С. Трейман - Этот странный квантовый мир (1129358), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Например, протонный пучок на ЗО Гэв в Брукхейвенском ускорителе производит несколько триллионов событий за секунду на твердой мишени. А сталкивающиеся протон-антипротонные пучки на 900 Гэв на теватроне лаборатории им. Ферми производят чуть меньше, чем миллион событий за секунду. Какого рода заряженные частицы могут быть ускорены на установках высокой энергии? Известны сотни частиц, но только некоторые из них действительно можно использовать, Это электроны и протоны— частицы, из которых состоят атомы; в некоторых случаях можно использовать атомные ядра, воспринимая их как единую величину.
Следовательно, тип пучка, который необходим на первой стадии любого ускорительного комплекса — это пучок, образованный электроном, протоном и различными атомными ядрами. Ингредиенты конденсированной среды — мишени: электроны, протоны, нейтроны и атомные ядра тоже можно рассматривать как партнеров по столкновению на установке с неподвижной мишенью. Взятые вместе, они позволяют рассматривать различных партнеров: электрон-электрон, электрон-протон, протон-протон, нейтрон-протон, ядро-ядро н т.д.
Все они учитываются. Кроме них, могут использоваться частицы, сами возникшие в первичных соударениях. Если они живут достаточно долго, то они могут привести ко вторичным столкновениям; если недостаточно долго, то к продуктам распада. Таким образом, на экспериментах с неподвижной мишенью становятся возможными вторичные пучки из фотонов, нейтрино, позитронов, антипротонов, пионов, К-мезонов, мюонов и многих других заряженных и нейтральных частиц. Например, для нейтрино-протонных эксперимен- 174 Глава 8 тов по рассеянию используют в основном нейтрино, полученные при пионном распаде. Эти пионы сами по себе получают при бомбардировке неподвижной мишени энергичным протонным пучком.
Некоторые из этих вторичных частиц могут быть так же использованы, чтобы образовать один или два пучка в коллайдере. Для такого использования вторичные частицы должны быть собраны, сохранены и разогнаны по энергии. Для этого требуется, чтобы частицы достаточно долго жили и обладали электрическим зарядом. Это требование в настоящее время сильно ограничивает использование позитронов и антипротонов в качестве пучков на коллайдере. Когда встречается упоминание о протон-антипротонных коллайдерах, надо понимать, что эти антипротоны собраны из осколочных продуктов, появляющихся при ударе протонного пучка о конденсированную среду мишени. Точно также электрон-позитронные коллайдеры получают свои позитроны из осколков столкновения падающего электронного пучка с твердой мишенью.
Сегодня в мире существует девять основных ускорительных центров: лаборатория им. Ферми, Стэнфорд, Корнелл и Брукхейвен в Соединенных Штатах; ЦЕРН (Женева) и РЕБ'г' (Гамбург) в западной Европе; КЕК в Тцукубу, Япония; Институт высоких энергий в Бейджинде, Китай; и Институт Будкера в Новосибирске, Россия.
Теватрон лаборатории им. Ферми является ускорителем с наивысшей энергией частиц во всем мире. Он ускоряет протоны и антипротоны до 900 Гэв и направляет их либо в коллайдер, либо на неподвижную мишень. Энергия пучков в системе центра масс достигает 2 х 900 = = 1800 Гэв; но неподвижная мишень используется для получения необходимых вторичных пучков нейтрино, пионов, мюонов и других частиц. Кроме этого ускорителя в мире интенсивно используют протонные пучки высокой энергии в Брукхейвене, там имеется устройство с неподвижной мишенью на 30 Гэв.
Там же скоро вступит в строй коллайдер на тяжелых ионах. Электрон-позитронный коллайдер высокой энергии работает в ЦЕРНе. Он представляет себой круговое устройство радиусом 26 км. Каждый пучок имеет энергию около 90 Гэв. В середине первого десятилетия двадцать первого века в ЦЕРНе должен вступить в строй коллайдер на протон-протонных пучках с энергиями до 7 Тэв. Это в семь раз больше энергии теватрона! ЦЕРН также использует устройство с неподвижной мишенью с энергией 440 Гэв.
Ускоритель в Стзнфорде представляет собой электрон-позитронный коллайдер с энергией пучков 45 Гэв. Он отличается от остальных существующих в мире тем, что он первый и единственный имеет линейный коллайдер (все остальные — круговые устройства) и может явиться предшественником появления больших линейных ускорителей. Другие электрон-позитронные коллайдеры используются в Японии (32 Гэв на пучок), Корнелле (5 Гэв) и России (0,7 Гэв). Остальные электрон-пози- Свойства и закономерности тронные коллайдеры, спроектированные для специальных исследований, находятся под реконструкцией в Тцукубу, Стэнфорде и Корнелле.
Ускоритель РЕЯ' является электрон-протонным коллайдером, единственном в своем роде. Энергии пучков равны 30 Гэв и 800 Гэв для электронов и протонов соответственно. Свойства и закономерности Пространственно-временные симметрии Структура субъядерного уровня очень сложна. Существует великое множество различных типов частиц и очень большая область реакций распада и столкновений между ними. Люди, работающие в этой области наук, как и в других, убеждены, что за всем этим многообразием должна скрываться некоторая «простота»; действительно, по данным рассеяния могут быть определены различные свойства и симметрии.
Физики, занимающиеся частицами, часто создают целые рапсодии на теме симметрий в законах природы, хотя совершенно ясно, что точные симметрии, даже если они существуют, нарушены. Но эти рапсодии хорошо обоснованы. К сожалению, они не часто встречаются, поэтому романтический дух в поэме дополняется изрядной долей математики и квантовой механики. Мы приступаем к прозе. Основной набор принципов симметрии появился еще в прошлом, в классической физике Х!Х столетия: законы сохранения энергии, импульса, углового момента.
Некоторые сомнения относительно сохранения энергии возникали при открытии !)-распада, но вскоре они исчезли. В настоящий момент можно не сомневаться в том, что эти три закона, в отличие от остальных, являются точными. Действительно, они отражают глубокую суть принципов пространственно-временной симметрии: закон сохранения энергии следует из того, что основные законы природы не меняются во времени (они одинаковы вчера, сегодня, завтра); закон сохранения импульса следует из того, что законы природы не зависят от выбора положения в пространстве (одинаковы здесь и там); угловой момент — из независимости законов природы от ориентации системы отсчета (они одинаковы в лабораториях, повернутых друг относительно друга). Неизменность законов природы выражается в принципах симметрии, заложенных в специальную теорию относительности, которая включает в себя инвариантность относительно вращений и требует, чтобы основные законы природы имели одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета.
Кинематика специальной теории относительности сегодня постоянно используется в ускорителях высоких энергий. На глубоком теоретическом уровне требования специальной теории относительности составляют жесткий каркас для возможной структуры квантовой теории поля. 176 Глава 8 Помимо отмеченных выше принципов пространственно-временной симметрии — инвариантности законов природы относительно сдвигов по времени 1от одного момента к другому), пространственных сдвигов 1от одного положения к другому) и преобразований Лоренца (от одной инерциальной системы отсчета к другой) — есть два других классических источника, которые рассматривались как кандидаты на роль симметрии в квантовом мире: сохранение чеганости и обращение времени.
Первое из них классически состоит в предположении, что законы физики инвариантны относительно одновременного обращения всех положений и всех импульсов: г — — г, р — — р. При этом заметим, что угловой момент Х = ах р остается неизменным, поскольку т и р одновременно меняют знак. Классический пример; предположим, что частица движется в независящем от времени, центральном потенциале Г1г), и предположим, что е1г) — некоторое решение ньютоновских уравнений движения. Тогда после преобразования, которое обозначено штрихом, мы снова получим некоторое другое решение 1это легко проверить): е'1т) =- — г1т), отсюда р'1г) = т —" = — р11). Эти соотношения переводят одно решение Ж в другое, отличающееся знаком векторов положения и импульса.
Говорят, что центральный потенциал обладает инвариантностью относительно преобразования четности. Инвариантность относительно обращения времени означает, что законы природы неизменны при одновременном изменении знака времени и импульса, при этом вектора положения не меняются. Опять классический пример: предположим, что потенциал не зависит от времени. Тогда если т(т) является решением уравнений Ньютона, при этом г'Я = е( — Е), то, следовательно, р'1т) = — рЯ. Уравнения Ньютона относительно обращения времени остаются инвариантными. Классическое понятие симметрии относительно преобразований четности и обрагцения времени, проиллюстрированные выше, часто некритична принимались как гипотеза для микроскопического мира в богатом контексте квантовой механики, Чтобы проиллюстрировать эти заблуждения, сначала для инвариантности относительно четности, рассмотрим полное поперечное сечение для пиона, падающего на покоящийся протон.
Предположим, что пион, который является безспиновым, движется на север, и спин протона тоже ориентирован на север. Напомним, что преобразование четности обращает направление импульса, но не вектора углового момента, т.е. не спина. Таким образом, инвариантность относительно четности приводит к тому, что поперечное сечение не меняется, если движение пиона, но не спин, меняет направление: пион движется на юг, спин ориентирован на север. Но инвариантность относительно вращения говорит, что поперечное сечение не изменится, если, начиная с описанной ситуации, мы повернем импульс на 180'.
Это приводит нас к пиону, снова движущемуся на север, но спин протона теперь ориентирован на юг, 177 Свойства и закономерности Таким образом, гипотеза инвариантности относительно преобразований четности, совместно с врашательной инвариантностью, говорит нам, что полное сечение рассеяния не должно чувствовать, куда направлен спин протона. Инвариантность относительно обращения времени в квантовой механике является более тонким вопросом Для иллюстрации рассмотрим реакцию, когда два тела снова переходят в два: а + Ь вЂ” с ч- а'. При обращении времени все импульсы и спины меняют направление; более точно, поскольку мы обращаем течение времени, меняется направление всех стрелок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
