Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Так как кварки н и «! имеют примерно одинаковые массы, то на каждый из трех кларков протона приходится 1/6 энергии протона. Таким образом, оптимальная энергия столкновения кварка и антикварка, которая в процессах (3,60) может быть использована на рождение промежуточного бозона, составляет примерно 1/6 от величины 540 ГэВ, т, е, около 90 ГэВ, Для регистрации событий (3.61) распада И'- и Я-бозонов были созданы две установки: 13А! и 13А2, которые устанавливались в разных точках столкновения рр-пучков и работали независимо.
Такое дублирование является характерным для экспериментов в физике высоких энергий и обеспечивает однозначность конечного результата эксперимента. 13А! и 13А2 несколько отличаются друг от друга. 13А означает сокрашенное словосочетание цпбегягонпб агеа — подземная зона. Экспериментальные установки, как и ускоритель, находились под землей.
Ограничимся описанием установки 1!А1. детекторы, используемые в физике высоких энергий для регистрации частиц, состоят, как правило, из нескольких структур, входяшнх в состав единой установки. Каждая структура рассчитана на регистрацию частиц с определенными характеристиками. Отдельные структуры детектора рас- 130 Глава 3. Фундаментгое»ные настены Сгнандар«лной моделя положены так, чтобы различного типа частицы, последовательно проходя через них, оставляли определенную информацию о себе. На основе этой информации затем восстанавливаются такие характеристики частицы, как ее тип, энергия„импульс, характеристики распада.
Принципы детектирования частиц иллюстрируются рис. 3.19. Частицы последовательно проходят различные структуры детектора. Заряженные частицы, такие как протоны, пионы и каоны, детектируются грековым детектором (он расположен ближе всего к точке реакции) и далее — электромагнитным и адронным калориметрами. Электроны детектируются грековым летектором и электромагнитным калориметром. Нейтральные частицы, такие как нейтроны и фотоны, не детектируются в грековом летекторе.
Фотоны летектируются электромагнитным калориметром, а нейтроны идентифицируются по энергии, вылеляемой в адронном калориметре. Так как мюоны имеют максимальный пробег в веществе детектора из всех регистрируемых частиц, для их детектирования обычно используют внешние участки детектора — мкюнный детектор. Таким образом, каждый тип частиц имеет свою собственную «подпись» в детекторе. Например, если частица обнаруживается только в электромагнитном качориметре, то, скорее всего, зто фотон. Мюон оставляет информацию во всех структурах детектора.
Многослойная структура детектора позволяет восстановить траекторию частицы и определить точку се образования с точностью несколько кгикрон. Общий вид установки !ЗА! показан на рис. 3.20. 1ЗА! является сложной системой детекторов различного типа с общими размерами 10 х 5 х 10 мз и массой 2 000 т. Управление работой летектора и обработка информации с него осуществлялась на 24-х ЭВМ, Пучки протонов и антипротонов попадали в детектор с двух противоположных сторон и сталкивались в его центре. Точка соударения рр-пучков находилась внутри центрального детектора, имевшего форму цилинлра длиной 5,8 м и диаметром 2,3 м.
В центральной части детектора располагались большие дрейфовые камеры, помешанные в магнитное поле. Общее число проволочек в этих камерах было равно 23000. Магнитное поле 0,7 Тл создавалось в объеме 7 х 3,5 х 3,5 мз. Пентральный детектор позволял восстановить траектории частиц, рождавшихся при рр-столкновениях, определить их импульсы и ионизационную способность. Максимальное время дрейфа электронов, возникающих при ионизации заряженной частицей атомов газовой смеси в дрейфовой камере, было З,б мкс, т.е. несколько меньше временнбго интервала 3,8 мкс между лвумя последовательными столкновениями сгустков протонов и антипротонов.
центральный детектор был окружен электромагнитным калорнметром, состоявшим из чередующихся слоев свинца и сцинтиллятора. В калоримстре поглогцались электроны, позитроны и фотоны и измерялась энергия этих частиц. Электромагнитный калориметр в сочетании с центрачьным детектором позволял различить электроны, позитроны и адроны. э 3. Калибровочные боэоиы Рис. 3.20. Схема установки ПА !. Пучки протонов и антипротонов влетают в детектор с лиаметральио противоположных сторон (справа и слева) и, лвигаясь навстречу вдоль оси вакуумной трубы, сталкиваются в середине центрального детектора Энергичные алроны проходили через электромагнитный калориметр и попадали в адронный калориметр, которым служило железное ярмо магнита, проложенное слоями сцннтилляторов.
Информация с алронного и электромагнитного калориметров позволяла определить энергию н направление движения регистрируемых ими частиц. За пределы адронного калориметра из заряженных частиц могли выйти только мюоны (д"). Для их регистрации предназначался мкюнный детектор, который являлся самой внегцней детектнрующей оболочкой !лА!. Мюонный детектор представлял собой несколько слоев дрейфовых камер. Детектор ()А! регистрировал и идентифицировал все частицы, кроме нейтрино и антинейтрино, вылетавшие во всех направлениях, кроме тех, которые образуют очень малые (< 0,2') углы относительно оси сталкивающихся рр-пучков. Уникальные возможности !лА! позволяли зарегистри1о 132 Глава 3.
Фундамента«нные частица Стандартной модели ровать практически все события взаимодействия протонов и антипротонов и реконструировать картину каждого из них. Сечение рождения И'-базанов в РР-столкновении -5. 1О 'з см'. Лишь примерно 8% родившихся И'-базанов распадаются по каналу И" -» е+ и, который необходимо было обнаружить.
Рождение же Я-бозонов и их распад по каналу У вЂ” е+ + е происходит почти в 1О раз реже. В 30-дневном сеансе в ноябре — декабре 1982 г. в результате 1 млрд РР-соударений было зафиксировано 6 событий И' — е+ и. Последовательность выделения этих шести событий из 10« рр-соударений была следующей. Вначале было отобрано около 10' событий, в которых вылетающие частицы имели большие (> 10 ГэВ/с) импульсы в поперечном направлении относительно оси рр-пучков.
Далее были оставлены 140 000 событий, содержавших электрон или позитрон (он идентифицировался по характеру ливня в электромагнитном калориметре). Из них выбрали 28 000 случаев, отвечавших появлению в электромагнитном калорнметре ливня с поперечным импульсом > 15 ГэВ/с. Затем оставили 2 125 событий, в которых ливни в электромагнитном калориметре являлись продолжением четкого одиночного трека заряженной частицы в центральном детекторе с поперечным импульсом > 7 ГэВ/с. В результате применения еще нескольких критериев из этого числа было оставлено 39 самых надежных событий, каждое из которых анализировалось «индивидуально». Конечный итог всего анализа — 6 событий образования н распада И' — е + и.
К тем же шести событиям привел и альтернативный метод отбора. В нем из уже упомянутых 2 125 случаев были оставлены лишь те, в которых наблюдались большие (10-40 1эВ/с) недостающие поперечные импульсы, уносимые нерегистрируемыми частицами (ими могли быть только нейтрино и антинейгрино). Еше 4 события Иг — е+ и бьши найдены на установке !ЗА2. В следующих экспериментальных сеансах (1983 г,) было получено уже несколько десятков событий рождения и распада Иг-базанов, Кроме того, были обнаружены первые 13 случаев рождения и распада Я-базанов. Данные этих экспериментов позволили определить массы И'- и Я-бозонов: гпи с~ = (8! ж 2) ГэВ, «вас .= (93 ж 2) ГэВ, которые практически совпали с предсказываемыми электрослабой теорией.
В 1984 г. К. Руббиа и С. Ван дер Меер были удостоены Нобелевской премии «за определяющий вклад в проект, осуществление которого привело к открытию частиц, переносящих слабое взаимодействие». ф 4. Число поколений фундаментальных фермионов Экспериментальное исследование Я-бозона имело особое значение в проверке Стандартной модели и уточнении ее параметров. Я-бозоны в 4. Число поколений ф>ндаментольных фермионоо 133 удобно генерировать в еье -аннигиляции: е +е — Я. (3.62) Энергия столкновения в этом процессе контролируется со значительно большей точностью.
чем если бы Я-бозоны рождались в столкновении кварка и антикварка, входящих в состав протона и антипротона ррколлайдера. Наиболее прецизионные данные о Я-бозоне были получены на двух ее'е -коллайдерах — Я С (СЛАК, США) и 1.ЕР (ЦЕРН, Швейцария). Одним из наиболее существенных результатов этих исследований было определение числа лептонных поколений. Было показано, что их действительно три. Тем самым было подтверждено, что существует только три поколения фундаментальных фермионов.
Так как все эти фермионы обнаружены, то мир фундаментальных частиц с полуцелым спином нам полностью известен. Время жизни Я-бозона 10 " с, и его можно наблюдать только по распаду на другие частицы. Я-бозоны распадаются на кварк-антикварковые (егб) пары с участием всех кварков, кроме 1 (его масса слишком велика), и пары лептон-антилептон всех поколений: (3.63) Я - д + д, где д = д, и, а, с, Ь; ем +е -( е ге + ее т +т (3.64) не+ Ре (3.65) Р„+ Р„ Рг + Р Я-бозон должен наблюдаться в виде резонанса в кривой зависимости числа распадов Я-бозона от энергии столкновения е" е . Максимум числа распадов будет приходиться на энергию Ее+ + Е; = пзхс' — 9! ГэВ. Ширина Г резонанса связана с его временем жизни г соотношением Гт Ь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
