Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 24
Текст из файла (страница 24)
И'- и Я-бозоны должны были рождаться в рр-столкновениях: р+р- И' +Х и р+р — о+Х, 126 1лава 3. Фундаментальные частицы Стандартной модели (р = цдс!) и трех антикварков (р = ййй). Промежуточные бозоны рождаются в кварк-антикварковом взаимодействии: ц+д-~ Иг~; й+д-~ И'; и+й-«Я; д+д-~ Я. (3.60) Таким образом, остальные два кварка и два антикварка при каждом ррстолкновснии с рождением промежуточного бозона не участвуют в этом процессе (являются «наблюлателямиь) и продолжают свое движение в направлении движения первичных рр-пучков (это направление будем называть продольным), формируя струи адронов и антиадронов.
Время жизни промежугочного бозона 3 !О м с и заФиксировать его рожление можно лишь по факту его распала. В большинстве случаев промежуточный бозон распадается на пару кварк — антикварк, разлетаюгцуюся в противоположные стороны, Однако искать И'- и Я-бозоны по кварк-антикварковой ветви их распада нецелесообразно, так как кварк и антикварк такого распада «тонуть в огромном фоне кварков- и антикварков-наблюдателей, не участвующих в рожлении И'- и Я-бозонов и превращающихся в струи адронов и антиалронов.
Распады Иг- и Я-бозонов на лептоны, в результате которых эти лептоны вылетают в направлениях, перпендикулярных или близких к ним относительно линии столкновения протона и антипротона (эти направления называются поперечными), более належно выделяются из адронного фона. Речь идет, прежде всего, о распадах Иг~- е++и,; Иг — е +й„' У- е++е, (3.61) где и, и й, — электронное нейтрино и антинейтрино. Следует отметить, что вероятности рожления И'+ и Я в рр-столкновениях с последующим их распадом по лептонным каналам (3.6!) очень малы — соответственно около !О " н 10 ь от полной вероятности всех процессов, проявляющихся при рр-столкновении.
Планировалось искать Иг- и Я-бозоны по их распадам на лептоны (3.6!), летящие в поперечном направлении, т.е, под углами, близкими к 90" относительно направления движения сталкивающихся рр-пучков. Этими лептонами обязательно должны были быть либо электрон или позитрон (распад Иг или И'е) и соответствующие им антинейтрино и нейтрино, либо электрон и позитрон (распад Я).
Легко представить себе характеристики «идеальногоь для идентификапии события рождения, например, И" -бозона. Имеющие близкие массы и скорости и и д-кварки испытывают лобовое столкновение, и Иг -бозон рождается в состоянии покоя с тис' 80 ГэВ. Далее И' распадается на электрон и электронное антинейтрино. Они летят в противоположных (и поперечных) направлениях с одинаковыми импульсами и практически одинаковыми энергиями Ь(е) Ь(й«) - тггс'/2 40 ГэВ (массы электрона и антинейтрино ничтожны по сравнению с массой И'-бозона). Никаких других частиц, летящих в поперечном направлении, в таком распаде И'=бозона ие должно быть. Таким образом, детектирукипая установка лолжна зарегистрировать электрон с энергией 40 ГэВ, 127 8 3.
Калибровочные батоны летяший в поперечном направлении. Что касается антинейтрино, то оно ускользает из детектируюшей установки без регистрации. >хнтинейтрино — единственная частица, которую установка не в состоянии «унилеть», Итак, событие с одним электроном. летяшим с энергией 40 ГэВ н поперечном направлении, и с недостаюшим поперечным импульсом В'(>7,) р„= — 40 ГэВ>«с с в противоположном относительно электрона напра>шенин является доказательством распала Иг -бозона. Никакой лругой процесс, кроме распала И" -бозона, не может оставить такой след в экспериментальной установке. «Идеальное» событие лля идентификации Я-бозона очевилно. Установка лолжна зарегистрировать электрон и позитрон, летяшие в противоположныс стороны в поперечном направлении с одинакоными энергиями Е(е«) и Е(е ) п>лс'>'2 а 45 ГэВ. Никаких других частиц нс должно быть. Перейлем к описанию эксперимента.
Начнем с ускорителя (рис. 3.18). Ускоритель Ярри был создан в результате модернизации протонного суперсинхротрона ВРЯ. Ускоритель был размешен на глубине 50 м под землей в тоннеле диаметром 4 м. Радиус кольца этого ускорителя 1,1 км (соответстненно ллина кольца 0.9 км). По окружности ускорителя было расположено в периодической последовательности 108 идентичных структур, включаюших в себя около 800 отклоняющих (дипольных) магнитон и более 200 фокусируюших (квадрупольных). Пучок фокусировался попеременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Точность установки фокусируюших магнитов была 0,1 мм. Величина отклоняющего магнитного поля в процессе ускорения увеличивалась от 0,045 до 1,8 Тт. В ускоритель ЯРК протоны поступали уже ускоренными до энергии 26 ГэВ протонным синхротроном РЯ.
В свою очерель в РЯ они 3 2 Рис.3.18. Блок-схема ускорительного комплекса Ярри (не в масштабе); Ярб— основнос кольцо протон-аитипротоиного с>персинхротрона на 270 Г»В; РЯ— протон-антипротониый сиихротрои на 26 ГэВ: ! — предварительный сиихротрон (бустср) на 800 МзВ; 2 — линейный ускоритель протонов иа 50 Мзй; 3— источник ионов; 4 — мишень лля получения антипротонов с энергией 3,5 Гэй, 5 — накопитель антипрото»ов с энергией 3,5 Гзй 128 Глава 3. Фундаментальные частицы Гтондартнои модели инжектировались из предварительного сиихротрона меньших размеров (бустера), где энергия протонов достигала 800 МзВ. В бустер протоны попадали из линейного ускори~еля на 50 МэВ. В этот последний ускоритель они поступали от газоразрядного источника ионов.
Таким образом, $РБ являлся ускорительныч комплексом, состояюич из четырех последовательных ускорителей. При создании Ярри этот комплекс был дополнен системой генерации и ускорения антипротонов. Антипротоны рождались протонами с энергией 26 ГэВ из РЯ, падавшими на медную мишень (доля антипротонов в общем потоке адронов, возникавших в мишени, составляла ГО '). Далее магнитные и электрические поля отбирали антипротоны с энергией 3,5 ГэВ и они поступали в накопитель антипротонов.
Накопители (накопительные кольца) — это устройства для накопления и длительного удержания (часы, дни) пучка заряженных частип на стационарной замкнутой орбите в высоком вакууме при постоянной энергии. Накопленные антипротоны с энергией 3,5 ГэВ направлялись сначала в РЯ. а затем в ЗРЯ, где они, как и протоны, ускорялись до 270 ГэВ, двигаясь в одной и той же ускорительной камере в противоположных направлениях. Для того чтобы лгаксичально увеличить эффективность использования сравнительно небольших пучков антипротонов, применялась процедура ~охлаждения». антнпротонного пучка, которая уменьшала разброс в траекториях и энергиях отдельных антипротонов (т.е., по существу, снижала их тепловой разброс), в результате чего пучки антипротонов становились более плотными и монохроматическими и вероятность столкновения протонов и антипротонов существенно возрастала. Охлаждение происходило в антипротонном накопителе и осушествлялось стохастическим методом, предложенным Ван дер Меером.
Специальный датчик в опрелеленной точке вблизи орбиты антипротонов отслеживал их параметры и при отклонении траектории антипротона от оптимальной посылал сигнал на корректируюшее устройство, располагавшееся примерно через пол-оборота от датчика. В основноч ускорительном кольце (ЯРЯ) врашалось в очень высоком вакууме (!О " торр) по три сгустка (банча) протонов и антипротонов. Их пересечение и столкновение происходило в нескольких точках орбиты, Длина сгустка была 20сч, площадь поперечного сечения 3 !О ь смз, число частиц в сгустке !О'ь — 10п.
Время между столкновениями — 3,8 мкс. Поскольку вероятность взаимодействия при каждом столкновении мала (и !0 'ь см'), пучки циркулировали в ускорительной камере многие часы. В коллайдере ЯррЯ энергии рр-пучков были выбраны равными 270 ГэВ. На первый взгляд кажется, что суммарная энергия сталкивающихся протона и антипротона (270+ 270 = 540 ГэВ) слишком велика, так как намного превышает требуемые для рождения И'- и Я-бозонов пороговые энергии (80 и 90 ГэВ). На самом деле энергия столкновения 540 ГэВ оптимачьна для рождения промежуточных батонов.
Действительно, необходимо принять во внимание, что кварки (антикварки), !29 Э 3. Калибровочные бозоны Электра магнитный калоряметр Трековый детектор Мюонный детектор Адронный калорнл1етр Фвтоны— Мюоны — + ' ! Внешние области детектора Внутренние области детектора Ряе.3.19. Принципы детектирования частиц в экспериментах по физике высоких энергий 1озак зя составляюшие протон (антипротон), несут лишь примерно половину его импульса. Оставшаяся половина приходится на глкюны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
