Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
аналог поперечного сечения для реакций столкновения. Чем меньше время
жизни, тем вероятнее распад. В случае, когда имеются конкурирующие
возможности распада, отдельные каналы могут быть охарактеризованы их
коэффициентом ветвления. Коэффициент ветвления для любого конкретного
распада показывает, какая часть всех возможных распадов происходит через
этот канал.
Число возможных доступных конкурирующих процессов распада частично
ограничено законом сохранения. Поскольку для рождений частицы требуется
энергия (Е = тс2), то более тяжелые частицы, с их большей энергией покоя,
обычно имеют большее число возможных каналов распада, чем более легкие.
Например, заряженный D мезон (с массой 1870 Мэв) имеет дюжину основных
каналов распада и множество второстепенных. Заряженный пион (с массой 140
Мэв) имеет только один основной канал распада, пион -> мюон + нейтрино.
Это не означает, что второстепенные каналы не представляют интереса.
Например, заряженный пион распадается не только по каналу, описанному
выше, но также на электрон и нейтрино с маленьким коэффициентом
ветвления, равным примерно 10-4. Открытие таких редких процессов играет
важную роль в развитии нашего понимания так называемых слабых
взаимодействий. Редкие столкновения и реакции распада обычно и находятся
в центре внимания. Из-за этой редкости они представляют сложную
экспериментальную проблему. Современная техника позволяет выполнять в
благоприятной ситуации поиск редких событий для процессов к
коэффициентами ветвления порядка Ю~10.
Ускорители
Современные ускорители частиц высокой энергии произошли из нескольких
направлений, предложенных в конце 20-х и начале 30-х го-
Ускорители
171
дов XX века. Одно из таких направлений связано с циклотроном. Ускорители
сегодняшнего дня далеко превзошли своих предков по размерам, сложности,
энергиям; но их основная структура осталась той же - для ускорения
заряженных частиц до высоких энергий используются электрические поля. В
линейном ускорителе это выполняется при одном проходе через ускоритель. В
циклических ускорителях (великая идея Лоуренса), магнитное поле
заставляет частицу поворачиваться по круговой орбите, позволяя ей
проходить через электрическое поле большое число раз. Обычно в новых
сложных ускорителях используют оба типа таких устройств, применяемых
независимо. В результате частицы могут быть ускорены от очень низких до
очень высоких значений энергии.
В так называемых устройствах с неподвижной мишенью высокоэнергичный пучок
частиц сталкивается в ускорителе с некоторой твердой или жидкой мишенью.
Для очень высокоэнергичных процессов, которые здесь рассматриваются,
силы, удерживающие в мишени части атомов вместе, пренебрежимо малы, так
что во многих случаях мишень может восприниматься как набор независимых
протонов, нейтронов и электронов. Если для данного столкновительного
события возможно достаточно хорошо провести измерения, то в общем случае
нетрудно определить, являлась ли частица мишени протоном, нейтроном или
электроном. В классе ускорителей, известных как коллайдеры, вместо
одиночного столкновения падающего пучка с неподвижной мишенью, до высокой
энергии ускоряются два отдельных пучка частиц и встречаются в лобовом
столкновении. Один из этих пучков, или даже оба, могут быть также
использованы для отдельных экспериментов с неподвижной мишенью.
Два типа установок, с неподвижной мишенью и коллайдеры, имеют свои
отдельные достоинства. Для определенности рассмотрим столкновение двух
частиц одинаковой массы т, например, столкновение типа протон-антипротон,
или электрон-позитрон. Пусть Е - полная энергия относительно лабораторной
системы отсчета, кинетическая плюс энергия покоя частицы, летящей в
потоке. В типичном коллайдере, две частицы, движущиеся с равными, но
противоположными импульсами сталкиваются в лоб. Полный импульс равен
нулю, а полная энергия Wc = 2 Е.
Индекс с означает, что мы находимся в системе отсчета коллайдера. Эта
энергия распределяется среди продуктов реакции, какая-то часть входит в
энергию покоя новых частиц, какая-то в кинетическую энергию движения.
Полный импульс, векторно просуммированный по всем продуктам реакции, по-
прежнему равен нулю. Если взять установку с неподвижной мишенью, то
частица пучка с энергией Е сталкивается с частицей-мишенью, которая до
этого покоилась, так что полная энергия в лабораторной системе отсчета
равна Е + тс2. Чтобы сравнить с ситуацией на коллайдере, можно
поинтересоваться тем, какова
172
Глава 8
энергия столкновения в системе отсчета центра масс столкновения. Это
система отсчета, движущаяся в направлении пучка частиц со скоростью,
такой, что наблюдатель в этой системе отсчета видит, что сталкивающиеся
частицы движутся с равными по величине и противоположными импульсами. В
системе центра масс столкновение выглядит как событие в коллайдере.
Нетрудно найти энергию в этой системе отсчета. Она равна
Whm = \/'2тс2(Е + тс2).
Индексы показывают, что эта энергия центра масс соответствует
