Стандартная Модель (СМ), современная теория, описывающая в рамках единого подхода электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия, является исключительно успешной – она подтверждена в огромном количестве экспериментов. Тем не менее, существует множество указаний на то, что Стандартная Модель неполна, например, астрофизические наблюдения указывают на наличие «темной материи» и «темной энергии», которые совершенно отсутствуют в СМ. Основными инструментами поисков явлений за пределами СМ являются коллайдеры с максимально достижимой энергией сталкивающихся частиц, такие как Большой Адронный Коллайдер. При этом технологические пределы не позволяют бесконечно повышать энергию пучков.
Другим перспективным подходом к поиску новых взаимодействий является прецизионное (с очень высокой точностью) измерение некоторых параметров элементарных частиц на установках высокой светимости или высокой интенсивности и сравнением результатов измерений со столь же точными теоретическими расчетами. Даже небольшое отклонение измеренной величины от ее ожидаемого значения в рамках Стандартной Модели позволяет делать вывод о неполноте теории и ставить ограничения на возможные модели ее расширения. Точность некоторых современных экспериментов позволяет «заглянуть» в область энергий, недоступных на LHC.
В рамках деятельности лаборатории осуществляется участие группы физиков из НГУ в двух прецизионных экспериментах, которые должны пройти в Fermilab, USA (FNAL, Национальная ускорительная лаборатория имени Э.Ферми) начиная с 2016 и с 2020 года, соответственно. Два эксперимента посвящены измерению совершенно различных величин, однако они используют один и тот же ускорительный комплекс и источник мюонов. В научной программе Fermilab оба эксперимента объединены в единую мюонную программу.
В эксперименте (G-2) измеряется a_mu - аномальный магнитный момент мюона, тяжелого аналога электрона. В первом приближении аномальный магнитный момент мюона равен нулю. Ненулевое значение возникает только в более высоких порядках теории возмущений, при этом свой вклад вносят все существующие типы взаимодействий, включая те, которые не наблюдаются напрямую в коллайдерных экспериментах. Наиболее точное измерение было проведено в Брукхэйвенской лаборатории (BNL, USA) в конце 90-х – начале 2000-х годов и была достигнута точность 0.5 ppm. Исключительно интересным результатом этого измерения оказалось то, что измеренное значение превышает значение, вычисленное в рамках Стандартной Модели на 2.2-2.5 ppm, или на 3.3-3.6 стандартных отклонения. Такого отклонения недостаточно, чтобы сделать утверждение об обнаружении взаимодействий за рамками Стандартной Модели. Цель эксперимента G-2 в Фермилаб – провести новое измерение аномального магнитного момента мюона с точностью 0.14 ppm, что в 4 раза выше точности измерения в BNL.
Помимо собственно измерения , важное направление сотрудничества эксперимента G-2 и НГУ-ИЯФ СО РАН состоит в измерении сечений e+e- => hadrons. Для эксперимента G-2 важно достичь высокой точности вычисления аномального магнитного момента в рамках СМ, так как конечная цель эксперимента – измерить разницу наблюдаемого и вычисленного значений a_mu. Вклад сильных взаимодействий в величину a_mu вычисляется интегрированием измеренных сечений рождения адронов в e+e- столкновениях. Именно точность вычисления адронного вклада определяет общую точность вычисления. Оказывается, что точность вычисления адронного вклада определяется точностью измерения сечений e+e- => hadrons (и, в особенности, e+e- => pi+pi-) в области низких энергий, до нескольких ГэВ в с.ц.м. Наиболее точные прямые измерения были проведены ранее в ИЯФ СО РАН на ускорительно-накопительном комплексе ВЭПП-2М, и в настоящее время проводятся новые измерения с детекторами КМД-3 и СНД на комплексе ВЭПП-2000. Результаты этих измерений исключительно важны для интерпретации нового измерения a_mu в Фермилаб.
Второй эксперимент, входящий в мюонную программу Фермилаб – эксперимент Mu2e по поиску прямой конверсии мюона в электрон в поле ядра mu N => e N. Такой переход относится к разряду процессов, нарушающих лептонное число (CLFV, charged lepton flavor violation). Уникальность таких процессов состоит в том, что в Стандартной Модели они практически запрещены, например, вероятность процесса mu N => e N исключительно мала, менее 10^-50. Наблюдение любого процесса подобного рода однозначно указывает на наличие взаимодействий за рамками Стандартной Модели. На сегодняшний день ни в одном эксперименте не наблюдалась конверсия мюона. Наименьший нижний предел установлен в эксперименте SINDRUM II в PSI, Switzerland в 90-х годах на уровне 6 10^-13 (90% CL) для Ti и 7 10^-13 (90% CL) для Au. Цель эксперимента в Фермилаб – улучшить нижний предел на 4 порядка до 5 10^-16 (90% CL). Такая высокая чувствительность эксперимента уникальна и исключительно интересна. Практически все сценарии расширения СМ, при которых новые взаимодействия могут наблюдаться в экспериментах на LHC, приводят к вероятности конверсии mu N => e N, наблюдаемой в Mu2e.
В настоящее время оба эксперимента находятся на этапе подготовки и начала строительства.
