни раз более тяжелую частицу, которая состоит из кварка и антикварка. Обычно время жизни мезонного атома не превышает 10-12 секунды, однако известны и более устойчивые представители этого класса. Среди таких долгожителей ученые выделяют π4He+ — систему из пиона, электрона и ядра гелия. Благодаря квантовым законам этот объект разрушается только на масштабе наносекунд — то есть является в тысячу раз более стабильным, чем обычные мезонные атомы. Эта особенность позволяет исследователям успеть провести измерения и получить необходимую информацию. Тем не менее, до недавнего времени объект существовал только на бумаге — надежно обнаружить его на практике никому не удавалось.
Группа исследователей из Германии и Швейцарии под руководством Масаки Хори (Masaki Hori) из Института квантовой оптики Общества Макса Планка впервые экспериментально подтвердила образование π4He+. Для этого физики использовали самый мощный в мире источник пионов и мишень из охлажденного сверхтекучего гелия. Оборудование изготовили в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) и доставили в Институт Пауля Шеррера специально для проведения опыта.
Пионы в эксперименте возникали при облучении графита ускоренными протонами — такой способ позволил формировать десятки миллионов частиц в секунду. Затем они направлялись в сторону мишени при помощи системы магнитов, а специальный фильтр отсеивал из сформированного пучка лишние компоненты — мюоны и электроны. Наконец пионы, которые долетели до мишени, частично сталкивались с ее атомами и образовывали π4He+. Для обнаружения последнего ученые направили на гелий пучок лазера — отсутствие пузырьков в сверхтекучем веществе позволило ему достигать экзотических атомов почти без рассеяния. Физики подобрали частоту излучения так, чтобы энергия фотонов совпала с энергией скачкообразного перехода π4He+ в возбужденное состояние. В результате такого перехода экзотический атом теряет стабильность, и ядро гелия поглощает пион, после чего распадается на части, которые разлетаются в противоположных направлениях. Исследователи смогли зарегистрировать эти осколки на специальных детекторах, также изготовленных в CERN, и, таким образом, подтвердить обнаружение π4He+.
Кроме того, авторам удалось определить частоту резонансного перехода, который приводил к разрушению экзотического атома, однако измеренное значение не совпало с теоретически предсказанным. Ученые объясняют это столкновениями атомов, которые приводят к возмущению энергетических уровней и смещают резонансную частоту: с таким эффектом физики уже сталкивались ранее. Исследователи отмечают, что когда им удастся внести поправку на это смещение, данные эксперимента позволят определить массу пиона с точностью до 10-8 — в сто раз больше, чем удавалось до сих пор. Это порождает новые возможности для проверки и корректирования теоретических прогнозов.
Ранее мы рассказывали о том, как Стандартная модель справилась с описанием редкого распада D-мезона и как в CERN решили отказаться от использования программного обеспечения Microsoft.
Николай Мартыненко
Результат получила коллаборация Belle II
Выход за пределы Стандартной модели — важнейшая поисковая задача физиков, занимающихся элементарными частицами. В первую очередь они ориентируются на существующие крупные аномалии, например, темную материю. Множество расширений Стандартной модели опирается на введение новых невидимых бозонов, которые могли бы стать такой материей. Один из процессов, где такие бозоны могли бы себя проявить — это распад тау-лептона. Физики знают, что этот тяжелый лептон распадается на электрон или мюон и соответствующий набор нейтрино. Ряд теорий, однако, предсказывает альтернативный канал распада, в котором вместо нейтрино рождается темный бозон. Проверить эту гипотезу вызвались физики из коллаборации Belle II, работающие на лептонном коллайдере SuperKEKB. В ходе измерительной кампании, длящейся с 2019 по 2020 год, ученые собрали данные о более, чем 57 миллионах событий, в которых сталкивающиеся электроны и позитроны превращаются в таон-антитаонные пары при энергии в системе центра масс, равной 10,58 гигаэлектронвольта. Интегральная светимость эксперимента составила 62,8 обратного фемтобарна. Физиков интересовали коэффициенты ветвления процессов с участием темных бозонов, деленные на соответствующие коэффициенты для известных процессов. Авторы протестировали собранные данные для бозонов в диапазоне масс от 0 до 1,6 гигаэлектронвольта и не нашли подтверждения этой гипотезе. Результат работы физиков накладывает новые ограничения на отношения коэффициентов ветвления: (6−36)×10−3 для распада на электрон и (3−34)×10−3 для распада на мюон с доверительным интервалом 95 процентов. Японский коллайдер SuperKEKB — это модернизированная версия его предшественника, коллайдера KEKB. Он был снова запущен после семи лет ремонта в 2018 году. С тех пор на нем было получено множество новых результатов, например, уточненное время жизни очарованного лямбда-бариона.