Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
Particle Beams Поток частиц Поток частиц Мишень Эксперимент с неподвижной мишенью Эксперимент в коллайдере РИС . 21. В одних ускорителях элементарных частиц пучок частиц взаимодействует с неподвижной мишенью. В других — два пучка частиц сталкиваются друг с другом Однако столкновение двух пучков имеет одно серьезное пре- имущество. При таких столкновениях можно получить гораздо более высокие энергии. Уже Эйнштейн мог бы объяснить, поче- му современные ученые однозначно предпочитают коллайдеры экспериментам с неподвижной мишенью. Это связано с поняти- ем « инвариантная масса системы» . Хотя сегодня даже ребенок знает, что Эйнштейн создал теорию относительности, сам ученый считал, что более подходящим названием для нее было бы теория инвариантов. Подлинной целью его исследований было найти способ, при помощи которого можно было бы уйти от влияния конкретной системы отсчета, то есть найти инвариантные вели- чины, характеризующие систему. Вероятно, вы больше знакомы с этой идеей на примере про- странственных характеристик, таких как линейный размер. Линейный размер неподвижного объекта не зависит от того, как именно он ориентирован в пространстве. Объект имеет фик- сированный размер, который никак не связан с вашими наблюде- ниями, в отличие от его координат, которые зависят от произволь- ного набора осей и направлений, которые вы выбираете. Эйнштейн показал, как описать явление, чтобы его характе- ристики не зависели от ориентации или собственного движения наблюдателя. Инвариантная масса — это мера полной энергии си- стемы. Она говорит о том, объект какой массы может быть в прин- ципе создан из энергии, содержащейся в вашей системе. 140 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА Чтобы определить показатель инвариантной массы, можно задать следующий вопрос: если бы ваша система была непод- вижна, то есть если бы у нее не было ни скорости, ни импульса, сколько бы энергии она в себе содержала? Если система не имеет импульса, к ней применима формула Эйнштейна E = mc 2 . Следо- вательно, если известна энергия системы в покое, известна и ее инвариантная масса. Если система находится не в покое, следует использовать более сложный вариант той же формулы, где поми- мо энергии фигурирует и величина импульса. Предположим, мы сталкиваем между собой два пучка эле- ментарных частиц с одинаковой энергией и равными по величи- не импульсами, направленными в противоположные стороны. При столкновении импульсы пучков складываются и в сумме дают нуль. Это означает, что система в целом находится в покое. Таким образом, вся энергия — сумма энергии частиц в двух отдельных пучках — может быть превращена в массу. Эксперимент с неподвижной мишенью проходит совсем иначе. Пучок элементарных частиц в нем обладает большим импульсом, а мишень импульса не имеет. Для образования новых частиц до- ступна не вся энергия частицы, потому что система в целом продол- жает двигаться. Из-за этого движения не вся энергия столкновения может быть пущена на создание новых частиц — ведь некоторая ее часть останется в виде связанной с ними кинетической энергии. Оказывается, доступная энергия системы растет пропорционально всего лишь квадратному корню суммарной энергии частиц в пучке и в мишени. Это означает, к примеру, что если бы мы увеличили энергию протонного пучка в 100 раз и столкнули бы такой про- тон с другим — неподвижным — протоном, то энергия, пригодная для создания новых частиц, увеличилась бы всего в 10 раз. Значит между столкновением во встречных пучках и столкно- вением с неподвижной мишенью есть большая разница. Энергия столкновения пучков намного выше — и она отнюдь не вдвое пре- восходит энергию столкновения пучка с неподвижной мишенью, как вы, вероятно, могли бы подумать. Такая догадка была бы ос- нована на классическом подходе, который не годится для реляти- вистских частиц в пучке, летящем со скоростью, близкой к ско- «ВИДЕТЬ» — ЗНАЧИТ ВЕРИТЬ 141 рости света. Разница суммарной энергии между столкновениями пучок — мишень и пучок — пучок намного больше, посколь- ку на таких скоростях действует теория относительности. Так что если нам нужны по-настоящему высокие энергии, то выбора у нас не остается: придется обращаться к ускорителю-коллайдеру. В нем два пучка элементарных частиц будут разогнаны до высоких энергий, а затем направлены навстречу друг другу. БАК — типичный пример ускорителя-коллайдера. В нем стал- киваются два пучка элементарных частиц, которые при помощи магнитов направляют навстречу друг другу. Основными параме- трами, определяющими возможности любого коллайдера, являют- ся тип частиц, с которыми он работает, их энергия после разгона и жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|