Горизонты научного поиска

Недавно в ЛЯП прошел семинар "Прецизионное исследование радиационного распада пиона", в аннотации которого было сделано сенсационное заявление, что авторам не удалось описать полученные экспериментальные данные в рамках общепринятой в настоящее время теории электрослабых взаимодействий, называемой Стандартной моделью (СМ). Наш корреспондент Надежда Кавалерова обратилась с рядом вопросов к профессору Спартаку Михайловичу Коренченко, руководителю группы дубненских физиков, участвовавших в этом эксперименте, проведенном на пучке положительных пионов "мезонной фабрики" (PSI, Швейцария), в составе международной коллаборации ПИБЕТА.

Насколько мне известно, в настоящее время физики считают одной из важнейших задач современных исследований определение пределов применимости СМ, то есть нахождение процессов, которые не описываются с ее помощью и тем самым свидетельствуют о наличии "новой физики". Является ли исследовавшийся вами распад действительно таким процессом?

Насколько мне известно, в настоящее время физики считают одной из важнейших задач современных исследований определение пределов применимости СМ, то есть нахождение процессов, которые не описываются с ее помощью и тем самым свидетельствуют о наличии "новой физики". Является ли исследовавшийся вами распад действительно таким процессом? Нам на самом деле не удалось описать с помощью СМ изучавшийся нами распад пи-плюс мезона на позитрон, нейтрино и гамма-квант (далее этот распад называется радиационным или РРП). Ситуация выглядит следующим образом. В соответствии с СМ распределение частиц по углам и энергиям в этом распаде зависит от двух, формфакторов, описывающих структуру пиона, - векторного Fv и аксиально-векторного FА. При этом в соответствии с гипотезой о сохранении векторного тока, справедливость которой подтверждается многими экспериментами, величина Fv определяется из времени жизни пи-ноль мезона. Поэтому из экспериментального распределения нам оставалось только установить значение аксиально-векторного формфактора FА. Однако сделать это нам не удалось. Математическая достоверность описания одним параметром (FА) оказалась крайне малой. При попытке же описать наши данные обоими формфакторами мы получили результат, несовместимый с теорией. А именно, величина векторного формфактора получилась меньше теоретического значения на 8-12 ошибок измерения. Вероятность такого отклонения составляет величину много меньше одной десятимиллионной. А вот хорошо описать наши экспериментальные данные мы смогли только используя сделанное ранее предположение о возможном существовании дополнительного тензорного тока в РРП. У нас получилось значение тензорного формфактора FT= - (0,0017 ± 0,0001). Этот результат опубликован в Годовом отчете PSI (Scientific Report 2002/Volume1).

Исследовал ли кто-нибудь РРП раньше?

Да, радиационный распад пиона впервые наблюдали П. Депомье, Д. Хейнтс, К. Руббиа и В. Сергель 40 лет назад в ЦЕРН в 1963 году. Кстати сказать, в то время мы тоже собирались искать этот распад с помощью создававшегося тогда в ЛЯП цилиндрического магнитного спектрометра, но после опубликования упомянутой выше работы изменили наши планы.

Существование РРП тогда никого не удивило, так как это разрешенный распад, и измеренная вероятность его не противоречила теоретическим оценкам. В последующие годы РРП изучали еще 4 группы в различных центрах (Беркли, PSI, Лос-Аламос, Протвино). В этих экспериментах ставилась задача возможно более точного и однозначного определения величины и знака FА, так как различные теоретические модели предсказывали разную величину этого формфактора.

Последняя до нас работа была выполнена в 1990 году в Протвино группой "ИСТРА" из ИЯИ (Москва). Тогда они решили, что зарегистрировали меньше, чем ожидалось, случаев РРП, и чуть позже для объяснения такого результата высказали предположение, что в РРП, возможно, присутствует тензорный ток. Была дана оценка величины тензорного формфактора FT= - (0,0056 ± 0,0017). Однако статистика, ошибки и фон в этом эксперименте были таковы, что отнестись серьезно к выводу о возможном существовании тензорного взаимодействия было очень трудно. Правда, в 1994 году теоретик П. Герцег опубликовал работу, в которой показал, что тензорное взаимодействие может иметь место в модели с гипотетическими лептокварками. В 1997 году А.В. Чернышевым, А.Б. Красулиным, В.Д. Лаптевым и В.А. Матвеевым было показано, какая область энергий и углов частиц в РРП наиболее чувствительна к возможному существованию "тензорного" тока.

Какую экспериментальную установку вы использовали, почему в предыдущих экспериментах "тензорное" взаимодействие не было обнаружено?

Экспериментальные данные по РРП были получены одновременно с исследованием бета-распада пиона, которые были проведены с помощью уникального спектрометра ПИБЕТА. Прецизионное измерение вероятности бета-распада положительного пиона на нейтральный пион, позитрон и нейтрино с точностью 0,5 процента (необходимая статистика для этого составляет около 50 тыс. событий) было основной первоначальной целью нашей международной коллаборации ПИБЕТА.

Бета-распад пиона впервые был открыт в ЛЯП в 1962 году группой Ю.Д. Прокошкина. Это очень редкий процесс. Один такой распад приходится на 100 миллионов обычных распадов пиона. Конечным продуктом бета-распада пиона являются гамма-кванты. Чтобы зарегистрировать 50 тысяч нужных событий на уровне огромного фона посторонних, нужно было создать установку, которая бы с эффективностью, близкой к 100 процентам, и с высоким энергетическим, угловым и временным разрешением детектировала продукты распадов пионов. Такая установка, спектрометр ПИБЕТА, была создана международной коллаборацией, в которую вошли физики США, Швейцарии, Грузии, Дубны, Польши и Хорватии.

Гамма-кванты в установке ПИБЕТА детектируются с помощью оригинального калориметра полного поглощения, имеющего форму сплошного шарового слоя диаметром около метра с двумя окнами для входа пучка частиц и для установки внутри замедлителя пучка, мишени, двух цилиндрических пропорциональных камер и годоскопа сцинтилляционных счетчиков. Калориметр собран из 240 кристаллов чистого цезий-иод, выполненных в виде усеченных шести- и пятигранных пирамид, имеет вес 1,6 тонны.

Вся установка помещена внутри теплоизолирующего домика, в котором поддерживается постоянная температура и влажность. Сверху домик покрыт большим сцинтилляционным щитом для подавления фона от космических лучей.

Для создания установки потребовалось более 7 лет напряженной работы. Нужная статистика бета-распадов была набрана в течение 1999-2001 гг. в длительных сеансах общей продолжительностью более одного года. В результате мы получили статистику почти всех интересных распадов пиона и мюона (бета-распад, РРП, распад пиона на позитрон и нейтрино, распад мюона на позитрон, два нейтрино и гамма-квант), которая на два порядка превышает всю полученную ранее в различных экспериментах мировую статистику. Только такая статистика, и только тот диапазон углов и энергий, который регистрировала установка ПИБЕТА, могли привести к принципиально новым результатам.

Хочу отметить, что работа установки в течение 2,5 лет непрерывных сеансов контролировалась с помощью ЭВМ и могла управляться (и действительно контролировалась и управлялась) через Интернет. Надежность работы всей установки оказалась такой, что практически не потребовалось дежурных смен. Достаточно было присутствия одного человека на территории института (не обязательно около установки).

Каков вклад дубненских физиков в эксперимент?

Первое предложение эксперимента ПИБЕТА было сделано в 1989 году. Однако реально финансирование и работы по созданию установки начались только в декабре 1992 года после того, как в состав коллаборации вошли физики Дубны и Тбилиси, и проект ПИБЕТА получил окончательное одобрение в PSI. Тогда был подписан меморандум о главных вкладах сторон в проект. Он состоял всего из четырех пунктов и был подписан директором PSI К. Вальтером, споксменом эксперимента Д. Почаничем и двумя ответственными от Тбилиси и ОИЯИ (Д. Мжавия и мной). В пункте два меморандума значилось, что Тбилиси обеспечит изготовление и поставку 211 кристаллов чистого цезий-йод (88 процентов от общего необходимого количества). В пункте три было установлено, что ОИЯИ поставит две цилиндрические пропорциональные камеры и всю электронику к ним. Согласно пункту один Университет Вирджинии поставлял всю остальную электронику и оборудование. А PSI (пункт четыре) обеспечивал инфраструктуру эксперимента и оплату затрат на разработку и изготовление чистых кристаллов цезий-йод, поставляемых Тбилиси. Следует заметить, что реальная стоимость таких кристаллов на мировом рынке составляет около 3 млн. долларов, а PSI мог выделить только 300 тыс. швейцарских франков. Это было условие участия PSI в коллаборации. Физики Тбилиси невероятными усилиями при поддержке ОИЯИ сумели уложиться в эту сумму. Таким образом очевидно, что без участия физиков Дубны и физиков Грузии, которые много лет работали и работают до сих пор в ОИЯИ, спектрометр ПИБЕТА не был бы создан.

Что можно сказать о работе отдельных участников?

Прежде всего, Д.А. Мжавия первым предложил использовать кристаллы сверхчистого цезий-йод в крупных экспериментальных установках. Только благодаря его энтузиазму и усилиям были разработаны и сделаны кристаллы для калориметра с непревзойденно высокими характеристиками и в нужном количестве. Большую помощь в этой работе ему оказали З.Б. Цамалаидзе и Т.М. Сахелашвили. Работы по созданию уникальных цилиндрических пропорциональных камер, начатые безвременно ушедшим от нас К.Г. Некрасовым, были успешно продолжены А.С. Коренченко. Благодаря разработанной им технологии были изготовлены надежные, высокоточные камеры с рекордно малой толщиной стенок (200-300 микрон). В этой работе ему помогал Н.П. Кравчук. Разработанная В.В. Карпухиным катодная электроника с параметрами, близкими к предельно возможным, отработала без сбоев все долгие годы наладки установки и набора статистики.

Когда начался набор статистики, возникла острая необходимость в замене ненадежной и устаревшей западной электроники анодных проволочек. Электроника анодных проволочек, с которой была набрана основная часть статистики, была в основном разработана и создана В. В. Сидоркиным на основе новейших достижений логической электроники в рекордно короткий срок. Немаловажную роль сыграли здесь разработки аналоговой схемотехники, сделанные по инициативе и при участии Н.А. Кучинского. Запуск всей этой новой анодной электроники был осуществлен на установке в удивительно короткий срок, всего одну неделю, правда, при драматическом напряжении всех участников запуска. В последующем эта электроника работала непрерывно без сбоев в течение более полутора лет.

При выводе данных из пропорциональных камер безупречно работали компьютерные программы, разработанные Н.В. Хомутовым. На заключительном этапе обработки и анализа данных неоценимый вклад внесли наши сотрудники А. М. Рождественский и В. А. Баранов, а также сотрудники ЛТФ Э.А. Кураев и Ю. Быстрицкий.

Ваш результат многим кажется неожиданным. Не может ли это быть какой-то ошибкой или случайностью? Может быть, вы что-нибудь не учли или неправильно оценили?

Для нас полученный результат был тоже неожиданным. Мы знали о работе группы "ИСТРА" и не раз говорили нашим американским коллегам о том, что интересно посмотреть РРП в кинематической области, предложенной в работе А. В. Чернышева и его коллег. В то же время мы предполагали, что в результате уточнения данных получим новое, более жесткое ограничение на возможную примесь тензорного взаимодействия - и не более того. Получилось все наоборот. Мы просто не смогли описать полученные данные в рамках СМ.

Естественно, прежде всего возник вопрос не допустили ли мы какой-нибудь неточности в определении шкалы энергии или эффективности детектирования распада. Проверка показала, что нет. Поскольку главной целью эксперимента было прецизионное определение крайне редкого распада (пи-бета), нам пришлось разработать процедуру, позволяющую учесть с точностью до долей процента все факторы, влияющие на получаемый результат. Для этого была создана мощная математическая модель установки, точно описывающая все процессы, происходящие в ней. Оказалось, что энергетические и угловые распределения частиц, зарегистрированные установкой, для всех распадов, кроме РРП, в точности совпадают с результатами теоретического моделирования.

Мы просили теоретиков проверить, нет ли каких либо ошибок в формулах, которые мы использовали при анализе данных. При повторном выводе формул ошибки, которые могли бы повлиять на результат, обнаружены не были. Должен сказать, что обсуждаемый результат по РРП был получен почти год тому назад. С тех пор мы не нашли ничего, что изменило бы наши выводы. Сегодня я уверен, что полученный нами экспериментальный спектр РРП полностью отражает существующую реальность.

Что же тогда, в конечном счете, может означать ваш результат?

Прежде всего получены новые прецизионные экспериментальные данные по РРП, во много раз превосходящие количественно и качественно все то, что было найдено в предыдущие годы. Это объективный факт.

Что касается сравнения полученных данных с теорией, то, как я уже сказал, мы не можем описать экспериментальные данные в рамках СМ. Любопытно, что предположение о существовании слабого тензорного тока сразу привело к согласию с экспериментальными данными. Однако само по себе подобное предположение вызывает у многих теоретиков некоторое недоумение. До сегодняшнего дня никто не предложил какого-либо приемлемого объяснения наблюдаемого расхождения.

До последнего времени необходимость в тензорном взаимодействии практически никогда не возникала. Ситуация здесь отличается, например, от проблемы существования бозонов Хиггса или от вопроса о наличии массы у нейтрино. Для получения ответа на последние вопросы затрачены и тратятся сотни миллионов и даже миллиарды долларов. Эти вопросы злободневны и, в каком-то смысле, естественны. А РРП был хотя и интересным, но простым, понятным, "рядовым" распадом, в котором трудно было ожидать что-нибудь необычное.

"Тензорное" взаимодействие "вылезло" совершенно нежданно. Кстати, оно имеет отрицательную величину. Это значит, что оно уменьшает вероятность РРП. Может быть, это просто связано с какими-то дополнительными правилами отбора, которые ранее "просмотрели" теоретики. Возможно, СМ сможет без ущерба для теории включить в свой состав наряду с векторным и аксиальным еще и тензорный ток. Но это будет другая теория.

А, возможно, физика частиц получит какое-то новое, неожиданное направление развития?

Не знаю. Сейчас мы готовим публикацию и сами до конца не верим, что вышли за рамки Стандартной модели.

Для меня ясно одно - существует определенное, точно измеренное распределение частиц в РРП. Это - экспериментальный факт, а факты - упрямая вещь.