Справочник по физике для инженеров и студентов - Яворский Б.М.
ISBN 5-488-00330-4
Скачать (прямая ссылка):
Для получения уравнения поля надо найти вариацию действия и положить ее равной нулю.
2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
1°. Информацию о взаимодействии элементарных частиц получают из экспериментов по столкновению (рассеянию) частиц. В зависимости от числа
926
VII.4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
взаимодействующих частиц все процессы {реакции) разделяются на двухчастичные и многочастичные. В двухчастичных процессах в начальном и конечном состояниях имеется по две частицы (а Ъ —> с d). В многочастйчных процессах при столкновении двух частиц большой энергии образуется более двух частиц (а Ь —* с d е ...).
Обособлены реакции распада, в результате которых из одной частицы образуется несколько. К наиболее простым из них относятся двухчастичные и трехчастичные распады (а —* Ъ с; а — b с d ).
Типичная схема двухчастичного столкновительного эксперимента а Ь —» с d изображена на рис. VII.4.1. Пучок частиц а, выходящий из ускорителя, падает на неподвижную мишень, состоящую из частиц Ъ. За мишенью образуются рассеянный пучок с и частицы отдачи рассеивателя d. Опыт заключается в наблюдении и изучении частиц cud, возникающих при столкновении частиц а и Ъ.
с
d
Рис. VII.4.1
' Кроме метода с неподвижной мишенью используется метод встречных пучков — экспериментальный метод исследования элементарных частиц, в котором два пучка заряженных частиц, ускоренных до заданной энергии, движутся навстречу друг другу, взаимодействуя на участке встречи. Сталкивающиеся частицы предварительно ускоряются в циклических или линейных ускорителях, накапливаются и доускоряются в накопителях (накопительных кольцах) для увеличения как полного числа, так и концентрации частиц. Преимущество метода встречных пучков — достижение энергии реакции при заданной энергии ускоренных частиц, значительно превышающей энергию реакции в ускорителе с неподвижной мишенью. Максимальная энергия
VII.4.2. ФУНДАМЕНТ ЧАСТИЦЫ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 927
реакции (Ep = Js — энергия в системе центра масс) при столкновении встречных частиц с массами та, ть с одинаковыми значениями 3-импульсар равна сумме энергии обеих частиц Ea и Eb:
Ep= Js =Ea + Eb.
Для ускорителя с неподвижной мишенью максимальная энергия реакции равна (скорость света с = 1)
?* = Js* = J2Еать +т2а +Tn2b .
Для частиц одинаковой массы т в ультрареляти-вистском пределе при ускорении до одной и той же энергии (Ea ~ Eb ~ E ~ р» т) следует
Ep-2р~ 2Е,
Ep = J2(E + т)т ~ J2pm ~ j2Em , Ep 2> Е* .
Пример. Протонный ускоритель (т = тр~ IO-3 ТэВ) на встречных пучках на энергию протона в пучке E = = 1 ТэВ эквивалентен (2E = j2E3KBmp) ускорителю
2 F2
с неподвижной мишенью на энергию = ==- =
тр
= 2 ¦ IO3 ТэВ.
Ускорители на встречных пучках называют коллайдерами (от англ. collide — столкнуть).
Столкновение (рассеяние) двух частиц называют упругим, если новые частицы не возникают, частица а лишь рассеивается частицей Ь. При возникновении новых частиц говорят о неупругом столкновении (рассеянии, процессе). При множественном рождении частиц говорят о глубоко неупругом столкновении (рассеянии, процессе). Например, глубоко неупругое рассеяние электрона на протоне: ер —* е + + адроны, допускаемое законами сохранения; или глубоко неупругое рассеяние нейтрино на протоне: VfiP -^n + адроны.
928
Vll 4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
2°. На опыте измеряют число частиц dN(E, 0, <р), рассеянных в телесный угол dfi. Эта величина, пропорциональная телесному углу dQ, зависит от полярного угла 0 и азимутального угла <р, определяющих направление от мишени на счетчик, а также от энергии Е. Кроме того, dN(E, 0, <р) пропорционально потоку частиц N в падающем пучке. Отношение определяет
N
вероятность рассеяния Р(Е, 0, <р) частицы с энергией E в телесный угол dQ:
^ = Р(Е, 0, ф) dfi.
Отношение вероятности Р(Е, 0, ф) dQ к плотности потока I0 частиц в падающем пучке определяет дифференциальное сечение процесса рассеяния частицы dcr(?, 0, ф):
dcrCE, 0, ф) = Р(Е, 0, ф) — .
1O
Интегрируя дифференциальное сечение рассеяния по полному телесному углу, получим полное сечение рассеяния:
с(Е) = Z01 J Р(Е, 0, ф) d?2.
В ядерной физике и физике элементарных частиц сечения выражают в барнах (от англ. barn — сарай): 16= IO"28 м2. Наименование барн не имеет прямого смыслового значения.
Если процессы рассеяния характеризуют соответствующим сечением с(Е), то реакции распада обычно описывают временем жизни
где с — скорость света.
3°. Источником первичных пучков частиц являются как специально созданные ускорители, так и естественные ускорители в космосе, создающие потоки частиц высокой энергии — космические лучи (KJI), а также продукты ядерных реакций.
VII.4.2. ФУНДАМЕНТ. ЧАСТИЦЫ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 929
Космические лучи представляют собой поток частиц высокой энергии (I—IO15 МэВ), в основном протонов, падающих на Землю из космического пространства (первичные KJI), а также поток частиц, рожденных при столкновении первичных частиц с ядрами атомов воздуха (вторичные KJI — протоны, электроны, мезоны, фотоны).
