Мюоны хориглогдсон задралын эрэл
μ^+→e^+ γ процессын задралын хайлт
Гизагийн агуу пирамидын хэмжээтэй өвсөн дотроос ширхэг зүү хайхтай ижилхэн юм.
Үүнтэй ижил төстэй оролдлого бол Швейцарын Виллиген хотын Паул Шеррер Институт
(PSI) дахь MEG II туршилтын үүрэг даалгавар билээ. MEG
II туршилт нь 2008-2013 оны хооронд явагдаж
байсан өмнөх MEG туршилтын шинэчлэл
юм. Одоог хүртэлх бүх туршилтын өгөгдлүүд хоёр төрлийн нейтриногийн үүслээр
лептоны төрөл хадгалагддаг мюоны задралтай нийцтэй байдаг. MEG
II туршилтын ажиглалтаар мюоноос позитрон
болон фотон үүсэж байгаа нейтриногүй задралын хувьд цэнэгт лептоны төрөл зөрчигдөж
байгаа анхны нотолгоо бий болсон бөгөөд шинэ физикийн нэгэн утгатай нотолгоо
гарч ирэх магадлалтай юм. Лептоны-төрөл
хадгалагдах чанар бөөмийн физикийн бүх танилцуулга хичээлүүдийн гол тулгуур
боловч энэ нь Стандарт онолын гэнэтийн тэгш хэм хэмээн нэрлэгддэг. Гэйж тэгш
хэмээс ялгаатай нь гэвэл зөвхөн массгүй зүүн-гарын нейтрино модельд багтдаг
учраас энэхүү тэгш хэм үүсдэг. Лагранжианы харгалзах масс болон харилцан
үйлчлэлийн гишүүд нь диагнольчлагдах боломжтой бөгөөд харилцан үйлчлэл үргэлж
лептоны төрлийг хадгална гэсэн үг. Энэ нь кваркын бүлийн тохиолдол биш ба
кваркын төрөл сул харилцан үйлчлэлд хадгалагдахгүй. Лептоны төрлийг үндсэн тэгш
хэм хэмээн авч үзэхгүй учраас Стандарт онолын ихэнх өргөтгөл state-of-the-art хэмжилтээр ажиглагдах боломжтой түвшинд лептоны төрлийн
зөрчил таамаглагддаг.
Үнэн хэрэгтээ, Стандарт онолын өргөтгөл нейтрино
осцилляциас улбаатай өчүүхэн бага нейтриногийн массыг хангахыг шаарддаг. Энэхүү
өргөтгөлд, нейтрино осцилляци цэнэгт лептоны төрөл зөрчигдөх процессыг бий
болгодог боловч μ^+→e^+ γ процессод шилжилтийн харьцаа туршилтаар хэмжих
боломжгүй〖10〗^(-54) байдаг.
Дэлхий дээрх протоны тоо шиг их
хэмжээний мюоны өгөгдлийн дээж ийм төрлийн итгэмээргүй задралыг үүсгэхэд хангалттай
биш байна. Тиймээс цэнэгт лептоны төрөл зөрчигдөх процесс Стандарт онолын
дэвсгэргүй шинэ физикийн тод томруун үзэгдэл болох юм.
Зүү олох
Хайлт
нь мюоны эрчимтэй үүсгүүр ба өндөр нарийвчлалтай мюоны задралын бүтээгдэхүүний
дахин байгуулалтын кинематикийн детекторын чадамжийг шаарддаг. PSI
дэлхийн хамгийн эрчимтэй тасралтгүй мюоны багц цацрагийг санал болгодог ба
секундэд 〖10〗^8
мюоныг хэмждэг. MEG II
туршилт эерэг цэнэгтэй мюоныг нарийн байд бэхлэн, тайван байгаа мюоны задралаас
позитрон-фотоны хосыг хайснаар μ^+→e^+ γ
процессыг судлахаар загварчлагдсан. Энэхүү арга
нь μ^+→e^+ ν_e ν ̅_μ γ
мюоны
задрал болон өөр мюоны задралаар үүссэн позитрон болон фотоны агшин зуурын хугацааны
давхцал болох дэвсгэр цацрагаас сигнал үзэгдлийг ялгах боломжтой задралын хоёр
биеийн кинематикийг боловсруулдаг. 1990 оны сүүлээр анхны MEG
туршилт загварчлагдах үед супер тэгш хэмийн үүсэлд үндэслэн онолчид ТэВ хэмжээс
дэх
μ^+→e^+ γ
процессын шилжилтийн харьцаа 〖10〗^(-12) - 〖10〗^(-14)
байна хэмээн үзсэн. 20 жилийн дараа MEG
шилжилтийн харьцаа〖4.2 ×10〗^(-13)
зэрэгтээс
хэтрэхгүй байна гэдгийг доорх график (Зураг 1)-аар
үзүүлсэн ба супер тэгш хэмт бөөм LHC-д нээгдээгүй хэвээр үлдсэн. Гэсэн хэдий ч, цэнэгт
лептоны төрөл зөрчигдөх процесс шинэ бөөмсийн виртуал харилцан үйлчлэлд
мэдрэмтгий учир төрөл зөрчигдөх процессууд хэдэн мянган ТэВ массын хэмжээтэй байх
шинэ физикийн моделиуд (супер
тэгш-хэмт, олон хэмжээст, лептокварк, мулти-Хигс гэх мэт)-д туршигдах боломжтой..png?w=1000)
Зураг
1: Төрөл зөрчигддөг мюоны задралын шилжилтийн харьцааны хязгаар.
Эдгээр
массын хэмжээс нь LHC-д хүрч очих боломжгүй төдийгүй ойрын ирээдүйн
хурдасгуурт мөн хүрэхгүй.
Тийм
учраас MEG коллабраци туршилтын мэдрэх чадварыг 10 фактороор
нэмэгдүүлэх зорилготойгоор детектороо шинэчлэхээр шийдсэн. Ижилхэн хэмжилтийн
зарчимтайгаар ажиллах шинэ туршилт 2019 оны сүүлээр өгөгдөл цуглуулж эхлэх
таамаглалтай байна.
.png?w=1000)
Зураг
2: MEG
II коллабрацийн μ^+→e^+үзэгдлийн дүрслэл.
Фотон шингэн ксенон (LXe)
детектор технологиор дахин байгуулагдсан ба μ^+→e^+ γзадралын
фотоны энерги 52.8 МэВ орчим бага энергид ~ 2% калориметрийн нарийвчлалыг олж
авах боломжтой. LXe детектор фотоны шилжилтийн хугацаа болон байрлалын
хэмжилтийг маш өндөр буюу ойролцоогоор 70 ps нарийвчлалтайгаар тогтооно. Позитрон мөрлөх дрифт чамбер
болон хугацаа хэмжих сцинтиллятор саваагаар тоноглогдсон соронзон спектрометрт
дахин байгуулагдана. MEG
спектрометрийн өвөрмөц шинж чанар нь нэгэн төрлийн бус соронзон орон бөгөөд
детекторын төвдөө 1.2 Т-с дээд хязгаартаа 0.5 Т хүртэл буурдаг. Энэхүү шаталсан орон позитроныг олон удаа
эргэлдэхээс хамгаалдаг. Энэ нь детекторын бөөгнөрөл (pile-up)-с сэргийлдэг бөгөөд цацаргалтын өнцгөөс хамаарахгүй ижил
радиустай ижил моменттой ороомгон позитроныг бий болгодог. Ийм замаар мөрийн
системийн үйл ажиллагаа болон загварыг хялбарчилдаг.
2011 онд эхэлсэн үндсэн засварын дараа бүх
детекторууд шинэчлэгдсэн. Хэт ягаан туяаны LXe
сцинтиллятор гэрлийг мэдрэх чадвартай цахиурын фото-үржүүлэгч (photo
-multipliers) калориметрын дотор талд атомын бус
фото-үржүүлэгчээр солигдсон. Жижиг сцинтилляторийн хавтанг бөөгнөрлийг багасгах
болон хугацааг ихэсгэх позитрон-хугацааны детекторын сцинтилляторийн саваагаар сольсон. Дрифт
чамберийг шинэчлэх гол шаардлага нь өндөр позитроны хурдтай хамааралтай. Өндөр
мөхлөг дэх шаардлага нь материалын алдагдлын нийт хэмжээг хадгалан
тогтворжуулах ёстой. Энэ нь олон удаагийн сарнил болон материалд позитроны
аннигиляцлах хурд ба калориметрт давхацсан фотоны дэвсгэрийн тархалтыг
багасгадаг. Энэ шийдэл нь 40-50 микрометр нарийн мөнгөлсөн хөнгөн цагаан утас,
20 микрометр алтжуулсан вольфрам утас болон шинэчлэгдсэн технологийн хэрэглээ
юм. Бүх детекторын нарийвчлал MEG
туршилттай хамааралтайгаар 2 фактороор сайжирсан. Мөн MEG II-ийн
загвар мюоны задралаас ирэх фотонд хориг тавих шинэ детектороос бүрдэнэ.
Сайжруулсан детекторын гүйцэтгэл мюоны цацрагийн хурдыг хоёр дахин ихэсгэх буюу
секундэд 3.3×〖10〗^7--ээс 7×〖10〗^7хүртэл ихэсгэх боломжтой. Хэрвээ μ^+→e^+ γзадралын шилжилтийн харьцаа ойролцоогоор 〖10〗^(-13)болон6×〖10〗^(-14) хязгаарт оршин байвал туршилтаар μ^+→e^+ γ задралыг
илрүүлэхийн тулд 3 жилийн турш ажиллахаар тооцоологдож байна.
2018
онд детектор мюоны цацраг дээр суурилуулагдсан бөгөөд шалгагдаж эхэлсэн. 2019 онд детекторын бүрэн тест дуусах бөгөөд
анхны физик өгөгдлүүдийг цуглуулах бүрэн боломжтой болно.
Эх
сурвалж: https://cds.cern.ch/record/2673718/files/CCMayJun19-digital.pdf
Нийтлэл
бичсэн: Эгэл бөөм цөмийн физикийн салбарын ажилтан Л.Эрдэнэбулган
Бусад мэдээлэл
