С. Трейман - Этот странный квантовый мир (1129358), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Тогда, в нашем примере протон-протонного рассеяния при низких энергиях единственным важным процессом является упругое рассеяние р+р- р+р. При более высоких энергиях возникает возможность создания отдельного пиона: р Ч- р — р+ р ч- яо, рц- и + я+. При еще более высоких энергиях могут возникнуть два пиона: р+ р — р+ р+ по + я~, р+ р+ я"' + я р+ п + яо + я г, и + п Р яч ", я . Чем выше энергия, тем большее число частиц (и не обязательно пионов) может возникнуть. Такие реакции начинают конкурировать с теми, где число частиц невелико. При наивысп1их достижимых на сегодня энергиях ускорителей возникают каналы реакций, содержащие сотни частиц, смесь нуклонов, мезонов, К-мезонов и многих других.
К этому изобилию добавляется еще и то, что 170 Глава 8 кроме поперечного сечения, любая конкретная реакция характеризуется еще зависимостью от энергии столкновения, а также распределением полученных частиц по угловому моменту и энергиям. На фоне этого богатства процессов и явлений большой проблемой является установление общих свойств и закономерностей. Поиск этих закономерностей связан, как и во многих других науках, с проблемами диагностики и обработки информации. Как мы обсудим чуть позднее, в этом направлении достигнут очень большой прогресс.
Времена жизни, коэффициент ветвления Другое явление связано с нестабильными частицами, которые могут спонтанно распадаться. Как уже говорилось, процессы распада происходят экспоненциально во времени, при этом процесс полного распада характеризуется средним временем жизни (или просто «временем жизниь). Это аналог поперечного сечения для реакций столкновения. Чем меньше время жизни, тем вероятнее распад, В случае, когда имеются конкурирующие возможности распада, отдельные каналы могут быть охарактеризованы их коэффиг(иенщом ветвления. Коэффициент ветвления для любого конкретного распада показывает, какая часть всех возможных распадов происходит через этот канал.
Число возможных доступных конкурирующих процессов распада частично ограничено законом сохранения. Поскольку для рождений частицы требуется энергия (Е =-. гпсз), то более тяжелые частицы, с их большей энергией покоя, обычно имеют большее число возможных каналов распада, чем более легкие. Например, заряженный 71 мезон (с массой 1870 Мэв) имеет дюжину основных каналов распада и множество второстепенных. Заряженный пион (с массой !40 Мэв) имеет только один основной канал распада, пион — мюон + нейтрино.
Это не означает, что второстепенные каналы не представляют интереса. Например, заряженный пион распадается не только по каналу, описанному выше, но также на электрон и нейтрино с маленьким коэффициентом ветвления, равным примерно 10 ~. Открьпие таких редких процессов играет важную роль в развитии нашего понимания так называемых слабых взаимодействий. Редкие столкновения и реакции распада обычно и находятся в центре внимания. Из-за этой редкости они представляют сложную экгпериментальную проблему Современная техника позволяет выполнять в благоприятной ситуации поиск редких событий для процессов к коэффициентами ветвления порядка 10 Ускорители Современные ускорители частиц высокой энергии произошли из нескольких направлений, предложенных в конце 20-х и начале 30-х го- Ускорители дов ХХ века.
Одно из таких направлений связано с циклотроном. Ускорители сегодняшнего дня далеко превзошли своих предков по размерам, сложности, энергиям; но их основная структура осталась той же — для ускорения заряженных частиц до высоких энергий используются электрические поля. В линейном ускорителе это выполняется при одном проходе через ускоритель. В циклических ускорителях (великая идея Лоуренса), магнитное поле заставляет частицу поворачиваться по круговой орбите, позволяя ей проходить через электрическое поле большое число раз. Обычно в новых сложных ускорителях используют оба типа таких устройств, применяемых независимо.
В результате частицы могут быть ускорены от очень низких до очень высоких значений энергии. В так называемых устройствах с неподвижной мишенью вьюокоэнергичный пучок частиц сталкивается в ускорителе с некоторой твердой или жидкой мишенью. Для очень высокоэнергичных процессов, которые здесь рассматриваются, силы, удерживающие в мишени части атомов вместе, пренебрежимо малы, так что во многих случаях мишень может восприниматься как набор независимых протонов, нейтронов и электронов.
Если для данного столкновительного события возможно достаточно хорошо провести измерения, то в общем случае нетрудно определить, являлась ли частица мишени протоном, нейтроном или электроном. В классе ускорителей, известных как коллайдерьн вместо одиночного столкновения падающего пучка с неподвижной мишенью, до высокой энергии ускоряются два отдельных пучка частиц и встречаются в лобовом столкновении. Один из этих пучков, илн даже оба, могут быть также использованы для отдельных экспериментов с неподвижной мишенью. Два типа установок, с неподвижной мишенью и коллайдеры, имеют свои отдельные достоинства.
Для определенности рассмотрим столкновение двух частиц одинаковой массы т, например, столкновение типа протон-антипротон, или электрон-позитрон. Пусть Š— полная энергия относительно лабораторной системы отсчета, кинетическая плюс энергия покоя частицы, летящей в потоке. В типичном коллайдере, две частицы, движущиеся с равными, но противоположными импульсами сталкиваются в лоб. Полный импульс равен нулю, а полная энергия Ис, =- 2Е.
Индекс с означает, что мы находимся в системе отсчета коллайдера. Эта энергия распределяется среди продуктов реакции, какая-то часть входит в энергию покоя новых частиц, какая-то в кинетическую энергию движения. Полный импульс, векторно просуммированный по всем продуктам реакции, по-прежнему равен нулю. Если взять установку с неподвижной мишенью, то частица пучка с энергией Е сталкивается с частицей-мишенью, которая до этого покоилась, так что полная энергия в лабораторной системе отсчета равна Е + тсз. Чтобы сравнить с ситуацией на коллайдере, можно поинтересоваться тем, какова 172 Глава 8 энергия столкновения в системе отсчета центра масс столкновения.
Это система отсчета, движущаяся в направлении пучка частиц со скоростью, такой, что наблюдатель в этой системе отсчета видит, что сталкивающиеся частицы движутся с равными по величине и противоположными импульсами. В системе центра масс столкновение выглядит как событие в коллайдере. Нетрудно найти энергию в этой системе отсчета. Она равна !и = '2 .Чв<- ) Индексы показывают, что эта энергия центра масс соответствует столкновению с неподвижной мишенью, а падающая частица имеет энергию Е в лабораторной системе отсчета. Основной вывод состоит в том, что 1Инм меньше, чем И', при любых энергиях Е.
Она фактически значительно меньше, если Е» гаса, Эквивалентно, энергия Идти в системе отсчета центра масс меньше, чем энергия Е+ тс в лабораторной системе отсчета. В противоположность этому, для коллайдера лабораторная система отсчета и система центра масс совпадают. При этом важно учесть, что только энергия в системе центра масс может быть использована для создания массы покоя. Как эта разница проявляется между неподвижной мишенью и коллайдером? Ответ дает закон сохранения энергии-импульса. В установке с неподвижной мишенью падающие частицы не только обладают кинетической энергией, но еще переносят импульс. Но импульс должен сохраняться при столкновениях. Поэтому его уносят продукты распада, а следовательно, они уносят и кинетическую энергию.
Эта энергия движения «растрачивается» в том смысле, что она не может перейти в энергию покоя и использоваться при рождении частиц. В противоположность этому при лобовых столкновениях полный импульс равен нулю. Полная энергия И'„ может быть использована для перехода в массу покоя, и, следовательно, для рождения частиц. В качестве иллюстрации рассмотрим реакцию р+р — р--р+Х, где Х вЂ” частица массы ЛХ.
Пусть масса протона равна пи Сколько энергии необходимо для столкновения частиц, чтобы достичь пороговой энергии для данной реакции? В коллайдере каждый протон сталкивающейся пары вкладывает кинетическую энергию, равную К„. Ясно, что пороговая кинетическая энергия равна К, = ЛХс~/2. При такой энергии падающих частиц продукты реакции будут покоиться. Для установки с неподвижной мишенью примем пороговое значение кинетической энергии протона равным Кны. Нетрудно проверить, что отношение кинетических энергий частиц в пучках для двух установок равно — — 4 К гп Ускорители Это отношение не меньше 4.
И оно тем больше, чем ЛХ )> яи Таким образом, если энергия покоя частицы Х в 100 раз больше, чем у протона, то пороговая энергия для коллайдера будет 50 Гэв, а для установки с неподвижной мишенью 5000 Гэв! Следовательно, коллайдеры имеют больше возможностей для открытия очень массивных частиц. Но установки с неподвижной мишенью имеют собственные преимугцества. Если пороговая энергия превышена, независимо от того, что используется, коллайдер или установка с неподвижной мишенью, остаток энергии переходит в кинетическую энергию продуктов реакции. Для данной энергии пучков зта энергия достигает больших значений в случае установок с неподвижной мишенью.
Поскольку эти продукты распада используются для проведения вторичных столкновений, то чем выше эти энергии, тем лучше. Установки с неподвижной мишенью имеют и другое преимущество. Пучок падающих частиц приводит к значительно более высокой плотности столкновения в конденсированной среде, чем при лобовом столкновении с другим пучком. Плотность частиц в пучках, конечно, значительно меньше, чем в твердых или жидких средах. Поэтому полное число событий на установках с неподвижной мишенью значительно выше, чем на коллайдерах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
