Горизонты научного поиска

Каждый экспериментатор знает, что такое запуск новой установки на пучке. Этому предшествуют кропотливая подготовка, волнение, напряженность рабочего графика. Именно такой период переживают сейчас авторы и участники проекта ФАМИЛОН в ожидании первого сеанса на фазотроне ЛЯП. О сути эксперимента рассказал корреспонденту нашей газеты Надежде Кавалеровой координатор проекта ФАМИЛОН, начальник сектора В.Н.Дугинов.

Впервые о существовании подобных частиц заговорили в 60-х годах, когда американский физик Джефри Голдстоун предположил существование гипотетических частиц с нулевой массой и нулевым спином (бозоны) как квантов возбуждения при спонтанном нарушении симметрии.

В начале 80-х годов в ряде теоретических работ было указано на возможное существование в природе голдстоуновских бозонов, при испускании которых меняются странность, лептонный заряд и другие параметры, которые физики называют "фермионные ароматы". Такие частицы были названы "фамилонами". Фамилоны возникают, если в теории, в которой присутствует "горизонтальная" симметрия между поколениями кварков и лептонов, имеется дополнительная глобальная симметрия, которая нарушается одновременно с "горизонтальной".

Существование фамилонов привело бы к возможности процессов распада частицы из "высшего" поколения на частицу "низшего" поколения и фамилон. Например, каон может распасться на пион и фамилон, тау-лептон – на мюон и фамилон и т.д. В фамилонной модели могут осуществляться и более экзотические процессы, такие как распад "тяжелого" нейтрино на "легкое" и фамилон. Существование такого процесса очень важно в космологии - нейтрино с массой в десятки эВ рассматривается в качестве наиболее вероятного кандидата на роль "темной материи".

Мне не хотелось бы вдаваться далее в теоретические, космологические и другие детали, чтобы не утомлять одних читателей "заумностью" рассуждений и раздражать других - поверхностностью. Аннотацию проекта можно найти на WWW-страничке http://nuweb.jinr.ru/~muspin/familon. Она может быть стартовой точкой для тех, кто заинтересовался этой проблематикой.

В чем особенность предлагаемого эксперимента?

Трудность обнаружения таких частиц обусловлена их свойствами – они нейтральные и безмассовые (или очень легкие). Поэтому легче всего зарегистрировать либо их рождение, детектируя сопровождающие этот процесс другие частицы, либо момент гибели, детектируя частицы от распада. Оба эти способа поиска фамилонов использовались ранее.

Поиск фамилона в момент рождения при распаде мюона проводился в TRIUMFе (А.Джодидио и др., 1986 г). Они пытались обнаружить в энергетическом спектре позитронов от распада мюонов моноэнергетическую линию от двухчастичного распада мюон позитрон + фамилон на фоне непрерывного спектра от основного трехчастичного процесса мюон позитрон + 2 нейтрино. В этом эксперименте была получена оценка на вероятность распада мюона на позитрон и фамилон 2.6x10-6.

Инициатором работ по поиску фамилона в другой постановке эксперимента был В.А.Гордеев из ПИЯФ (Гатчина). Он предложил абсолютные измерения заменить относительными! Двухчастичный распад мюона кардинально отличается тем, что он изотропен по угловому распределению, а у "стандартного" - резко выраженная асимметрия вылета позитронов распада относительно спина мюона, связанная с несохранением четности. Эта асимметрия вылета позитронов относительно спина мюонов широко используется в muSR-методе исследования вещества (muSR - muon Spin Rotation or Relaxation or Resonance). Именно muSR-метод и был предложен для обнаружения вклада фамилонного процесса в распад мюонов. Этот вклад должен проявляться в уменьшении (загибании) асимметрии позитронного спектра вблизи его максимума. То, что В.А.Гордеев предложил muSR-метод для поиска фамилона, не случайно - он много работал в этой области, результаты muSR-исследований составляют значительную часть его кандидатской и докторской диссертаций, кстати, последняя была защищена в ЛЯП.

В настоящем проекте предлагается использовать существующую в ПИЯФ и ОИЯИ аппаратуру в эксперименте по поиску возможного безнейтринного распада мюона с вылетом фамилона. Метод исследований основан на регистрации высокоэнергичных электронов от распада мюона широкоапертурным магнитным спектрометром. Разработанная и созданная в ПИЯФ и ОИЯИ аппаратура уже использовалась ранее в совместном эксперименте по исследованию конверсии мюония в антимюоний, выполненном на фазотроне ОИЯИ.

Почему именно ваша группа подключилась к сотрудничеству?

Основой предложенного способа поиска фамилона является использование метода вращения спина мюона в магнитном поле (muSR-метод), а наш сектор, которым до меня руководил В.А.Жуков, более 30 лет работает в этой области. Накоплен большой "коллективный" опыт, имеется аппаратурный и методический задел. В предыдущей работе гатчинской группы на нашем фазотроне по исследованию конверсии мюония в антимюоний участвовал Т.Н.Мамедов, он же активно "обживал" и приспосабливал для muSR-спектроскопии пучок поверхностных мюонов, на котором планируется провести эксперимент. Поэтому выбор нашей группы вполне естественен.

Каков статус эксперимента?

Проект одобрен Программным комитетом по ядерной физике, было рекомендовано выделить время на фазотроне. Причем это одобрение не было чисто формальным. Член Программного комитета Ю.Дойч очень тщательно вникал во все детали эксперимента, и его замечания оказались весьма полезными для более глубокого понимания сложностей предлагаемого эксперимента. А до этого был большой труд рецензентов - О.А.Займидороги и Э.А.Кураева, их доброжелательные замечания и плодотворные дискуссии способствовали улучшению содержания проекта.

Дирекция лаборатории с вниманием и пониманием относится к этой работе, и эту поддержку мы не раз чувствовали.

Итак, все готово к старту?

Основная часть оборудования для первого этапа эксперимента уже смонтирована на мюонном пучке: мишенный узел c тонкими сцинтилляционными счетчиками, пропорциональные камеры и электроника для них, магнит спектрометра. Но работы еще предстоит немало, даже если все ее узлы были проверены и отлажены отдельно...

И сейчас мы ожидаем начала весеннего включения фазотрона для проведения сначала небольшого методического сеанса, а потом уже приступим и к набору настоящей, "физической" статистики.