Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 118
Текст из файла (страница 118)
Эти частицы, конечно, будут обладать и значительной кинетической энергией. Таким образом, большая часть начальной энергии переходит в кинетическую энергию продуктов ядерной реакции, и только сравнительно небольшая ее доля может быть затрачена на образование новых частиц. Напомним решение задачи 58 (гл. ХХ у), в которой было показано, что для образования протон-антипротонной пары в реакции р+р-~р+р+р+р первичный протон должен обладать кинетической энергией В'„>6 тс», хотя «полезные затраты» энергии составляют всего 2 тс». Вся остальная энергия переходит в кинетическую энергию вторичных частиц. Подобная картина имеет место и в других процессах. В отличие от ускорителей с фиксированными мишенями, накопители на встречных пучках позволяют использовать всю начальную энергию.
Основная идея здесь заключается в том, чтобы создать два очень интенсивных и хорошо сфокусированных пучка ускоренных частиц и, направив их навстречу друг другу, осуществить лобовое соударение между ними. При этом суммарный импульс двух сталкивающихся частиц равен нулю, и образующиеся вторичные частицы могут обладать очень малой кинетической энергией (порог рождения соответствует образованию покоящихся частиц). Так, при встречных соударениях двух протонов с кинетическими энергиями К„»)глс» уже могут рождаться «09 протон-антипрогонные пары, и мы имеем значительный выигрыш в энергии, Совсем недавно в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Женева) были проведены опыты со встречными пучками протонов и антипротонов, причем энергия каждого пучка составляла 270 ГэВ.
В этих экспериментах были найдены частицы с массой, почти в 100 раз превосходящей массу протона. Для опытов с фиксированной мишенью с такой же «полезной энергией» потребовалось бы создание ускорителя, рассчитанного на энергию 155 ТэВ) Однако было бы неправильно думать, что следует создавать только ускорители-накопители со встречными пучками. Ускорители с фиксированными мишенями, уступая накопителям по доступной энергии, обладают в свою очередь рядом важных преимуществ. Прежде всего становится возможным проводить исследования с разнообразными пучками нестабильных или нейтральных частиц *), которых нет на ускорителях со встречными пучками, Кроме того, на ускорителях с фиксированными мишенями.
можно изучать более редкие явления, так как здесь удается получить значительно большее число соударений. Поэтому исследования с «обычными» ускорителями и со встречными пучками взаимно дополняют друг друга и вместе дают очень важную информацию о физике элементарных частиц. В табл. 12 приведены основные параметры самых больших существующих и строящихся ускорителей. Для проведения опытов на современных ускорителях, помимо больших пузырьковых камер Я 235), потребовалось создание огромных и очень сложных экспериментальных установок, которые по своим масштабам сравнимы с самими ускорителями (рис.
422). В состав этих установок входят большие магнитные спектрометры, тысячи быстродействующих сцинтилляционных счетчиков, десятки тысяч газоразрядных детекторов, очень напоминающих пропорциональные счетчики (о таких счетчиках говорилось в э 213). Эти и другие приборы, входящие в экспериментальные установки, позволяют определять траектории частиц, *) В опытах на ускорителях с фиксированными мишенями формируются пучки вторичных заряженных частиц с определенными импульсзми — я-мезонов, протонов, мюонов и друтих частиц.
При этом используются отклонения частиц в магнитных полях (обратно пропорпнонзльные их импульсам). Применение магнитных полей с определенными сложными конфигурациями позволяет фокусировать пучки частиц (подобно тому как оптические линзы фокусируют световые пучки). Пучки нейтральных частиц выделяются коллиматорами и очищаются от заряженных частиц магнитными полями, х«о Т а блица 12.
Самые болыиие ускорители А. Ускорители о фиксированными мишеяями о» з з о ° мк Название ускорителя Прззлзсваиие 51.ЛС Стэнфорд, СШЛ 196! 5,8 24 Р5 (ЦЕРН) Женева, Швейцария 1959 зз ЛСз5 (В)лз1) СШЛ 1960 6,2 !967 !972 !983 500 800 29 37 1976 450 5Р5 (ЦЕРН) Женева, Швейцария УНК (ИФВЭ) Протвино, СССР р 3000 73 Соору- жается Б.
Накопители со встречными пучками е+е- ВЭПП-4 (ИЯФ) Новосибирск, СССР !978 611 Протонный синхротрон (ИФВЭ) Протвино, СССР Протонный синхротрон Теватрон (Рз«)Л1) Батавия, СШЛ а и »а ак о» »л з * а» и» с » « „оз л «С и « а ой Ускоритель на 500 ГэВ переделан в Теватрон (энергия будет поднята до 1000 ГэВ) Т а 5 ли ц а 12 (продолжение) г!Римечааие 1978 е'е 1978 1983 19 23 15 30 1980 е-е 31 62 197! Закрмт в !984 г.
270 450 198! 1985 540 900 Соору- жаетсн 1000 2000 Соору- жаетсн 50 100 е" е Соору- жается Первая оче- редь 50 100 Вас Соору- жается е 30 Р 820 314 7УЕ)7А (РЕ5У) Гамбург, ФРГ е "Р Соору- жается 3000 6000 612 Назааиис иаиоиатеаа со астжечсьюа пучками СЕВЕ Корнелльский ун-т, СШЛ РЕ7'Р~ Л (ОЕВУ) Гамбург, ФРГ РЕР (51.АС) Стэнфорд, СШЛ !5К (ЦЕРН) Женева, Швейцария 5Р5-коллайдер ДЕРН) Женева, Швейцарка Теватрон-коллайдер (Г НАС) Батаани, СШЛ 5ЕК (ВЕЛС) СтэпФорд, СШЛ СЕР (ЦЕРН) Женева, Швейцария УНК (ИФВЭ) Протвино, СССР и ах Оо и хм х ь' с Иоа са х~ х х о Энергия пучков была уаеличе- на Энергия пучков уве- личена в !985 г.
измерять их энергию, импульс, скорость, ионизацию, идентифицировать частицы и подробно исследовать характеристики взаимодействий. В состав таких установок обязательно входят несколько электронно-вычислительных машин, Рис. 422. Общий вид экспериментальной установки ()А-!, на которой проводились исследования рр-соударений на самом большом в мире ускорителе-накопителе со встречными протонным и антипротонным пучнами (ЗРЯ-коллайдер ЦЕРН, см. табл. !2). Установка ()А-! — это огромный магнитный спектрометр для измерения импульсов вторнчвых частиц, образующихся в рр-соударениях. Частицы регистрировались в газоразрядной камере (она видна в центре установки). Камера представляет собой совокупность большого числа газоразрядных детекторов частиц, напоминающих пропорциональные счетчики. С помощью этих детекторов определяются траектории частиц.
В состав установки входит также большое число сцинтилляционных счетчиков с помощью которых быстро обрабатывается полученная информация, настраиваются многочисленные элементы аппаратуры, контролируется затем правильность их работы, получаются первые физические результаты, позволяющие следить за проведением эксперимента в целом. Полученные в процессе измерений огромные объемы информации после некоторого предварительного отбора записываются на магнитные ленты и затем обрабатываются на самых больших и быстродействующих электронно-вычислительных маши- б)З Рис, 423, Снимок с дисплея ЭВМ, работающей вместе с устаиовкой 1)А-1 !рис.
422). На снимке зарегистрировано одио из рр-соудареиий при энергии 270 ГэВ 1р)+270 ГэВ 1р), Информация со всех детекторов установки, обработаииая иа ЗВМ, позволяет определить траектории частиц и получить полную картину взаимодействия, иесколько иапол~ииающую снимки с пузырьковых камер. Импульсы частиц измерялись по кривизне их треков в магнитном поле. Как видно из снимка, взаимодеиствия при таких высоких энергиях носят очень сложный характер: в иих образуется большое число вторичных частиц нах. На рнс.
423 приведен снимок с дисплея ЗВМ, на котором показан внд одного нз событий, зарегнстрованных на установке БА-! (рнс. 422). Вот с какими сложными процессами приходится нметь дело в современном физическом эксперименте. 5239. Адроны н кварки. Исследования на больших ускорителях сильно расширили наши представления об элементарных частицах. Прежде всего это касается самого 614 многочисленного семейства частиц — адронов, т. е. частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, В настоящее время известно несколько сотен таких адронов — барионов (частиц с барионным зарядом В=-~-1), антибарионов (В= = — 1) и мезонов, у которых барионный заряд равен нулю.
Большинство этих частиц распадается на другие адроны из-за сильных взаимодействий. Они имеют малые времена жизни, характерные для ядерных процессов (-1О "с, см. Ч 234). Столь короткие временные интервалы не могут быть измерены непосредственно и определяются из косвенных данных. Однако есть адроны и с временами жизни Р0 '— 10 "с. Распады этих долгоживущих (по ядерным масштабам) частиц обусловлены слабыми взаимодействиями, Пока элементарных частиц было известно немного, они считались «кирпичиками» мироздания: из них строилось все многообразие атомов. Теперь же число элементарных частиц превышает число химических элементов, и само понятие «элементарная частица» для адронов явно утратило свое первоначальное значение. В физике элементарных частиц нет сейчас законченной теории, которая позволила бы объяснить все основные явления, выявить главнейшие закономерности и достигнуть той же степени понимания, которая существует в классической механике нли электродинамике.
В подобной ситуации особое значение приобретают попытки феноменологического анализа и классификации физических явлений, основанные на определенных законах сохранения. Эти законы позволяют ориентироваться в том, какие процессы могут, а какие не могут происходить в природе. Вспомним, например, закон сохранения барионного заряда, о котором говорилось в предыдущей главе. Согласно этому закону в любых процессах разность между числом барионов и антибарионов не изменяется. Для математического выражения этого закона мы приписали барионам значение барионного заряда В=+ 1, антибарионам — значение В= — 1, а для всех других частиц положили барионный заряд равный нулю.
Тогда сохранение числа барионов и означает сохранение барионного заряда. Для суждения о возможности той или иной реакции необходимо прежде всего проверить, сохраняются ли в этой реакции электрический и барионный заряды. Рассмотрим, например, процесс Р+Р- Р+Р+Р+Р. (239.1) Исходные частицы имеют суммарный барионный заряд б15 ~я~В=+1+1==2. Для частиц в конечном состоянии ~ч~РВ= начнньн нонечн =1+1+1 — 1 — 2. Другими словами, барионный заряд в начальном и конечном состоянии одни и тот же (чу~В=~В), ннчнньн ньнечн и реакция может идти.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
