Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика

Г л а в а XXVI.

НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

§ 238. Ускорители и экспериментальная техника. За послед-

ние десятилетия в физике элементарных частиц произошел на-

стоящий переворот, во многом изменивший наши представления

о природе материи. Этот переворот был связан прежде всего

с быстрым развитием ускорителей и экспериментальной техники.

Рост энергии ускорителей, на которые ложится основная тяжесть

исследований в области элементарных частиц, играет здесь важ-

ную роль по нескольким причинам.

1. С ростом энергии появляется возможность образования

новых типов элементарных частиц с большими массами. При

меньших энергиях такие частицы просто не могут рождаться

в силу законов сохранения энергии и импульса (порог по энер-

гии — см. упражнение 58 к гл. XXV).

2. Ускорители можно сравнить с гигантскими микроскопами,

которые позволяют изучать пространство на очень малых рассто-

яниях, сравнимых с длиной волны де Бройля для ускоренных ча-

стиц. Так, частицы с энергией 1 ТэВ = 10

3

ГэВ характеризуются

длиной волны де Бройля λ = h/p

≈ 1 · 10

−

16

см

1

). С их помощью

можно зондировать области пространства вплоть до 10

−

16

см,

где могут проявляться какие-то новые закономерности физики

микромира, не замеченные на больших расстояниях.

3. С ростом энергии частиц меняются свойства взаимодей-

ствий между ними и характеристики уже известных процессов.

Может оказаться, что определенные черты этих явлений при

высоких энергиях начинают проявляться более четко. Именно

в опытах при очень больших энергиях удалось установить общую

природу слабых и электромагнитных сил.

В последние годы были созданы гигантские, даже по сравне-

нию с огромным Серпуховским ускорителем (рис. 393), ускори-

1

) В выбранных единицах (см. примечание к с. 584) p = 1 ТэВ/с;

λ =

h

p

=

4,14

·

10

−

24

·

3

·

10

10

ГэВ

·

см

10

3

ГэВ

= 1,24 · 10

−

16

см.

20*

612

Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

тели, позволившие примерно на два порядка увеличить энергию,

доступную для образования новых частиц. При этом важную

роль начали играть опыты на так называемых ускорителях-нако-

пителях со встречными пучками.

Чем же различаются между собой эти ускорители?

В опытах на «обычных» ускорителях, или, как еще гово-

рят, на ускорителях с фиксированными мишенями, исследуются

процессы взаимодействия ускоренных частиц с «неподвижными

мишенями» — нуклонами и ядрами атомов вещества, из которого

сделаны мишени. При этом только сравнительно малая часть

энергии ускоренных протонов или электронов может быть за-

трачена «полезным образом» — на образование новых частиц.

Так как налетающие на мишень бомбардирующие частицы име-

ют большой начальный импульс, то, в соответствии с законом

сохранения, этот импульс должен уноситься всеми вторичными

частицами, образующимися при взаимодействии. 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 обра-

зование новых частиц.

Напомним решение задачи 58 (гл. XXV), в которой было

показано, что для образования протон-антипротонной пары в ре-

акции p + p

→ p + p + p +  p первичный протон должен обладать

кинетической энергией W

к

> 6mc

2

, хотя «полезные затраты»

энергии составляют всего 2mc

2

. Вся остальная энергия перехо-

дит в кинетическую энергию вторичных частиц. Подобная кар-

тина 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 сфокусирован-

ных 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 образова-

нию покоящихся частиц). Так, при встречных соударениях двух

протонов с кинетическими энергиями W

кр

 mc

2

уже могут рож-

даться протон-антипротонные пары, и мы имеем значительный

выигрыш в энергии.

Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

613

Совсем недавно в Европейском центре ядерных исследований

(ЦЕРН, Женева) были проведены опыты со встречными пуч-

ками протонов и антипротонов, причем энергия каждого пучка

составляла 270 ГэВ. В этих экспериментах были найдены ча-

стицы 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. Уско-

рители 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 ней-

тральных частиц

1

), которых нет на ускорителях со встречными

пучками. Кроме того, на ускорителях с фиксированными ми-

шенями можно изучать более редкие явления, так как здесь

удается получить значительно большее число соударений. Поэто-

му 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, поми-

мо больших пузырьковых камер (§ 235), потребовалось создание

огромных и очень сложных экспериментальных установок, ко-

торые по своим масштабам сравнимы с самими ускорителями

(рис. 422). В состав этих установок входят большие магнит-

ные спектрометры, тысячи быстродействующих сцинтилляцион-

ных счетчиков, десятки тысяч газоразрядных детекторов, очень

напоминающих пропорциональные счетчики (о таких счетчиках

говорилось в § 213). Эти и другие приборы, входящие в экспе-

риментальные установки, позволяют определять траектории ча-

стиц, измерять их энергию, импульс, скорость, ионизацию, иден-

тифицировать частицы и подробно исследовать характеристики

1

) В опытах на ускорителях с фиксированными мишенями формируются

пучки вторичных заряженных частиц с определенными импульсами — π-ме-

зонов, протонов, мюонов и других частиц. При этом используются отклоне-

ния частиц в магнитных полях (обратно пропорциональные 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 колли-

маторами и очищаются от заряженных частиц магнитными полями.

614

Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

Т а б л и ц а 12. Самые большие ускорители

А. Ускорители с фиксированными мишенями

Название ускорителя

Го

д

в

в

о

-

да

в

д

ей

-

ств

и

е

Ус

к

о

р

я

ем

ы

е

ча

стиц

ы

Ма

к

си

м

а

л

ь

-

на

я

эн

ерг

и

я

(ГэВ)

До

ст

у

п

н

а

я

эн

ер

гия

(ГэВ)

Примечание

SLAC

1961

e

−

24

5,8

Стэнфорд, США

PS (ЦЕРН)

1959

p

28

5,5

Женева, Швейцария

AGS (BNL) США

1960

p

33

6,2

Протонный синхротрон 1967

p

76

10

(ИФВЭ)

Протвино, СССР

Протонный синхротрон 1972

p

500

29 Ускоритель на

500 ГэВ переделан

в Теватрон (энер-

гия будет поднята

до 1000 ГэВ)

Теватрон

1983

p

800

37

(FNAL)

Батавия, США

SPS (ЦЕРН)

1976

p

450

27

Женева, Швейцария

УНК (ИФВЭ)

Соору-

p

3000

73

Протвино, СССР

жается

Б. Накопители со встречными пучками

Название накопителя

со встречными пучками

Го

д

в

в

од

а

вд

ей

ст

в

и

е

Ус

к

о

р

я

ем

ы

е

ча

стиц

ы

Ма

к

си

м

а

л

ь

-

на

я

эн

ерг

и

я

(ГэВ)

До

ст

у

п

н

а

я

эн

ер

гия

(ГэВ)

Примечание

ВЭПП-4 (ИЯФ)

1978

e

+

e

−

7

14

Новосибирск, СССР

CESR

1978

e

+

e

−

5,5

11

Корнелльский ун-т, США

PETRA (DESY)

1978

e

+

e

−

19

38

Энергия

пучков

была увеличена

Гамбург, ФРГ

1983

23

46

Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

615

Т а б л и ц а 12 (продолжение)

Название накопителя

со встречными пучками

Го

д

в

в

од

а

вд

ей

ст

в

и

е

Ус

к

о

р

я

ем

ы

е

ча

стиц

ы

Ма

к

си

м

а

л

ь

-

на

я

эн

ерг

и

я

(ГэВ)

До

ст

у

п

н

а

я

эн

ер

гия

(ГэВ)

Примечание

PEP (SLAC)

1980

e

+

e

−

15

30

Стэнфорд, США

ISR (ЦЕРН)

1971

pp

31

62

Закрыт в 1984 г.

Женева, Швейцария

SPS-коллайдер (ЦЕРН)

1981

pp

270

540 Энергия

пучков

увеличена в 1985 г.

Женева, Швейцария

1985

450

900

Теватрон-коллайдер

Соору-

pp

1000 2000

(FNAL)

жается

Батавия, США

SLK (SLAC)

Соору-

e

+

e

−

50

100

Стэнфорд, США

жается

LEP (ЦЕРН)

Соору-

e

+

e

−

50

100

Первая очередь

Женева, Швейцария

жается

HERA (DESY)

Соору-

e

−

p e

−

30 314

Гамбург, ФРГ

жается

p

820

УНК (ИФВЭ)

Соору-

pp

3000 6000

Протвино, СССР

жается

взаимодействий. В состав таких установок обязательно входят

несколько электронно-вычислительных машин, с помощью ко-

торых быстро обрабатывается полученная информация, настра-

иваются 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 записы-

ваются на магнитные ленты и затем обрабатываются на самых

больших и быстродействующих электронно-вычислительных ма-

шинах. На рис. 423 приведен снимок с дисплея ЭВМ, на котором

показан вид одного из событий, зарегистрованных на установке

UA-1 (рис. 422). Вот с какими сложными процессами приходится

иметь дело в современном физическом эксперименте.

616

Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

Рис. 422. Общий вид экспериментальной установки UA-1, на которой

проводились исследования

pp

-соударений на самом большом в мире

ускорителе-накопителе со встречными протонным и антипротонным

пучками (SPS-коллайдер ЦЕРН, см. табл. 12). Установка UA-1 — это

огромный магнитный спектрометр для измерения импульсов вторичных

частиц, образующихся в

pp

-соударениях. Частицы регистрировались

в газоразрядной камере (она видна в центре установки). Камера пред-

ставляет собой совокупность большого числа газоразрядных детекто-

ров частиц, напоминающих пропорциональные счетчики. С помощью

этих детекторов определяются траектории частиц. В состав установки

входит также большое число сцинтилляционных счетчиков

жүктеу/скачать 6,71 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: