mukhin-fizika-elementarnykh-chastits (810757), страница 22
Текст из файла (страница 22)
В процессе рождения пары частица — античастица обычно происходит обратный процесс преобразования кинетической энергии или энергии излучения в энергию покоя. Античастицами нуклонов являются антипротон р н антинейтрон Я. В соответствии со сказанным выше антипротон должен иметь массу, спин и время жизни протона (т. е. быть столь же стабильным, как и протон), отрицательный электрический и барионный заряды, отрицательную внутреннюю чети ость и равный по значению, но противоположный по направлению магнитный момент.
Аналогично должна существовать частица, зарядово-сопряженная нейтрону, антинейтрон с такими же, как у нейтрона, массой, спином и временем жизни, с нулевым электрическим зарядом, с отрицательным барионным зарядом и внутренней четностью и с магнитным моментом, равным по значению магнитному моменту нейтрона, но направленным противоположно. При встрече нуклона с антинуклоном должен происходить процесс их взаимной аннигиляции, т.
е. превращение в другие частицы. В процессе аннигиляции выделяется огромная энергия, равная удвоенной энергии покоя Ъпяс2, которая переходит в энергию покоя, кинетическую энергию и энергию излучения (для у и к) новых частиц, образующихся в результате аннигиляции. Заметим, что основная особенность античастиц (антипротона, антинейтрона, позитрона), заключающаяся в свойстве быстрой аннигиляции при попадании их в вещество, объясняется не какими-то специфическими свойствами античастиц по сравнению со свойствами частиц (как те, так и другие в равной степени обладают свойствами аннигилировать при встрече со своим зарядов о-сопряженным партнером), а несимметрией устройства нашего мира. Действительно, все атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов.
Поэтому позитрон, антипротон или антинейтрон, попадая в вещество, неизбежно встретятся с одним из бесчисленного множества своих зарядово-сопряженных партнеров, в результате чего произойдет аннигиляция. Можно себе представить мир, устроенный из античастиц,— антимир. Атомы в этом мире состояли бы из позитронов, антипротонов и антинейтронов и, так же как обычные атомы, обладали бы свойством стабильности. Зато электрон, протон У 9З. Зарядовое сонрялсение. Частицы и античастицы 113 (93.2) ' Формулу (9К2) ле~ко получить, приравняв между собой два вырывания для ииварианта Е' — Р 'с' (Š— полная энергия, Р— полный импульс взаимодейсгвуюьцик частиц): в л.
с. к.— до взаимодействия и в с. ц, и,— после него. и нейтрон вели бы себя в антимире подобно античастицам в нашем мире: они быстро аннигилировали бы при попадайии в антивещество антимира. Если отвлечься от несимметричного устройства нашего мира, то античастица является столь же стабильной, как и частица. Например, позитрон и антипротон стабильны в вакууме. Реакция аннигиляцни — это реакция нового типа, сопровождающаяся «исчезиовением» нуклона и антинуклона и образованием новых частиц (я-мезонов или реже — К-мезонов и уквантов). Разумеется, как и в процессе аннигиляции познтрона, речь идет не об исчезновении, а о переходе веп(ества и энергии из одной формы в другую, Новый ядерный процесс должен подчиняться законам, которые описывают рассмотренные ранее ядерньсе процессы, в частности закону сохранения барионного заряда.
Только, .записывая процессы с участием антинуклонов, последним надо приписывать отрицательный барионный заряд Вл= — 1. Таким образом, обобщенный закон сохранения барионного заряда гласит: в ядерных процессах с участием нуклонов и антинуклонов сохраняется разность их количества. В соответствии с этим образованием антинуклонов в нуклоннуклонных соударениях возможно по схеме У+ У-+У+1Ч+)у+У. (93.1) Из этого уравнения следует, что образование антинуклона может происходить только вместе с нуклоном, подобно тому как при рождении (е — е )-пары позитрон образуется только вместе с электроном, При этом по отношению к процессам рождения и аннигиляции оба типа нуклонов (р и л) и антинуклонов (р и й) выступают симметричным образом.
Это означает, что процесс аннигиляции наблюдается при столкновении любого нуклона (р или и) с любым антинуклоном (р и й). То же относится и к процессу их совместного образования. (Разумеется, при составлении соответствующих уравнений надо учитывать закон сохранения электрического заряда.) В связи с парным рождением нуклона и антинуклона энергетический порог образования антинуклона Т„„„ оказывается значительно выше его энергии покоя. Он может быть вычислен по формуле* (Мзсз)з — (М,сз)з Т ыа» 2Мс 3 Гаева Хгтй Аинмиуклоиы и аитиядра 114 где М,— масса образующихся частиц; М,— масса сталкива- ющихся частиц; М вЂ” масса частицы-мишени.
Для процесса (93.1) и (93.2) получаем т' ( вс ) ( вс ) 2 ыии з пзре ив с (93.3) или 5,6 Гэй. Существуют причины, из-за которых порог образования антин уклонов может снизиться,— это внутреннее движение нуклонов ядра мишени и образование антннуклонов через посредство предварительно возникающих я-мезонов. Однако порог и в этих случаях получается приблизительно равным 4 ГэВ*.
Поэтому не удивительно, что антннуклоны долго не удавалось обнаружить ее. $4у4. Антипротон в Учет обоих факторов снижает порог примерно до 3 ГэВ. в' Несколько случаев, напомниающих образование антипротонов. было зарегистрировано с помощью камеры Вильсона н фотоэмульсий, облученных космическими дучами до открытия антипротона на ускорителе. Однако иитерпретапня этих случаев была неоднозначна. ввв Название ускорителя протонов в Беркли (США) на энергию б,3 ГзВ.
Антипротон был обнаружен в 1955 г. американскими физиками Сегре, Чемберленом, Вигандом и Эпсилантисом. Схема опыта изображена на рис. 360. В камере бэватрона*е* бомбардир он алась медная мишень М протонами с энергией 4,3 — 6,2 ГэВ. На пути предполагаемого полета антипротонов построили коллиматор, по обе стороны которого были расположены магнитные фокусирующие линзы Л1 и Л2 и отклоняющие магниты М1 и М2, рассчитанные так, чтобы прн заданной величине магнитного поля через них могли проходить частицы, имеющие единичный отрицательный заряд и вполне определенный импульс р = 1,19 ГэВ/с. Кроме антипротонов этим условиям удовлетворяют отрицательные я-мезоны, в огромном количестве рождающиеся при бомбардировке мишени пучком протонов с Т,=6,2 ГэВ (60 000 я-мезонов на 1 антипротон).
Для выделения из мощного потока л-мезонов ничтожно малого количества антипротонов использовались быстродействующие сцин тилля ционные счетчики С1 и С2, которые позволяли измерять время пролета частицей расстояния между счетчиками (около 12 м). Так как пролетное время 1 антипротона и х -мезона с данным импульсом из-за большого 115 б 04. Аиеииротси 40 0 Юб Сб СФ Сб бб Ф,10 бе Р с. Збе Рис. 361 различия в массе значительно различается ',51 1О с и 40 1О ' с соответственно), то отбор по времени пролета в принципе позволяет надежно отсортировать я-мезонные импульсы от импульсов, обусловленных прохождением антипротонов. Рднако к -мезонов очень много, поэтому велика вероятность того, что при последовательном прохождении через систему двух к-мезонов в счетчиках С1 н С2 возникнут импульсы со сдвигом, соответствующим времени пролета антипротона.
Для того чтобы можно было исключить такие ложные импульсы, в систему был включен черенковский счетчик Ч2, который регистрировал частицы, имеющие скорость, соответствующую скорости антипротона с заданным импульсом (0,75<~(0,78), и, следовательно, не срабатывал при прохождении через него х-мезонов с данным импульсом ф=0,99). Счетчики С7, С2, Ч2 были включены в схему совпадений вместе со сцинтилляционным счетчиком СЗ, импульс в котором указывал на то, что частица не испытывала рассеяния в счетчике Ч2 и, следовательно, не отклонялась от заданной траектории при выходе из установки. Таким образом, описанная установка позволяла производить двойной отбор антипротонов от к -мезонов: по времени пролета прн немощи счетчиков С1 и С2 и по скорости при помощи счетчика Ч2.
Однако небольшой процент л -мезонов, испытавших рассеяние в счетчике Ч2, все же может быть нм зарегистрирован, так 11в Глана Х'н11. Антинуиланы и антиндра как в процессе рассеяния изменяется направление движения я -мезона„т. е. условия работы черенковского счетчика (см. 9 27). Для устранения этих ложных импульсов служил счетчик Ч1, отбиравший частицы с Д>0,79, т.
е. срабатывавший при прохождении через него л-мезона (1)=0,99). Таким образом, все случаи прохождения через систему ложных «антипротонов» могли быть легко отброшены, так как они сопровождались импульсом в счетчике Ч1. На рис. 361 показаны графики зависимости числа зарегистрированных случаев при различных настройках системы счетчиков С1, С2. Кривая 1 соответствует настройке системы на регистрацию я -мезонов (цролетное время 40 10 и с); кривая 2 — на регистрацию антипротона (пролетное время 51 1О и с); кривая 3 соответствует случаям, когда имеются сигналы от счетчика Ч1. Всего в первом опыте было зарегистрировано 60 антипротонов. Надежность рассмотренной методики легко проверить.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
