И.М. Капитонов - Введение в физику ядра и частиц (1120452), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Струи цветных и дробнозарядвых кварков-антнкварков превращаются в струк белых адронов с целочисленными зарядами (рис, 11.5). струя едрснсв Рас. 11.б Процесс генерации адронных струй допускает и более еклассическоеэ описание. Когда перввчиае йф-пара расходится на расстояние ю 1 Фм, цветовое взаимодействие становится столь большим, что оно резко тормозит кварк и антикварк. Замедляющиеся е и е испускают адроны (главным образом кванты ядерного взаимодействия б-мезоны) аналнично тому, ках тормозящийся в кулоновском поле электраческий заряд испускает кванты электромагнитного поля Фотоны (тормозное излучение).
Диаграмма образования адронных.струй показана на рис. 11.б. Р . ы.е Струи адронов были предсказаны как проявление их кварковой структуры и впервые наблюдапись в 197Бг. на е с+- коллайдере ЗРЕАЕ (Стэифорд, США) с суммарной энергией сталкивающихся частиц 7ГзВ, На рис.11.7 приведен пркмер двухструйного события, наблюдавшегося в 1980г.
на е е+- коллайдере РЕТЕА (ПЕБУ, Гамбург) с энергиями пучков 22.Б+ +22.Б Г»В. В дальнейшем струи наблюдались во многих процессах, не толысо в с е+ -о дд, но также в глубоконеупругом рассеянии электронов, мюонов н нейтрино на нуклоне н рассеянии мезонов на иуклоне. Анализ адронных струй подтвердил их кварковую природу. Более того, оказалось, что струи «запоминают» информацию о родительском кварке — его заряде, аромате и спине.
Так, вероятность образования струи в е е+-аннигиляции зависит от угла между осью струи и осью первичного пучка именно так, как и должно быть при рождении частицы и античастицы со спинами Чз Весьма показательными оказались измерения зарядов адронных струй. Поскольку адроны имеют целочисленные' заряды, то суммарные заряды адронных струй также целочисленны. Однако, если повторять один и тот же опыт по рождению струй много раз и определить средний по событиям суммарнътй электрический за- Рис.
ыд. Ровжструировоииоо явухряд струи, то он оказывается отруяиоо событие (яотоитор ТАЯЯО, ДРОбНЫМ И ВЕЛИЧниа ЕГО НМЕН- говори~ РКТКД,Гоибург,ШЗО .) но такал, какая и должна быть о и о+ иотвт иорсоияикуиврио слоу кварков. Наиболее удобным во«таю,т иот иа яви1 для таких исследований явля- ро круга ется глубокоиеупругое столкновениее нейтрино (антинейтрино) с нуклоном — иФ и йМ, В таких процессах переносчик слабого взаимодействия заряженный гг'+- (или гг' ) бозон может поглотиться лишь кварком Ы (или и) внутри нуклона, превратившись в кварк и (Ы), который, вылетая из нуклона, дает начало струе адронов. Рассмотрим зто подробнее. Как известно, заряженный з-мезон распадается по схеме я~ -г ио + уг~, гг -о й„+ д .
Возь- 194 мем т -мезон. Циаграмма его рв:падь показана на рнс.9.4. С учетом кварковой структуры т процесс выглядит так: о+о +пи+И ° (11.3) Перенесем автивейтриво в левую часть. (11,3), замеввв его на нейтрино, а кварк % — в правую часть, заменив на кварк и, Это отвечает повороту соответствуквцих лучей ва диаграммах, преврашаюшему античастицу в,частицу (см. рис.8.7). Получаем Рр+ з +и +я (11.4) Соответеквуюшая диаграмма, с учетом того что кварк Ы входит в состав нуклона (шшример, протона) мишени, показана на рвс. 11.8. ч„ а" е евзеое ( Рве. 11.6 Аналогично монне получить, что Р„будет «выбирать» в нуклоне кварк и и взаимодействовать с нвм по схеме ря+ н ~ Ф + ~~. (11.3) Конечный кварк (и в реакции (11.4) или Н в реакции (11.8)), получив в глубоконеуаругом столкновении основную часть энергии и„(Р,,), приобретает большую схорость н вылетает из нуклона в переднюю полусферу (в СЦИ).
Этот кварк называют лидирующим. Оставшиеся два кварка (в«арве-ваблюдотлели) — медленные и летят в заднюю полусферу. Мазду лидируюшим кварком и кварками-иаблюдатепями натягивается, а затем рвется «пружина конфайнмента», что приводит к возникновению двух струй адронов, двигающихся в СЦИ в протввополомвых направлени- 195 Струя в передней полусфере несет информацию об аромате (заряде) лидврукнцего кварка. Если поставить опыт так,чтобы с определенвем зарядов адронов в струе в передней полусфере одновременно вдеитвфицвровать заряд мюона, то мы будем знать, к какому из двух процессов — (11.4) влн (11.5) — относится конкретное измерение. Усрекняя многие измерения, можно проверить «помнит» лн струя адронов аромат (заряд) лидирующего кварка.
Приведем данные одного из измерений, выполненных в 1979 г. на нейтринном (антинейтрннном) пучке с энергией 100- 200 û от протонного ускорителя ТЕУАТЕОХ (РегшйаЬ, США) с помощью пузырьковой камеры диаметром 4.5 м, наполненной жидкой водородно-неоновой смесью и помещенной в сильное магнвтное поле (яе 3 Тл). Камера использовалась совместно с внешним мюонвым идентификатором.
Оказалось, что средние (по событиям) заряды адронных струй, образующихся в передней полусфере под действием пучка нейтрино (антинейтрнво), следующие (в единицах элементарного заряда): Я(и)т') = 0.65 х 0.12; Я(РФ) = -0.33 х 0.09, (11.5) что убедительно согласуется с величинами + з/з и — '/з для и и о-кварков. стщя едренов втоиввоковвя струя адронов е+ Рис. 11.9 В процессах е+е -аннигиляции, помимо двухструйных событвй, наблюдают и трехструйные (первое наблюдение относится к 1979г. — РЕТВА, ВЕЗУ, Гамбург). Третью струю (с наименьшей энергией) генерирует «жесткий» глюон, излучаемый однем вз кварков. Этот глюон может уносить до половины энергии кварка и двигаться под большим углом к нему, рождая отдельную адроввую струю (рис.
11.9) . Лекция 11 196 Изучивие характеристик третьей (наименее энергичной струи) согласуется с представлениями о том, что она рожлена тимоном. В частности электрический заряд, 1 дигение ю утлам движения этой струи относительно двух других (хварковых) такие, какие должны быть для частицы с нулевым зарядом и со свином 1 (именно такой спви -цривнсыввке глазову). Пример трехструйного события приведен на рис. 11.10. рис. Нао Проявление цветпа нварнов в с с+-анниеиляции Наиболее убедительное подтверждение «окрашенности» кварков получено в е е+-аннигиляции при высоких энергиях.
Изучались и сравнивались процессы двух типов е е+ -+ р,и+, е е+ -> адроны. (11.7) Оба процесса идут за счет электромагнитных свл (вкладом слабых сил можно пренебречь), причем для второго процесса диаграмма првведена на рис. 11.5. Адронвым струям предшествует воявление пары 99.
Таким образом, основные (двухузловые) диаграммы обоих процессов выглядят так, как показано на рис. 11.11 (индекс 1 отвечает определевюму типу кварка). «с е Рис. 11 11 Юля амплитуд сравниваемых процессов имеем: А„д ,,/ааааа = ад, Ад,д, Еи~/ае~/а = Яд,ад и отношение сечений этих процессов »д(д»д;) )Ад;~; [ »г(ИЯ [Аяп[ (11.8) С учетом всех возможных типов кварков, которые могут учас- твовать в адронном канале, для отношения сечений рождения адронов и мюон-антимюонных пар получаем Л=~ "- =~я»=~ Яз,. (11.0) »гид» В(йачог) = (я,»)з+(я„)'+(я,)з = (-'/з) +(+з/з) +( — '/з) = з/з (11.10) Если же кварки шмтные, то»» = »гьдед,,/»гяц = 2 Н» = 2 лд.
— это сумма по ароматам и цветам, и, так как цвет ие зависит от аромата, то значение Я утраивается: Н(й + 1.) =3[(г,)з+(г„)з+(В,)з) =г. (11.11) Эксперимент (рис.11.12) дает в интервале энергий 1.5-2.5 ГэВ значение В,, = 2.0 х 0.2, что однозначно свидетельствует в пользу гипотезы цветных кварков.
Величина 2 , 'Ядз опРеделаетсЯ набоРом кваРков Разного типа, » участвующих в процессе. Если кварки бесцветны, то они различаются лишь по аромату. Наличие цвета утраивает количество типов кварков и соответственно утраивает значение суммы квадратов их зарядов. Рассмотрим область энергий Е; + Е,.», при которых могут рождаться лишь пары»»д», Й1 и вз. Порог рождения мезона с кварковым составом зз около 1 ГэВ (самый легкий мезон такого типа ф имеет массу 1 019 МэВ/сз). В то же время порог рождения мезона с кварковым составом сс около 3 ГэВ. Таким образом, в области энергий е е+-столкновений 1-3 ГэВ будут рождаться лшпь кварковые пары йи, »Ы и вж Если кварки бесцветны, то В = »гз едда /»г и = ~ Л» = ~;(Вд») — зто сумма цо ароматам и » » 198 Рассмотрим ситуацию прв более высоких энергиях.
Порог рождения 6е-мезова Т (впсююв) разин 9.46 ГэВ, поэтому в области энергий е е+-стошсиоэевий 3.1-9.6 ГэВ воззюжио рождение кварковых пар иБ, еи, зу в сб, что дает Я(3.0-9.6 ГэВ) = 3[(йе)з + (Ве) + (Я ) + (Яа) ] = = 3 ~(-Чз)'+ (+Чз)'+ (-Чъ)'+ (+Чз)'] = г% (11 12) При еще больших энергиях (9.6-350 ГэВ) нужно участь возможность рождения 66.пары и для В имеем Е(9.5-35ЬГэВ) = 3[(Ея) +(Я„) +(Я ) +(2' ) +(Яь) ] = ~~/з (11.13) в отличие от значения ~%, предсказываемого концецпией бесцветных кварков.
Эксперимеитальвые данные для области энергий 10-40 ГэВ представлены ва рис. 11.12 и, так же как и при более низких энергиях (1.5-2.5), полностью подтверждают наличие у кварков цвета. Величина В должна сохраняться равной и/з вплоть до энергии 350ГэВ, когда становится возможным рождение пары Н. После этого В должно возрасти до 5 и при дальнейшем увеличении энергии оставаться неизмышой. о е ~о м ао яз зо м Ряс.
м.гт. Отееыеэве Ж сечевик а+а ~-евреев -к сечееезе е+е -~ в+о 199 '3. Тажелые кварки — с, Ь, з Годом открытия с-кварка является 1974, когда впервые наблюдали связанное состояние сб. Этим состоянием является мезон .7/ф, обнаруженный одновременно в двух экспервмевтах— в е е+-соударевиях в лаборатории ЯЬАС (Стэвфорд, США) на е с+-коллайдере ЯРЕАК и на ускорителе АОВ (Брукхэйвен, США) в соударениях протонов с энергией 28ГэВ с бериллиевой мишенью. Лидерам соответствующих экспериментальных групп Рихтеру и Тингу в 1976г. за это открытие присуждена Нобелевская премия (двойное название новой частипы,7/ф (еджи-псиэ) — следствие того, что группа Рихтера присвоила ей символ ф, а группа Тивга — символ У).
На рис. 11.13 показаны результаты группы Рихтера по наблюденюо Х/ф-мезона. Этот мезов наблюдается в виде острого резонанса с массой около 3.1 ГэВ/сз. Наблюдаемая ширина резонанса определяется экспериментальным разрешением по массе. Истинная ширина,7/4 гораздо меньше и по последним данным (2000 г.) составляет 87 х 5 кэВ.
Помимо .7/ф наблюдается серия мезонных резонансов, отвечающих связанной сс системе, получившей название чармовая (более общее название систем дд— кварвовиб). Таким образом, различные типы сс мезонов это различные состояния чармония. 10 3.03 3.10 з.щ ре . ы.гз В 1977 г. 'в Регпц1аЬ (США) в соударевиях протонов с энергией 400ГэВ с ядрами были обнаружены связанные состоянии системы Ы в области энергий 9-11 ГэВ. 'Позже в с е+- стовкневевияк со значительно лучшим энергетическим разрешением'были уточнены характеристики обнаруженных резонансов, 200 Леквея 11 а также найдены новые состояния ЬЬ-системы, получившей названия бооваомокея. Обнаружение боттомонвя означало открытие пятого кварка — Ъоссош.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
