slides13fact (Лекции по квантовой микрофизике)

Лекция 13Резонансные реакции.Элементарные частицы. Сильноевзаимодействие: кварки и глюоны.Обзор инструментов физики частиц.В.Н.Глазков, МФТИ 2019Часть 1. Сечение реакцииdN= j (n S dx) σdtпоток частиц j,1/(см2 с)реакций всекунду,dN/dtРезонансные реакции−+−e + e →Z →μ +μ+Времена жизни частицΔ E ×Δ t ≥ℏΔ E≃ℏ/ T 1/ 2Виртуальные частицыΔ E ×Δ t ≥ℏВремя «существования»2τ≃ℏ/ ( Mc )Виртуальные частицыΔ E ×Δ t ≥ℏВремя «существования»2τ≃ℏ/ ( Mc )Максимальный путьL∼c τ≃ℏ /( Mc)Виртуальные частицыΔ E ×Δ t ≥ℏВремя «существования»2τ≃ℏ/ ( Mc )Максимальный путьL∼c τ≃ℏ /( Mc)Межнуклонное взаимодействие(пи-мезоны, 140 МэВ)L π∼−271010 ×3 ⋅10∼1фм8−121.4 ⋅10 ×1.6 ⋅10Виртуальные частицыΔ E ×Δ t ≥ℏВремя «существования»2τ≃ℏ/ ( Mc )Максимальный путьL∼c τ≃ℏ /( Mc)Слабое взаимодействиеМежнуклонное взаимодействие(W и Z-бозоны, ~90ГэВ)(пи-мезоны, 140 МэВ)−2710−1810 ×3 ⋅10LмL π∼∼1фм фм=10W−12,Z ∼0.00181.4 ⋅10 ×1.6 ⋅10Резонансные реакции−+−e + e →Z →μ +μ+Формула Брейта-Вигнера{a+ Aa + A=...= b+ Bc+C...Формула Брейта-Вигнера{a+ Aa + A=...= b+ Bc+C...σ ab=π ƛ2Γa Γb22( E− E 0) +Γ /4Γ=Γ a + Γb + ...σ aa Γ a τ bσ ab = Γb = τ aЧасть 2.

«Зоопарк» элементарныхчастицНадежный « официальный путеводитель»:Particle Data Grouphttp://pdg.lbl.gov/Удобный сайт:http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/parcon.htmlЧастицы Стандартной моделиЧастицы Стандартной моделиКварки, внутренняя структурануклоновЭкспериментальные факты:● Магнитный момент нейтрона● g-фактор протона 5.585694713(46), а не 2● Сечения рассеяния на высоких энергиях● Эквивалентность протона и нейтрона для ядерных сил● Все тяжелые частицы описываются в кварковой моделиКварки, внутренняя структурануклоновЭкспериментальные факты:● Магнитный момент нейтрона● g-фактор протона 5.585694713(46), а не 2● Сечения рассеяния на высоких энергиях● Эквивалентность протона и нейтрона для ядерных сил● Все тяжелые частицы описываются в кварковой моделиДва кварка (кварк+антикварк) –мезоныТри кварка – барионыЭкзотические, короткоживущие, нообнаруженные в экспериментахна ускорителях тетракварки ипентакваркиПредставление о цветовом зарядеБарионы со спином 3/2−Ω =(sss)++Δ =(uuu)−Δ =(ddd )Эксперимент: Все 3 кварка водном пространственномсостоянии!Кварки (S=1/2) - фермичастицы!!????Bubble chamber trace of the first observed Ω baryonevent at Brookhaven National LaboratoryПредставление о цветовом зарядеБарионы со спином 3/2−Ω =(sss)++Δ =(uuu)−Δ =(ddd )И это основное состояниеданной комбинации кварков!Кварки (S=1/2) - фермичастицы!!????Bubble chamber trace of the first observed Ω baryonevent at Brookhaven National LaboratoryПредставление о цветовом зарядеБарионы со спином 3/2−Ω =(sss)++Δ =(uuu)−Δ=(ddd)ещё какое-то квантовоеЕстьчисло,описывающее состояние кварка вИ это Необходимоосновное состояниенуклоне.хотя бы три (аданнойнекомбинациикварков! этогобольшенужно) значенияквантового числа...Кварки (S=1/2) - фермичастицы!!????«Цвет»:R, G, B...

и «антицвет» anti-R, anti-G, anti-BBubble chamber trace of the first observed Ω baryonevent at Brookhaven National LaboratoryПеренос сильного взаимодействиявнутри частицы: глюоныЧастица в целом “бесцветная” - соответсвуеткороткодействию ядерного взаимодействия: либо все трицвета RGB, либо пары цвет-антицветКонфайнмент и асимптотическаясвободаКонфайнмент и асимптотическаясвободаКонфайнмент и асимптотическаясвободаПревращения кварковЧасть 3. «Инструменты» физикичастицCERN Brochure, 2017Сечение реакции (напоминание)Покоящаяся мишеньчисло реакций (нужного типа)в единицу времени∝ j(n S dx)σjВстречные пучкиp-pN A ×N BЧисло∝σреакций:AПорог реакции(система Ц.М.=встречные пучки)Минимальная энергия – если всистеме центра масс продуктыреакции покоятсяПорог реакции(система Ц.М.=встречные пучки)Минимальная энергия – если всистеме центра масс продуктыреакции покоятся()()( )mc 2 +T + mc2 +T = Mc 2pc− pc02 ( mc2 +T ) =M c2Порог реакции(система Ц.М.=встречные пучки)Минимальная энергия – если всистеме центра масс продуктыреакции покоятся()()( )mc 2 +T + mc2 +T = Mc 2pc− pc02 ( mc2 +T ) =M c22McT=−mc 22Порог реакции(лаб.с.к.=неподвижная мишень)Минимальная энергия – если влабораторной с.к.

продуктыреакции движутся как целоеПорог реакции(лаб.с.к.=неподвижная мишень)Минимальная энергия – если влабораторной с.к. продуктыреакции движутся как целое2 2(2)( ) ( )2m1 c +T + m2 c = Mc 2pcpc02 22 2( m1 c ) + ( m2 c ) +2 ( m1 c +T ) m2 c =( M c )2 22 22 2( M c ) −( m1 c ) −( m2 c )2T=22 m2 c22−m1 cПорог реакции(лаб.с.к.=неподвижная мишень)Минимальная энергия – если влабораторной с.к. продуктыреакции движутся как целое2 2(2)( ) ( )2m1 c +T + m2 c = Mc 2pcpc02 22 2( m1 c ) + ( m2 c ) +2 ( m1 c +T ) m2 c =( M c )2 22 22 2( M c ) −( m1 c ) −( m2 c )2T=для m1=m222 m2 cT=(M c )−m1 c22 22−2 mc 22 m c2T покM 2−4m 2M== +2T встр m(M −2m) mПорог реакции(лаб.с.к.=неподвижная мишень)Минимальная энергия – если влабораторной с.к. продуктыреакции движутся как целое(2)( )(2m1 c +T + m2 c = Mc 2 +T 'pcpc02 22 2)2 2( m1 c ) + ( m2 c ) +2 ( m1 c +T ) m2 c =( M c )2 22 22 2( M c ) −( m1 c ) −( m2 c )222−m1 c2В опыте с неподвижной T =2 m2 cмишенью пороговая энергия2 2выше, но больше гибкостьдляв m1=m2(M c )2T=−2mcвыборе мишени.2 m c222T покM −4mM== +2T встр m(M −2m) mНемного про ускорителиВ основном – встречныепучкиГлавныехарактеристики:● тип ускоряемыхчастиц● энергия частиц● светимость (числопотенциальновозможныхстолкновений вединицу времени)в системе ц.м.SLAC (1966-...),Вид с воздуха на комплекс зданий Стэнфордского линейного ускорителя.

Детекторный комплекс справа. Сам канал ускорителянаходится на глубине 10 метров под землёй. http://en.wikipedia.org/wiki/Stanford_Linear_Accelerator_Centerдо 2017 года – самое длинное прямое здание (2 мили)Нобелевские премии: c-кварк (1976), кварковая структурапротона и нейтрона (1990), тау-лептон (1995)50 Гэв энергия пучка, до 90 Гэв в с.ц.м. в режиме коллайдера(1987-1998)ЦиклотронСхема циклотрона из патентной заявки Лоуренса, 1934 год.1Vf= ==T 2π RVqB=mV 2 π m2πqBдля нерелятивистскойчастицы не зависит отскорости!!!TRIUMFСамый большойциклотронПротоны с T=520 МэВДиаметр 18 метров,поле в зазоре 0.46 ТлTRIUMF, TRIUMF Cyclotron Center, http://www.triumf.caСинхротроны●●●●Фиксированная траекторияМагнитное поле и частота/фазаускоряющего поляподстраиваютсяПринципиально работаетимпульсами (bunch)Частицы и античастицы можноразогнать одновременно впротивоположныхнаправленияхИЯФ МГУ, Синхротрон, http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/synchro.htmСинхротроныФиксированная траектория● Магнитное поле и частота/фазаускоряющего поляподстраиваются● Принципиально работаетимпульсами (bunch)● Частицы и античастицы можноразогнатьодновременно вОдно из ограниченийпо энергии:противоположныхсинхротронной излучение(100-200направленияхГэВ для электронов)●( )1EP∝ 2R mc2ИЯФ МГУ, Синхротрон, http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/synchro.htm2БАК●●●CERN Brochure, 2017длина кольца 27 км14 Тэв в p-pстолкновениях3 ТэВ/нуклон в Pb-PbстолкновенияхОсновное на лекцииσ ab=π ƛ2Γa Γ b22( E−E 0) +Γ /4.