Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
столкновению с неподвижной мишенью, а падающая частица имеет энергию Е в
лабораторной системе отсчета. Основной вывод состоит в том, что Whm
меньше, чем Wc при любых энергиях Е. Она фактически значительно меньше,
если Е тс2. Эквивалентно, энергия Whm в системе отсчета центра масс
меньше, чем энергия Е + т.с в лабораторной системе отсчета. В
противоположность этому, для коллайдера лабораторная система отсчета и
система центра масс совпадают. При этом важно учесть, что только энергия
в системе центра масс может быть использована для создания массы покоя.
Как эта разница проявляется между неподвижной мишенью и коллайдером?
Ответ дает закон сохранения энергии-импульса. В установке с неподвижной
мишенью падающие частицы не только обладают кинетической энергией, но еще
переносят импульс. Но импульс должен сохраняться при столкновениях.
Поэтому его уносят продукты распада, а следовательно, они уносят и
кинетическую энергию. Эта энергия движения "растрачивается" в том смысле,
что она не может перейти в энергию покоя и использоваться при рождении
частиц. В противоположность этому при лобовых столкновениях полный
импульс равен нулю. Полная энергия Wc может быть использована для
перехода в массу покоя, и, следовательно, для рождения частиц. В качестве
иллюстрации рассмотрим реакцию
р + р -> р + р + X,
где X - частица массы М. Пусть масса протона равна ш. Сколько энергии
необходимо для столкновения частиц, чтобы достичь пороговой энергии для
данной реакции? В коллайдере каждый протон сталкивающейся пары вкладывает
кинетическую энергию, равную Кс. Ясно, что пороговая кинетическая энергия
равна Кс = Мс2/2. При такой энергии падающих частиц продукты реакции
будут покоиться. Для установки с неподвижной мишенью примем пороговое
значение кинетической энергии протона равным Кнм• Нетрудно проверить, что
отношение кинетических энергий частиц в пучках для двух установок равно
Кнм _ М ,
Кс ~ т + '
Ускорители
173
Это отношение не меньше 4. И оно тем больше, чем М т. Таким образом, если
энергия покоя частицы X в 100 раз больше, чем у протона, то пороговая
энергия для коллайдера будет 50 Гэв, а для установки с неподвижной
мишенью 5000 Гэв!
Следовательно, коллайдеры имеют больше возможностей для открытия очень
массивных частиц. Но установки с неподвижной мишенью имеют собственные
преимущества. Если пороговая энергия превышена, независимо от того, что
используется, коллайдер или установка с неподвижной мишенью, остаток
энергии переходит в кинетическую энергию продуктов реакции. Для данной
энергии пучков эта энергия достигает больших значений в случае установок
с неподвижной мишенью. Поскольку эти продукты распада используются для
проведения вторичных столкновений, то чем выше эти энергии, тем лучше.
Установки с неподвижной мишенью имеют и другое преимущество. Пучок
падающих частиц приводит к значительно более высокой плотности
столкновения в конденсированной среде, чем при лобовом столкновении с
другим пучком. Плотность частиц в пучках, конечно, значительно меньше,
чем в твердых или жидких средах. Поэтому полное число событий на
установках с неподвижной мишенью значительно выше, чем на коллайдерах.
Например, протонный пучок на 30 Гэв в Брукхейвенском ускорителе
производит несколько триллионов событий за секунду на твердой мишени. А
сталкивающиеся протон-антипротонные пучки на 900 Гэв на теватроне
лаборатории им. Ферми производят чуть меньше, чем миллион событий за
секунду.
Какого рода заряженные частицы могут быть ускорены на установках высокой
энергии? Известны сотни частиц, но только некоторые из них действительно
можно использовать. Это электроны и протоны - частицы, из которых состоят
атомы; в некоторых случаях можно использовать атомные ядра, воспринимая
их как единую величину. Следовательно, тип пучка, который необходим на
первой стадии любого ускорительного комплекса - это пучок, образованный
электроном, протоном и различными атомными ядрами. Ингредиенты
конденсированной среды - мишени: электроны, протоны, нейтроны и атомные
ядра тоже можно рассматривать как партнеров по столкновению на установке
с неподвижной мишенью. Взятые вместе, они позволяют рассматривать
различных партнеров: электрон-электрон, электрон-протон, протон-протон,
нейтрон-протон, ядро-ядро и т.д. Все они учитываются. Кроме них, могут
использоваться частицы, сами возникшие в первичных соударениях. Если они
живут достаточно долго, то они могут привести ко вторичным столкновениям;
если недостаточно долго, то к продуктам распада. Таким образом, на
экспериментах с неподвижной мишенью становятся возможными вторичные пучки
из фотонов, нейтрино, позитронов, антипротонов, пионов, АТ-мезонов,
мюонов и многих других заряженных и нейтральных частиц. Например, для
нейтрино-протонных эксперимен-
174
Глава 8
тов по рассеянию используют в основном нейтрино, полученные при пионном
распаде. Эти пионы сами по себе получают при бомбардировке неподвижной
