1611143575-f501d09a54839b58ba6706edb8cfab5f (825041), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Данныеисследования ведутся обычно международными коллаборациями, ипри желании каждый может принять в этом участие.255§ 103. Физика элементарных частицНевозможно охватить все методы изучения свойств материи, поэтому остановимся только на главных направлениях.Ускорители, детекторыОсновным методом изучения материи являются ускорители частиц.Ускоренные частицы затем сталкиваются с частицами неподвижноймишени или частицами, движущимися навстречу (встречные пучки,или коллайдеры, от «collide» – сталкиваться). Встречные пучки сделатьсложнее, но они намного эффективнее, так как позволяют достичь существенно более высокой энергии в системе центра инерции (с. ц.
и.).Институт ядерной физики СО РАН (Новосибирск) является пионером вэтой области, здесь около 40 лет назад были построены и проведеныэксперименты на первых e -e - и e +e - коллайдерах. В дальнейшем вмире были построены e +e - , pp , pp ( p – антипротон), ep коллайдерына различную энергию.Для продвижения в изучении материи требуются все более высокиеэнергии. Это необходимо по двум причинам:1.
максимальная масса рождающихся частиц при столкновениивстречных пучков равна M max = 2E /c 2 ;2. ускоритель является своеобразным микроскопом, в котором пространственное разрешение ограничено де-бройлевской длиной волны частицы l = /p » c/E .При достаточно большом числе событий можно разглядеть в частице детали порядка 0,1l » 2 ⋅ 10-15/E [ГэВ] см. Достигнутая энергияe +e - коллайдеров 2E » 215 ГэВ (LEP-II, ЦЕРН, Женева) и pp коллайдеров 14 ТэВ (LHC, ЦЕРН), таким образом, разрешение составляетпорядка 10-18 – 10-17 см. Нужно заметить, что электрон участвует вовзаимодействиях как точечная частица, несущая всю энергию, в товремя как протон состоит из трех кварков и связывающих их глюонов,каждый из которых несет примерно 1/6 часть энергии протона.В столкновениях на малых расстояниях в реакциях участвуют именноточечные (пока) составляющие – кварки и глюоны.
Это нужно учитывать при сравнении pp (или pp ) и e +e - коллайдеров. Размер pp коллайдера LHC c энергией 2E = 14 ТэВ, вступившего в строй в 2008 г.,составляет около 30 км (бывший тоннель e +e - коллайдера LEP).256Максимальная энергия протонных коллайдеров ограничивается ихразмерами (кривизна траектории R µ E/B ). По-видимому, энергияпорядка 100 ТэВ является пределом, такие коллайдеры сейчас серьезнорассматриваются в ЦЕРН и Китае.Для кольцевых e +e - коллайдеров основной проблемой являетсяочень большая мощность синхротронного излучения, которая растеткак E 4/R на один оборот.
Ускоритель LEP-II был фактически близок кпределу. Дальнейшее продвижение по энергии возможно на линейныхe +e - коллайдерах. Сейчас идет работа по проектированию e +e - линейного коллайдера ILC (International Linear Collider) на энергию2E = 1 ТэВ. Его длина составит около 40 км. Окончательное решениео строительстве зависит от первых результатов LHC, когда станет известно, есть ли в области 2E = 0,1 – 1 ТэВ новая интересная физика.Так же разрабатывается линейный коллайдер CLIC на энергию до2E = 3 ¸ 5 ТэВ, фактически предельную для линейных коллайдеров.Ограничение связано с полной потребляемой мощностью. Разумныйпредел составляет порядка 0.5 ГВт.На линейных коллайдерах пучки используются однократно, это делает возможным получение встречных фотон-фотонных пучков (фотонный коллайдер) с высокой энергией и светимостью.
Фотоны высокой энергии предполагается получать путем рассеяния лазерных фотонов на высокоэнергичных электронах. Таким способом почти все электроны можно конвертировать в фотоны с почти такой же энергией.Хотя e +e - коллайдеры имеют энергию меньше, чем pp , однако онивзаимно дополняют друг друга. В e +e - хорошо определено начальноесостояние (точечные частицы, почти монохроматические пучки) и низкий фон. Количество крупных открытий, сделанных на этих коллайдерах, примерно одинаково.
Кроме того, даже если что-то вначале обнаруживают в pp , то последующие исследования на e +e - коллайдерахпозволяют изучить явления со значительно более высокой точностью.Есть еще одна идея – мюонный коллайдер. Мюоны, как и электроны, являются точечными частицами, но в 200 раз более массивные.При той же энергии они будут излучать в 40 000 раз меньше, чем электроны, поэтому пучки мюонов можно сталкивать в кольцевых ускорителях до более высоких энергий.
Главная проблема в их создании заключается в том, что мюоны нестабильны ( t = 2 ´ 10-6 с), а их нужнородить, охладить, разогнать и столкнуть. Это сложно, но можно. За257счет релятивистского увеличения времени жизни они могут совершить1000 оборотов в коллайдере (см. § 53). Обсуждаются проекты мюонных коллайдеров на энергию 0.1–100 ТэВ, но строиться они начнутеще не скоро, поскольку требуется детальная проработка проекта иэкспериментальная проверка ключевых технологий.Следует заметить, что, кроме энергии, ускоритель должен иметь достаточную для изучения физических процессов светимость L » N 2 f /S ,где N – число частиц в пучке; S – сечение пучка; f – частота встреч.Число событий определенного процесса за единицу времени N = Ls .Сечения интересных процессов, таких как рождение пары заряженныхчастиц, падает с ростом энергии как s µ 1 / E 2 , так что светимостьдолжна расти как E 2 , чтобы за время эксперимента зарегистрироватьдостаточное количество событий нового процесса (хотя бы 1000).
Такчто проблема состоит не только в ускорении частиц, но и в полученииочень плотных пучков с высокой частотой столкновений.Сейчас во многих лабораториях ведутся работы по ускорению частиц сильными электрическими полями, создаваемыми в плазме короткими лазерными вспышками или пучками электронов. В таком плазменном ускорителе темп ускорения может составлять более 1 ГэВ/см(уже получено), что на три порядка превосходит возможности традиционных радиочастотных вакуумных линейных ускорителей. Тогда,казалось бы, вместо разрабатываемого сейчас ускорителя ILC на энергию 1 ТэВ с полной длиной 40 км можно сделать плазменный ускоритель длиной всего 10 м, а в будущем на длине 10 км получить1000 ТэВ! Разогнать частицы до такой энергии в принципе возможно,однако вряд ли удастся достигнуть необходимой для встречных пучковсветимости.
Даже если будут решены все проблемы с нестабильностьюплазмы, останется ограничение на размеры пучков, связанные с рассеянием частиц в плазме, а также огромной мощностью, которую нужно вкачивать в плазму для получения требуемой светимости коллайдера. Тем не менее такие методы ускорения могут быть полезны длямногих других задач.Пока физики только начинают разрабатывать плазменные ускорители, природа их уже давно создала. При вспышках сверхновых звезд идругих космических катаклизмах образуются мощные плазменные потоки, которые ускоряют некоторые частицы до очень высоких энергий.В настоящее время зарегистрированы космические частицы с макси258мальной энергией порядка 1020 эВ ( 108 ТэВ). Это в 107 раз больше, чембудет на LHC, однако их поток составляет всего порядка одной частицы на 100 км2 в год. На LHC энергия летящих навстречу протонов равна 2E 0 = 14 ТэВ.
Чтобы космической частице произвести такой жеэффект при столкновении с неподвижным протоном, ей необходимаэнергия E » 2E 02/m pc 2 105 ТэВ. Поток таких частиц составляет порядка 1 000 штук на 1 км2 в год. Энергия исходной космической частицы и тип (протон, ион, и др.) неизвестны, ввиду взаимодействия с атмосферой до Земли долетают только остатки адронных ливней, в основном мюоны.Сейчас в Аргентине работает эксперимент (Pierre Auger observatory)по регистрации космических частиц сверхвысокой энергии. Покрываемая им площадь составляет 3 000 км2.
Регистрируются как частицына поверхности Земли (баки с водой, просматриваемые фотоумножителями), так и флюоресценция азота в атмосфере (с помощью специальных телескопов).Еще более амбициозный эксперимент готовит европейская коллаборация EUSO (Extreme Universe Space Observatory). В этом эксперименте световые вспышки (флюоресценция и черенковское излучение) откаскада частиц, образованного в атмосфере высокоэнергичной космической частицей, будут регистрироваться специальным телескопом,установленным на орбитальной космической станции. Просматриваемая им площадь в каждый момент составляет 20000 км2.
Ожидаетсярегистрация за год около 1000 частиц с энергией более 1020 эВ (16 Дж).Исследования космических частиц имеют две цели: во-первых,нужно понять, как они образуются, какие космические ускорители разгоняют их до таких больших энергий; во-вторых, оказывается, во Вселенной есть неизвестные науке формы материи, их обнаружение иизучение сейчас выходит на первый план.
Это еще будет обсуждатьсядалее. Если в класс космических частиц включить еще не обнаруженную темную материю, то актуальность изучения космических частицнесомненна, хотя они не могут конкурировать с ускорителями в систематическом и детальном изучении свойств материи.Следует отметить, что многие базовые идеи упомянутых выше коллайдеров (а также реализация некоторых их них или концептуальнаяпроработка) исходят из Института ядерной физики (ИЯФ СО РАН).Что касается реализации очередных проектов коллайдеров на высокуюэнергию, характерная стоимость которых составляет примерно 5–25910 млрд долларов, так что они могут быть построены только объединенными усилиями ведущих стран мира.Эксперименты на ускорителях проводятся с помощью детекторов,которые регистрируют все конечные частицы и определяют их параметры.
По сложности они сравнимы с самим ускорителем и даже вчем-то более продвинутые. Это касается, например, потоков информации и их обработки. Так, на LHC пучки сталкиваются 40 млн раз в секунду, за одно столкновение пучков будет происходить в среднем30 pp столкновений, сопровождающихся развалом протонов и рождением других частиц, а в каждом таком процессе будет рождаться болеесотни различных конечных частиц (т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
