Лептоны и кварки - Окунь Л.Б.
ISBN 5-02-014027-9
Скачать (прямая ссылка):
ре v ¦ 9mw Г 9т\г 3 9т&
Так как протон и антипротон представляют собой сгустки кварков и
антикварков, энергия которых не фиксирована, а распределяется, образуя
непрерывный спектр, то удобно записать сечение образования И7-бозона
кварками в пределе, когда разброс энергии кварков много больше ширины И7-
бозона, в следующем виде:
РОЖДЕНИЕ W- И Z-БОЗОНОВ
227
где Г/ = Г(№7 -*¦ ud), s= (pP + Рр)2> х = ^w/s, 4-импульс ы-кварка равен
Xjpp, а 4-импульс d-кварка равен хгр~, где рр и р~ -• 4-импульсы протона
и антипротона соответственно. Так что Sud = (Pu + Pd)'** 2P"Pd =
x^2PpPi'" XA (Pp + Pp)2
Усредненное по спектрам ы- и d-кварков сечение рождения ^-бозона из
канала i (с последующим распадом по каналу /) имеет вид
а = - ( ы (zj d (л:2) б - т) dxx dx2.
3 mw J
Здесь Вi = Г,/Г = Г (W ->- ud)/T " 1/3. В качестве канала f рассмотрим,
например, канал W->ev. Тогда BfY = Г (W ->- ev) = = Gm^/бя V2. Если бы
подынтегральное выражение не содержало б-функции, то
cr = J__*i д.GUD" GUD " 3 • Ю"3? см2.
Напомним, что t/ = J ы (х)dx" 0,29, D= J d(x)dx"0,15 (распределение d-
кварков в антипротоне такое, же, как d-кварков в протоне) и,
следовательно, UD " 0,04.
Перейдем от переменных хг и х2 к переменным т' = хгх2 и
S -*i-х2. Тогда ^i,2 = E/2±Vr52/4-f т' и
J и (*0 d (jft) б ("л ~i)dx1 dx2 = | dt
Переменная 5 представляет собой продольный импульс W7-бозона в единицах
его максимально возможного импульса V s/2. Удобно ввести нормированную
величину К:
1 -т
I- 1 Г и (*i) d (*2) ,*
Тм?"1'
значения которой при различных значениях т получаются численным
интегрированием. При 10-2 /(" 10; при 10-1 /("4.
Оценки сечения, основанные на партонной модели, которые мы привели выше,
были сделаны в середине 1970-х годов. Они представляли собой далекую
экстраполяцию имевшихся в то время экспериментальных данных по глубоко
неупругим процессам. Вместе с тем, было ясно, что если исходить из
квантовой хромодинамики, то должны быть отклонения от партонной модели. В
частности, из-за испускания тормозных глюонов должны возрасти поперечные
импульсы аннигилирующих кварка и антикварка и, следовательно, поперечные
импульсы рождения Н7-бозонов. Однако, как показывают расчеты в рамках
квантовой хромодинамики, основные предсказания партонной модели остаются
в силе.
228
23. СВОЙСТВА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ БОЗОНОВ
Чтобы в изобилии иметь столкновения достаточно энергичных кварков,
необходимо, чтобы энергия Ks сталкивающихся р и р в несколько раз
превышала массу ЙР-бозона, т. е. параметр т должен быть 1/10. Если
сталкивать между собой протонные пучки, то значение Ks должно быть еще
больше, поскольку "морские" антикварки в протоне гораздо мягче валентных
анти-кварков в антипротоне.
Расчеты для pp-пучков при Ks "540 ГэВ и mw"80 ГэВ дают aWgy/ "4-10~34
см2. Аналогично в pp-столкновениях должны
рождаться и Z-бозоны. Они возникают в реакциях ии ->¦ Z и dd -<¦ Z.
Экспериментально легче всего наблюдать распад Z -+е*е~. Ра-счетыдают: ov
"4-10-35 см2 при Ks "540 ГэВ и mz " 91 ГэВ.
ее 1
То обстоятельство, что значение az примерно на порядок ниже, чем <%^,
обусловлено тем, что
В (Z -<- ее) ~ Vs В (W -у ev) и az ~ V3<V ¦
Последнее соотношение, в свою очередь, частично обусловлено меньшими
константами связи Z-бозона с кварками (сравните ширину Г (W ->- ид) с Г
(Z -*• ии) и Г (Z -dd)) и частично-большей массой Z-бозона.
W- и Z-бозоны и коллайдеры
После создания теории электрослабого взаимодействия и особенно после
открытия нейтральных токов становилось все более ясным, что для решающей
проверки теории необходимы эксперименты на встречных пучках при таких
энергиях, когда рождаются W- и Z-бозоны.
Проекты встречных лептонных пучков с энергиями порядка 50-100 ГэВ в
каждом пучке обсуждаются с конца 60-х годов. Так, на Международной
конференции по ускорителям в Ереване в 1969 г. рассматривался ереванский
проект встречных е+е~-пучков 2x100 ГэВ и обсуждалась идея Будкера о
строительстве встречных пучков р.+р.~ с энергиями 2x250 ГэВ. В 1975 г.
подробное рассмотрение встречных е+е~-пучков с энергией 2х 100 ГэВ было
опубликовано Рихтером.
Однако первые W-и Z-бозоны были получены не на электрон-позитронном, а на
протон-антипротонном коллайдере. Идея создания таких коллайдеров на базе
существовавших тогда протонных суперсинхротронов-в ЦЕРНе (вблизи Женевы)
и в лаборатории имени Ферми (в Батавии, США)-была выдвинута в 1976 г.
группой физиков во главе с Карло Руббиа. В 1981 г. в ЦЕРНе был создан рр-
коллайдер с энергией каждого из пучков 270 ГэВ и два специальных
гигантских детектора UA1 и UA2 (сокращение UA происходит от английского
Undeground Area). В соору-
ТГ-БОЗОНЫ И ПРОЕКТ ДЮМАНД
229
жении и эксплуатации этих детекторов приняли участие две коллаборации-
около двухсот физиков и инженеров. В 1983 г. на этих детекторах были
открыты первые W- и Z-бозоны. Это открытие сразу же было увенчано
Нобелевской премией, которую получили Карло Руббиа-лидер группы UA1 и
Симон Ван дер Меер, руководивший созданием коллайдера. До 1988 г. на
