Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
Ð Ð Ð½Ð Ñ Ð ÐµÑ Ð³ Ð Ð ÐÐ ÐµÐ¼ÐµÐ½Ñ Ð Ñ Ð½Ñ Ð¹ Ñ Ñ ÐµÐ
- Бұл бет үшін навигация:
- НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ § 238. Ускорители и экспериментальная техника.
| ?
58. Определите минимальную кинетическую энергию прото- нов, необходимую для образования: а) π 0
p + p → p + p + π 0 ; б) пары протон–антипротон в реакции p + p → p + p + p+ p .
π -мезона (135,0 МэВ/ c 2 ), определите энергию γ -квантов, образующихся при распаде покоящегося ней- трального π -мезона: π 0 → 2 γ . 60. Определите максимальную энергию электронов, испускаемых при
β -распаде нейтрона, если масса нейтрона равна 939,57 МэВ/ c 2
а масса атома водорода равна 938,73 МэВ/ c 2 . 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 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
6,2 Протонный синхротрон 1967 p 76
(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
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 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
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
62 Закрыт в 1984 г. Женева, Швейцария SPS-коллайдер (ЦЕРН) 1981 pp
540 Энергия пучков
увеличена в 1985 г. Женева, Швейцария 1985 450
900 Теватрон-коллайдер Соору- pp
(FNAL) жается
Батавия, США SLK (SLAC) Соору- e
e − 50 100 Стэнфорд, США жается
Соору-
e + e − 50 100 Первая очередь Женева, Швейцария жается
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:
|