Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
4. ОТКРЫТИЕ W±- И Z°-5030H0B
В 1981 г. в ЦЕРНе под руководством Ван дер Меера был запущен первый ускоритель следующего поколения на энергию 2 х 270 ГэВ, названный ^рр^-коллайдером*. Этот ускоритель работает по принципу встречных протон-антипротонных пучков, когда вся энергия может быть использована для образования новых частиц. Поэтому, казалось бы, на нем можно было рождать пары частица — античастица с массами по 270 ГэВ каждая. Однако учет особенностей кварк-глюонных взаимодействий резко снижает это значение (см. ниже), но тем не менее позволяет рассчитывать на оптимальные сечения рождения W±- и Z0-6o3Ohob.
Для обнаружения и Z0-6o3Ohob были построены два специальных детектора UA-1 и UA-2 (от слов Underground Area—подземная зона), на которых в 1982—1983 гг. были
* SppS-коллайдер был переоборудован из запущенного в 1976 г. SPS (super-proton sinchrotron)—ускорителя протонов на энергию 400 ГэВ. В настоящее время энергия SppS-колпайдера. увеличена до 2x310 ГэВ, а энергия протонов в SPS — до 450 ГэВ (подробнее см. § 87, п. 2).
sin2 Qw = 0,23 ±0,02, откуда для масс бозонов получаются значения
(130.5)
mr =(78 + 3) ГэВ, mz» = (89±3) ГэВ.
(130.6)
366 Глава XXIII. Дополнительные вопросы фишки слабых взаимодействий
открыты эти частицы. Об устройстве одного из детекторов мы расскажем подробнее.
Основными частями детектора UA-1 являются магнит с объемом поля 86 м3 и напряженностью 0,7 Тл, дрейфовая камера размерами 5,8 х 2,3 м3, окруженная электромагнитным калориметром толщиной в 27 радиационных длин (сцинтил-ляторы, прослоенные свинцом) и адронным калориметром (железо). Общие размеры детектора—10 х 5 х 10 м3, общая масса — 2000 т, стоимость — 65 млн. долларов. Детектор обслуживался 24 ЭВМ. В работе с детектором участвовало 135 физиков из 11 институтов Австрии, Англии, Италии, США, Финляндии, ФРГ и Франции во главе с итальянским физиком К. Руббиа.
Рождение W±- и Z0-6o3OHOB искали в инклюзивных процессах
p+p^W±+X и p+p^Z°+X (130.7)
(где X—что угодно) с последующими распадами образовавшихся промежуточных бозонов по схемам
W±^e±+VeM Zo!^e.+eJ (130.8)
В кварковой модели образование W±- и Z°-6o3ohob происходит в результате соударения соответствующих кварков и антикварков, входящих в состав протонов (p = uud) и антипротонов (р — йМ):
(130.9)
й+d^W, d+d^Z°.
р{{- wVf, -S}** /-¦}
f\uu -
p{\-.z'_s- t-z)TL+ (-^
{I ii^J==?2?iL== i у
Рис. 492
ж"
ж"
§ 130. Понятие о единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий 367
В качестве примера на рис. 492 изображены две возможные схемы образования и распада W+- и Z°-6o3ohob:
p+p^W'++it + +2%- + Tt°, W + ^e++ve,
(130.10)
p+p^Z°+n ++n~+2it°, Z°-<? + + <?-.
Несмотря на то что детектор UA-1 был специально построен для обнаружения промежуточных бозонов, опыт оказался чрезвычайно сложным. Достаточно сказать, что сечение процесса
p+p^W± + X, W±-^e±+ve{ve) (130.11)
равно 0,5 -10"33 см2, что примерно в 108 меньше полного сечения взаимодействия протонов с антипротонами. Таким образом, в опыте можно было бы рассчитывать на получение одного И-'-бозона на 108 соударений. Действительно, в первом сеансе облучения, выполненном в ноябре—декабре 1982 г., было извлечено шесть событий типа W-*eve из 109 зарегистрированных до-соударений*.
Основная идея выделения РГ-бозонов из огромного множества других событий заключалась в отборе электронов от распада W-бозона, летящих перпендикулярно первичным пучкам с энергией Texmwj2. В этом направлении фон должен быть относительно мал, так как легкие адроны, возникающие из пролетающих кварков, входящих в состав протонов и антипротонов, образуют струи, которые летят в направлении первичных пучков. Иначе обстоит дело с кварком и антикварком, при соударении которых возникает И^-бозон. Значительная часть энергии этих кварков преобразуется в массу покоя И-'-бозона, вследствие чего он не должен иметь большой энергии и продольного импульса. При этом максимум сечения образования РГ-бозона в процессе u+d^W+ должен соответствовать условию
Tu + Taxmw (130.12)
(брейт-вигнеровский резонанс), при выполнении которого W+-бозон образуется с малым продольным импульсом (а в особо благоприятных случаях — в состоянии покоя), а электрон распада имеет энергию Texmw/2 и может лететь перпендикулярно первичным пучкам.
Легко видеть, что энергия протонов и антипротонов, равная 2x270 ГэВ, оптимальна для образования W*- и Z0-6o3ohob в процессах
* ArnisonG., AstburyA., Aubert В. e.a.//Phys. Lett. Ser. В. 1983. Vol. 122, N 1. P. 103—116.
368 Глава XXIII. Дополнительные вопросы физики слабых взаимодействий
q + q-*W± и q+q^Z°.
Действительно, из квантовой хромодинамики известно, что половина энергии протона (антипротона) сосредоточена в глю-онах, так что на долю трех кварков (антикварков), из которых состоит протон (антипротон), приходится 135 ГэВ, т. е. по 45 ГэВ на каждый кварк (антикварк), что и соответствует условию (130.12).
В первом эксперименте было записано около 106 событий, из которых 1,4 105 содержали электрон. Электрон идентифицировался по характерному профилю электромагнитного ливня. Дальнейшая обработка включала отбор событий с большой поперечной энергией /?х>15ГэВ (28000), с хорошим одиночным треком заряженной частицы и поперечным импульсом р±>7 ГэВ/с (2125), отбор по критерию для электрона (39), наконец, индивидуальное рассмотрение (6).
