Детектор асимметрии

Новый детектор элементарных частиц, установленный в Научно-исследовательском центре высоких энергий KEK,  поможет в исследованиях нарушения СР-симметрии.

11 апреля 2017 года в Научно-исследовательском центре высоких энергий KEK (Япония) был установлен новый детектор Belle II. Он находится в точке столкновения пучков ускорителя SuperKEKB и состоит из семи подсистем. Детектор Belle II должен регистрировать результаты столкновений электронов и позитронов в SuperKEKB, позволяя измерить направления и величину импульсов образовавшихся частиц.

Предыдущему коллайдеру KEKB принадлежит мировой рекорд светимости для ускорителей со встречными пучками. Модернизацию самого электрон-позитронного коллайдера SuperKEKB завершили в прошлом году. В марте 2016 года КЕК объявило о первом успешном его пуске. Длина кольца коллайдера, расположенного на глубине 10 метров, около трех километров. На нем расположены свыше тысячи мощных магнитов. Ускоритель будет разгонять пучки электронов и позитронов до околосветовых скоростей, при которых они будут совершать в кольце до 100 тысяч оборотов за секунду. Фокусирующая система сделает пучки толщиной с человеческий волос. Светимость модернизированного коллайдера SuperKEKB будет в 40 раз больше, что открывает новые возможности для исследований, в том числе редких распадов B- и D-мезонов, тау-лептона.

Эксперимент Belle II – продолжение эксперимента Belle, который длился с 1999 по 2010 годы и в котором удалось точно проанализировать характеристики пар B- и анти-В-мезонов и измерить эффект нарушения СР-симметрии. Результаты Belle вместе с аналогичными работами эксперимента BaBar в США подтвердили справедливость Стандартной модели и теории К. Кобаяши и Т. Маскава, получивших благодаря этим данным Нобелевскую премию по физике в 2008 году.

Известно, что материя в нашей Вселенной преобладает над антиматерией. Считается, что причиной тому – нарушения CP-симметрии, которые приводят к различному поведению частиц и античастиц при распадах и превращениях. Однако измеренный уровень СР-нарушения недостаточен, чтобы количественно объяснить фактическую асимметрию. Чтобы решить эту важную физическую задачу, требуется гораздо более глубокое понимание соответствующих явлений. И есть надежда, что такое понимание новый эксперимент как раз нам и даст.

Возможно, ответ здесь кроется в так называемой Новой физике, которая выходит за пределы существующей теории микромира, Стандартной модели. Сейчас поиск Новой физики – главная задача в физике элементарных частиц. С помощью детектора Belle II планируется собрать в 50 раз больше данных с гораздо большей точностью по сравнению с первым экспериментом Belle. Результаты экспериментов Belle II и Большого адронного коллайдера, возможно, помогут определить, какие из множества новых теорий описывает мир элементарных частиц.

В эксперименте Belle II участвуют более 700 исследователей из 23 стран мира. Российские физики внесли серьезный вклад в общую работу. Так, под руководством члена-корреспондента РАН Павла Пахлова научные группы МФТИ и ФИАН работали над детектором нейтральных долгоживущих каонов и мюонов. Детектор весит десять тонн и занимает площадь более 1000 кв. м. Ее создание, учитывая огромное количество каналов считывания (более 16 тысяч), было сложнейшей, высокотехнологичной задачей. В настоящий момент исследователи подключают детектор к системе сбора данных.

Сорокатонный электромагнитный калориметр на основе кристаллов йодистого цезия – одна из ключевых подсистем детектора Belle II – был создан благодаря исследователям Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН и Новосибирского государственного университета. Этот калориметр позволит с большой эффективностью и высокой точностью регистрировать и измерять энергию фотонов и, следовательно, восстанавливать нейтральные пи-мезоны. В регистрации процессов с нейтральными частицами в конечном состоянии Belle II должен работать даже лучше, чем детектор LHCb на Большом адронном коллайдере.

Для нового эксперимента новосибирские исследователи разработали электронные устройства регистрации, программное обеспечение и новые модельно-независимые методы анализа экспериментальных данных, которые позволят улучшить точность измерения параметров нарушения СР-симметрии. Кроме того, предложен и реализован новый подход к изучению новых экзотических состояний материи – тяжелых кваркониев.

Предварительную сборку детектора Belle II проводили в экспериментальном зале, а затем вся установка высотой с трехэтажное здание и общим весом 1400 тонн была медленно передвинута на 13 метров в тоннель ускорителя. (Как это происходило, можно посмотреть здесь.) Первые результаты нового эксперимента ожидаются уже в конце 2017 года.