Физика частиц

Лекция № 15

Элементарные частицы. Законы сохранения. Систематика элементарных частиц. Кварковая модель. Ускорители международного центра в Европе (ЦЕРН). Стандартная модель. Нейтрино. Типы нейтрино, их свойства. Большой адронный коллайдер (БАК).

Вообще медикам биологам и другим специалистам естествознания вряд ли стоило читать лекцию об элементарных частицах. Но на самом деле это очень интересная область знания для любого думающего человека. Она ставит перед знанием самые глобальные вопросы как образовался окружающий нас мир и какова его судьба в будущем. Физика частиц связывает воедино проблемы микромира и астрономии. Ведь всем нам интересно как образовалась Вселенная, как образуются звезды, планеты, галактики.

Физика элементарных частиц началась с открытия электрона Томсоном в 1897 году, а затем и протона Резерфордом в 1919 году. Эти открытия показали, что атом и даже ядро атома не представляют собой единой материи, которая однородна и далее не из чего не состоит, то есть является элементарным кирпичиком в строении материи. Атом, как показал в своих экспериментах Резерфорд, состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. После того, как было установлено, что из ядра вылетают электроны, протоны и другие частицы, стало понятно, что ядро имеет сложную структуру. После открытия Чедвиком в 1932 году еще одной элементарной частицы – нейтрона структура ядра стала понятной. Ядро состоит из двух разновидностей элементарных частиц – нейтронов и протонов, а атом из трех, включая еще и электрон. Если к этим частицам добавить еще и фотон - квант света, то, казалось, что стал ясен набор частиц, из которых состоит окружающее нас вещество.

Однако при исследованиях - распада ядра вдруг было обнаружено нарушение закона сохранения энергии. Устранить его можно было введением третьей частицы, образующейся при - распаде ядер. Эту частицу назвали нейтрино[1] и начали искать в экспериментах. С этой целью для подтверждения теоретического предсказания существования нейтрино началось исследование космических частиц.

В это же время П.Дирак теоретически предсказал существование антиэлектрона – частицы, имеющей массу, спин, и другие характеристики частицы, такие как у электрона, но противоположный электрону положительный заряд. Вскоре эта частица была обнаружена экспериментально и получила название позитрон. Частицы, имеющие противоположный заряд по отношению к частице при одинаковых других характеристиках получили название античастиц. Перед физиками возник вопрос, а существуют ли у других частиц античастицы? Как выяснилось много позже, у всех, открытых к настоящему времени, частиц существуют античастицы.

Оказалось, что ядро разрушить намного труднее, чем атом, поскольку протоны и нейтроны в ядре связаны между собой ядерным или сильным взаимодействием. Исследуя свойства ядерных сил, физики установили, что радиус их действия составляет ~ 10^{-13 см, и они носят обменный характер (например, протон внутри ядра может превратиться в нейтрон и наоборот). Японский физик Юкава предположил, что переносчиком ядерных сил должны быть тяжелые частицы с массой порядка 200}m_e, которые получили название квантов ядерного взаимодействия. Сильное притяжение между нуклонами ядра можно с этой точки зрения интерпретировать как обмен частицами с массой 200m_e, причем протоны и нейтроны, при обмене квантами превращаются друг в друга. Эти частицы, как и нейтрино, стали искать в космических лучах.

При исследовании космических лучей сначала были открыты в 1938 году другие частицы - мезоны, которые не участвовали в ядерных взаимодействиях. А π – мезоны, предсказанные Юкавой, подходящие на роль кванта сильного взаимодействия были открыты позже (в 1947 году английский физик С.Пауэлл обнаружил в фотоэмульсиях следы частиц, которые назвали - мезонами, а в 1950 году был открыт– π⁰ – мезон[2]). Они были обнаружены при регистрации в специальных регистрирующих устройствах (детекторах) космических частиц. Эти частицы оказались сильновзаимодействующими. Открытые частицы - мезоны имели близкую массу, которая соответственно составляла:

,.

Как оказалось, у обнаруженных в космических лучах - мезонов и - мезонов существуют античастицы. Они отличаются друг от друга только знаком заряда, имея равную массу и одинаковые другие характеристики.

Стали искать античастицы у протонов. Их удалось получить в 1955 году в США на ускорителе с очень высокими энергиями 4.3 - 6.2 ГэВ физиками Сегре и Чемберленом. Для этого медная мишень бомбардировалась протонами, а из нее вылетали антипротоны. Позднее на этом же ускорителе был открыт и антинейтрон.

Причем оказалось, что частицы могут исчезать (этот процесс стали называть аннигиляцией), встречая на пути свои зеркальные отражения – античастицы. При этом энергия, заключенная в их массах, не исчезала, а превращалась в другие частицы. Например, встречаясь, электрон и позитрон аннигилируют (исчезают), превращаясь в два фотона, которые летят в строго противоположных направлениях. Именно это открытие стало основой для создания ПЭТ-томографа.

Примерно до пятидесятых годов прошлого века разницы между ядерной физикой и физикой элементарных частиц не было. Однако в космических лучах, и на ускорителях стали открывать все новые частицы, имеющие, прежде всего, различные массы. Эти частицы обладали свойством превращаться друг в друга.

С ростом числа открытых частиц и вариантов их превращений друг в друга весь набор экспериментального материала представлял собой бессистемное множество данных. Для его осознания физики стали делать попытки систематизировать частицы. В процессах превращения частиц заметили сохранение их некоторых характеристик – квантовых чисел.

Для объяснения других превращений пришлось ввести новые квантовые числа, например, странность. Из частиц строили различные схемы. Одна из которых превратилась в хорошо известную модель кварков, поскольку смогла систематизировать известные частицы и предсказать новые, которые были открыты позже.

Эти открытия стали триумфом модели кварков. Стали считать, что кварки – это тот элементарный кирпич, из которого состоит материя. Число открытых частиц продолжало расти. Для их систематизации и объяснения превращений модель кварков сначала состояла из трех кварков и трех антикварков, а затем их число, чтобы объяснить появление новых частиц, выросло до шести кварков и антикварков. Впоследствии элементарных кирпичиков - кварков стало тридцать шесть. К ним следует добавить частицы, которые не из чего не состоят. Это лептоны. Их с античастицами двенадцать (шесть частиц и шесть антчастиц). То есть картина окружающего постепенно вновь стала усложняться.

Кроме того, в моделях, объясняющих астрономические наблюдения, в первую очередь возникновение окружающей нас Вселенной, также стали использовать достижения физики частиц. Возникла, так называемая Стандартная модель Вселенной, в которой окружающий нас мир стал развиваться из одной ядерной капли примерно 13 миллиардов лет назад. Физикам удалось описать наиболее вероятную картину развития Вселенной и составляющих ее объектов (частиц, межзвездного газа, звезд и т.д.). Но количество непонятных проблем не уменьшилось. Стала возникать все новые задачи.

Для исследования свойств и превращений элементарных частиц интенсивности космических лучей было недостаточно. Чтобы их изучить, нужны ускорители с высокими энергиями. Достигнутая к началу пятидесятых годов энергия ускорителей позволяла в лабораторных условиях их получать и исследовать. В первой половине пятидесятых годов исследования продолжились на ускорителях с энергией до нескольких ГэВ (линейных ускорителях, фазотронах, изохронных циклотронах с энергиями до 1 ГэВ, синхротронах с энергией 3 и 6 ГэВ).

Но затем для поиска все новых частиц и исследования их свойств потребовались ускорители на сверхвысокие энергии (сотни ГэВ и единицы ТэВ). Такие ускорители представляют собой ускорительные комплексы высоких энергий, состоящие из нескольких ускорителей разных энергий. Они очень дорогие и большинству стран не под силу построить их самостоятельно, а затем и эффективно использовать. Поэтому такие исследования проводятся, в основном, в крупных международных научных ускорительных центрах.

На них[3] начали открывать все новые элементарные частицы. Установлены схемы взаимопревращений элементарных частиц в результате их взаимодействия или самопроизвольного распада, измерены характеристики элементарных частиц: электрические заряды, массы, барионные заряды, лептонные числа, четности, спины и другие характеристики.

Причем даже нейтрино оказалось три вида, причем все они имеют свои античастицы - антинейтрино.

Рассмотрим несколько примеров, как законы сохранения объясняют превращения и систематизируют элементарные частицы.

Законы сохранения квантовых чисел. Оказалось, что в физике частиц помимо законов сохранения классической механики (энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда) действует еще целый законов сохранения. Это законы сохранения квантовых чисел: барионного (В), электронного лептонного L_e, мюонного L_μ, таонного , странности (S), четности пространственной (Р), и зарядовой (С), а также их произведения (СР). Постепенно число действующих законов выросло до пятнадцати. Хотя некоторые законы сохранения в определенных случаях нарушались.

Рассмотрим несколько примеров действия законов сохранения квантовых чисел.

Пример 15.1. Одна из первых реакций физики частиц - это распад свободного нейтрона:

(15.1)

Процесс (15.1) называется реакцией. В ней свободный нейтрон (слева от стрелки) в течение примерно десяти минут распадается на электрон(е), протон (р) и антинейтрино (). Нейтрон и протон – барионы, а электрон и нейтрино - лептоны. Барионам приписывается барионное квантовое число (В), а лептонам – лептонное (L). Чтобы такая реакция реально происходила сумма лептонных и барионных чисел справа и слева от стрелки в реакции (15.1) должно быть одинаково. Электронам соответствует квантовое число L_е, причем L_e =1. Тогда при распаде должно возникать не нейтрино, у которого по смыслу должно быть , а антинейтрино, имеющего . В этом случае сумма лептонных чисел в реакции (15.1) сохраняется (справа и слева от стрелки она равна нулю). Это видно из квантовых чисел под реакцией (15.1):

Q: 0 -1 1 0

L_e: 0 1 0 -1

B: 1 0 1 0

Суммарный электрический заряд, а также квантовые числа L_е и В до и после распада нейтрона не изменяются.

Среди всего потока открытых частиц выделим несколько наиболее характерных видов.

В космических лучах в 1951 году были обнаружены частицы, пробег которых в фотоэмульсии соответствовал массе примерно m_x=1000m_e. Далее оказалось, что таких частиц три: и с массой 965 – 970 m_e, а их барионное число В=0, то есть это были мезоны[4], которые взаимодействуют с другими частицами ядерными силами. Особенность этого вида частиц оказалась в том, что в реакциях с образованием К-мезонов наблюдалась не симметричность свойств и - мезонов, которые считались частицей и античастицей. Оказалось, что рождаются К-мезоны парами или тройками. К тому же - мезоны могут образовываться в паре с -мезонами, а -мезоны – в том числе и с другими частицами. Эти свойства оказались для физиков странными и непохожими на свойства других элементарных частиц. Описание взаимопревращений этих частиц можно было объяснить, вводя характеристику, получившую название странность (S). Например, К⁺- мезоны распадаются на мюоны и пионы:

, (15.2)

. (15.3)

К-мезонам разных знаков были приписаны значения квантового числа – странности:

, . (15.4)

В процессах (15.2) и (15.3) странность изменялась на единицу.

Удивительным стало открытие еще одного вида частиц, масса которых была больше массы протонов[5]. Их назвали гиперонами[6] ().

Эти частицы имели все те же характеристики, что К-мезоны, но у них оказалось отличным от нуля барионное число В =1, то есть они являлись барионами. На ускорителях на пучках π-мезонов и К-мезонов было открыто и исследовано семейство гиперонов , а затем были открыты еще более массивные частицы, которые были названы резонансами [7], поскольку время их жизни было много меньше, чем у остальных частиц. Их свойства также оказались странными.

Например, возможны процессы, в которых не изменяется странность (это условие носит название закона сохранения странности [8]):

,

.

Откуда, учитывая (15.3), оказывается, что странность и составляет , .

В качестве примера приведем реакцию, в которой был открыт анти-сигма-минус-гиперон (обозначается ), подтвердивший справедливость предложенной в средине шестидесятых годов модели кварков и, фактически, сделавший ее общепризнанной.

Пример 15.2. При облучении дейтериевой мишени пучком К⁺- мезонов был обнаружен в 1971 году анти-сигма-минус-гиперон :

. (15.5)

Q: -1 1 -1 0 0 1 1 -1

B: 0 2 -1 1 1 1 0 0

S: 1 0 3 -1 -1 0 0 0

Складывая заряды и квантовые числа до и после стрелки в строчках под реакцией, видим, что в реакции (15.5) кроме электрического заряда и барионного числа сохраняется еще и странность. Характеристики анти-сигма-минус-гиперона в реакции (15.5) совпадали с предсказаниями кварковой модели.

Все известные частицы систематизированы по их различным характеристикам. В первую очередь все частицы делятся на частицы и античастицы, например, как отмечалось выше электрон (е^-) и позитрон (е⁺), протон (р) и антипротон ()[9] и так далее. Затем их делят по виду взаимодействия между собой электромагнитному, сильному и слабому.

Первую группу частиц представляют лептоны. Лептоны могут участвовать в превращениях, происходящих в результате электромагнитного и слабого взаимодействия. В эту группу входят электроны (е^-), позитроны (е⁺), мюоны (), таоны (), а также соответствующие им нейтрино и антинейтрино (электронные - , мюонные - , таонные - ). Таким образом, известны шесть лептонов и шесть антилептонов.

Вторая группа частиц - это адроны. К ней относятся сильновзаимодействующие частицы. Адроны делятся в зависимости от соответствующего частицам барионного числа или барионного заряда. Частицы с барионным зарядом равным единице (В=1) получили название барионов, а частицы с барионным зарядом равным нулю (В=0) – мезонов. К барионам относятся нуклоны (например, протоны и нейтроны), гипероны (например, ) и резонансы (например, как уже отмечалось выше -резонансы).

Связать между собой все открытые частицы – адроны, которых оказалось огромное количество, пыталось систематизировать множество ученых. С этой целью было предложено ряд моделей, основанных на гипотезе, что элементарные частицы, как и ядра, тоже имеют внутреннюю структуру, то есть из чего-то состоят. Исторической оказалась модель, предложенная в 1964 году американским физиком Гелл-Маном[10], в которой частицы строились из трех или из двух кварков, имеющих дробный электрический заряд. Это соответствовало экспериментальным данным о наличии трех рассеивающих центров внутри нуклонов[11] и позволяло сконструировать из кварков все известные к тому времени частицы. Тем не менее, оставалось проблемой, как связать между собой различные группы частиц.

Модель кварков. В рамках этой красивой и наглядной модели, как уже отмечалось, удалось систематизировать все известные к тому времени элементарные частицы и предсказать новые, как уже отмечалось, - гиперон.

Смысл модели рассмотрим на примере нуклонов. В рамках этой модели каждая частица состоит из трех кварков. Были введены обозначения кварков u (upp), d (down) и странный кварк S (strange), а также их антикварков , и . Каждый из кварков u и d имеет полуцелое значение спина:

а также дробное значение барионного числа и нулевое значение странности S:

и дробное значение электрического заряда:

.

В рамках предложенной модели протон будет состоять из трех кварков:

p=uud,

причем его характеристики легко получаются сложением характеристик трех кварков u, u и d:

,

,

.

аналогично характеристики нейтрона также получаются сложением характеристик трех кварков:

n=udd, ,

Мезоны состоят из двух кварков, например:

,

,

Структура гиперонов в кварковой модели на примере - гиперона имеет вид:

Характеристики резонансов в кварковой модели можно составить из кварков аналогично протону:

Предсказанные характеристики -гиперона, которого недоставало в треугольной диаграмме, составленной Гелл-Маном в 1962 году:

Эти характеристики получаются и в реакции (15.5).

Таким образом, удалось описать структуру частиц, построить схемы, связывающие между собой различные группы адронов и мезонов.

Однако вновь открываемые частицы и стремление объединить разные типы превращений частиц не укладывались в рамках трехкварковой модели. Это привело к развитию этой модели из трех- в четырехкварковую, а затем в пяти и шестикварковую.

Необходимость четвертого кварка была обусловлена отсутствием в природе некоторых взаимопревращений частиц, например:

,

которые не запрещались в трехкварковой модели. Введение четвертого кварка позволяло привести в соответствие теорию и эксперимент. Четвертый кварк, получивший название очарованного кварка (с), был открыт в 1974 году[12].

Эксперименты для проверки и развития кварковой модели проводились на построенных специально для этих целей больших ускорительных комплексах.

Ведущим мировым центром в физике элементарных частиц является международный ускорительный комплекс ЦЕРН, начавший работать в 1971 году Швейцарии.

Первоначально он состоял из протонного синхротрона на энергию 28 ГэВ. Встречные пучки рр и - коллайдера имели энергию 28 ГэВ, которая затем возросла до 31.4х31.4 ГэВ. Затем был построен еще один коллайдер с энергией протонов и антипротонов 270х270 ГэВ. В дальнейшем энергия возросла до 450х450 ГэВ. В настоящее время в ЦЕРНе запущен новый ускорительный комплекс – Большой Адронный Коллайдер (БАК) на энергию 7х7 ТэВ[13] (рис.15.1). Как видно на рис.15.1, ускорительный комплекс представляет собой несколько ускорителей. Сначала протоны ускоряются в линейном ускорителе до энергии 4.2 МэВ, затем в протонном синхротроне (бустере) – 1.4 ГэВ. Далее ускорение протонов происходит в кольце первого протонного синхротрона до энергии 25 ГэВ, второго – до 450 ГэВ. На последнем этапе они поступают в основное кольцо комплекса, где ускоряются до энергии 7х7 ТэВ.

Другой такой центр действовал в США в Ботавии до 2011 года (лаборатория им. Э.Ферми). Энергия встречных пучков протонов, достигнутая в комплексе, составляла 1х1 ТэВ. В этом центре в 1977 году на пучке протонов с энергией 400 ГэВ был открыт пятый кварк – красивый (b), а в 1995 году шестой t-кварк[14].

Самый крупный ускорительный центр в нашей стране с максимальной энергией 70 ГэВ действует в Протвино (Московская область, вблизи Серпухова) с 1967 года. На рис 15.2 представлен общий вид комплекса. Диаметр основного кольца ускорителя составляет 472 м, а длина орбиты -1484 м.

Это привело к трансформации четырехкварковой в шестикварковую модель[15]. Она базируется на симметрии между шестью лептонами и шестью кварками:

е u d s

c b t

В настоящее время известны переносчики (кванты) трех видов взаимодействий электромагнитного (фотон), сильного (глюон), слабого (и - бозоны).

Физики пытаются объединить различные виды взаимодействия частиц в рамках одной модели. Это позволит объяснить в рамках единой теории, макроскопические процессы астрофизики и процессы, происходящие в микромире, которые относятся к физике элементарных частиц. Первоначально физикам удалось построить модель, связывающую электромагнитные и слабые взаимодействия. А в 1974 году Г.Джорджи и Ш.Глешоу предложена модель Великого объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Эта модель получила название Стандартной Модели.

Рис.15.1. Схема большого адронного коллайдера (БАК или LHC).

Рис.15.3. Общий вид ускорительного комплекса в Протвино.

В настоящее время смыкаются актуальные проблемы ядерной физики, физики элементарных частиц и астрофизики в рамках теории образования Вселенной - общепризнанной теории Большого Взрыва.

Для объяснения механизмов возникновения и эволюции Вселенной в 1967 году А.Саламом и Вайнбергом было предложено поле, названное хигсовским с частицами, которые позволяют формировать массу различных частиц. Их предполагаемая масса может составлять от примерно 122 до 270 масс протона.

Первоначально согласно теории Большого Взрыва все вещество было сосредоточено в одной сверхплотной капле, которая расширяясь, стала превращаться сначала в смесь квантов различных полей. Из них с участием хигсовских частиц стали формироваться отдельные частицы, имеющие конкретную массу. Затем частицы стали объединяться в ядра и атомы, образуя окружающее нас вещество.

Для поиска и исследования этих частиц в первую очередь и создан ускорительный комплекс в ЦЕРНе - БАК[16]. Он работает в тоннеле длиной 26.7 км, расположенном на глубине 100 м на территории Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной, сложной и дорогой установкой на Земле, которую ни одна стран самостоятельно построить не сможет.

Создание ускорительного комплекса БАК: позволит изучить свойства шестого t– кварка; осуществить поиск хиггсовских бозонов, а также осуществить экспериментальную проверку целого ряда выводов фундаментальной теории, проверить стандартную модель (СМ) и модель Большого взрыва Вселенной, а также изучить многие другие проблемы физики.

В последние годы астрономы поставили новые задачи перед физиками. Их исследования показывают, что Вселенная расширяется с ускорением. Для объяснения этого и других фактов ввели понятия темной энергии и темной материи. Предполагается, что вещество во Вселенной составляет несколько процентов, небольшую часть массы составляют все нейтрино, а значительная часть массы Вселенной сосредоточена в темной материи. Для расширения Вселенной с ускорением нужна какая-то дополнительная энергия, например, в результате действия антигравитации или еще чего-нибудь. Так что в физике сохраняются очень интересные загадки.

Нейтрино. Важную роль в развитии и познании Вселенной и физики частиц играет нейтрино, которые сосредотачивают в себе часть массы Вселенной. Эта частица, как считается в настоящее время, имеет или очень малую массу или их масса равна нулю. Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. Оно может пройти сквозь Землю, ни разу не взаимодействуя, ни с одной частицей вещества. Нейтрино, не взаимодействуя с веществом, проходят от далеких звезд до Земли гигантские расстояния и несут не искаженную информацию о них.

Нейтрино, как отмечалось выше, было предсказано в 1930 году швейцарским физиком В.Паули с целью объяснения непрерывного энергетического спектра электронов при β-распаде, а в 1932 году Э.Ферми предложил название предсказанной частицы - нейтрино.

Экспериментально нейтрино было открыто в 1956 году в опытах Коуэна и Рейнеса, где реакторные антинейтрино взаимодействовали с протонами мишени в процессе обратного β-распада:

Сечение процесса взаимодействия нейтрино низкой энергии (порядка 1 МэВ) с веществом составило 10^-43 см². Далее, как уже отмечалось, были открыты три типа нейтрино: электронное (), мюонное (), таонное (), а также соответствующее каждому из них антинейтрино (), (), (). То есть существует всего шесть разных нейтрино.

Вопрос о массе нейтрино остается открытым, на данный момент оценены верхние пределы величины. Масса электронного нейтрино не превышает 2.8 эВ, тем не менее, отлична от нуля, как и двух других.

Потоки нейтрино получают из космоса, в реакторах и на ускорителях. Космос представляет собой естественный источник нейтрино. Искусственными источниками являются ядерные реакторы и ускорители элементарных частиц. В них нейтрино образуются в различных ядерных реакциях.

Проблема регистрации из-за малого сечения взаимодействия нейтрино с веществом (их сечение взаимодействия составляет порядка 10^-30 - 10^-43 см²) – основная в физике нейтрино. Сечение взаимодействия нейтрино с веществом зависит от энергии нейтрино. Для нейтрино сверх высоких энергий достигающих 10²¹ эВ сечение взаимодействия с веществом возрастает до величины 10^-30 см².

Поскольку вероятность взаимодействия нейтрино с веществом мала, то нейтрино, например, с энергией 1 МэВ имеет в свинце длину свободного пробега ~ 10²⁰ см (~ 100 св. лет).

Благодаря своей проникающей способности, нейтрино являются уникальным источником информации о процессах, происходящих в ядрах звезд, об астрономических событиях значительно отдаленных от наблюдателя. Астрономические тела для нейтрино практически прозрачны. Изучение нейтрино – один из уникальнейших инструментов по исследованию картины образования Вселенной.

В будущем с помощью пучков нейтрино может исследоваться, например, состав ядра Земли, поскольку лишь столь слабо взаимодействующие с веществом частицы могут проникнуть на глубину несколько тысяч километров. Уже сейчас проводятся эксперименты по передаче информации сквозь Землю с помощью пучков нейтрино. В первых экспериментах были переданы элементы азбуки Морзе - точка и тире. В будущем этот подход может стать основным способом передачи информации через толщу Земли и космической связи со спутниками, исследующие космические объекты.

Контрольные вопросы к лекции №15:

1. Из каких частиц состоит окружающий нас мир?

2. Какие законы сохранения действуют в физике элементарных частиц?

3. Как устроена кварковая модель?

4. Какие кварки Вы знаете?

5. Постройте из известных Вам кварков протон и нейтрон.

6. Какие частицы относятся к лептонам, адронам, мезонам. Приведите примеры.

7. Приведите примеры реакций с участием мезонов. Что такое «мезонная фабрика»?

8. Какими энергиями обладают ускорители, использующиеся в исследованиях в физике элементарных частиц?

9. Что такое ускорительный комплекс?

10. Что представляет собой (БАК) большой адронный коллайдер?

11. Зачем нужен физикам бозон Хиггса?

12. Какой самый крупный ускоритель действует в нашей стране?

13. Расскажите о нейтрино и его свойствах. Чему равна масса разных типов нейтрино?

14. Приведите примеры реакций, в которых получают нейтрино.

15. Как можно зарегистрировать нейтрино?

[1] В.Паули в конце 1930 предположил, что для объяснения непрерывного характера -спектра необходимо ввести третью частицу, которую Э.Ферми назвал нейтрино (на итальянском «нейтрончик»).

[2] π⁰ – мезоны были открыты при взаимодействии фотонов и протонов при энергии 330 МэВ с ядрами при регистрации двух фотонов высоких энергий, возникающих в результате их распада.

[3] Используется для их регистрации камера Вильсона, построенная на основе предложенного автором в 1927 году метода. В ней траектории частиц становятся видимыми, с помощью конденсации пересыщенного пара вдоль трека частицы. Причем камера располагается в поперечном магнитном поле, что позволяет легко отличить положительно и отрицательно заряженные частицы, а также легкие и массивные частицы. Чем больше масса частицы, тем выше радиус окружности, по которой она вращается под действием силы Лоренца. От знака заряда зависит – справа или слева от траектории располагается окружность на фотоснимке.

[4] Частицы с барионным числом равным нулю (В=0) называют мезонами, а с барионным числом неравным нулю () – барионами.

[5]-Гипероны были открыты в 1954 году в экспериментах на ускорителе с энергией 3 ГэВ (так называемом космотроне в Брукхейвене) и в 1958 году в составе космических лучей.

[6] Первоначально в 1951 году гипероны были обнаружены в космических лучах по распадам, в которых возникают две заряженные частицы, вылетая как бы из одной точки (образуя вилку), поскольку незаряженная частица не образует трека в камере Вильсона:. Причем распады частиц идут с изменением странности на единицу,.

[7] Резонансы, открытые в начале шестидесятых годов – это короткоживущие возбужденные состояния адронов, например связанных систем (), распадающиеся в результате сильного взаимодействия.

[8]Закон сохранения странности аналогично лептонным числам, справедлив для реакций с участием элементарных частиц.

[9] Значок над буквой (~) обозначает античастицы.

[10] Американский физик (1929) — лауреат Нобелевской премии по физике в 1969 г. «за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий», почетный профессор московского университета.

[11] Наиболее детально структура нуклона исследовалась на Стенфордском линейном ускорителе электронов (SLAC) с максимальной энергией 21 ГэВ. На пучке электронов с энергией 10 ГэВ было установлено, что взаимодействие электронов высоких энергий происходит не со всем протоном, а с некоторой его частью (партоном или кварком). Анализ результатов экспериментов показал наличие трех таких центров рассеяния на протоне.

[12] В Брукхейвене на пучке протонов с энергией 28 ГэВ и Стенфорде при столкновении в системе центра масс с энергией 2.6 – 8 ГэВ открыта частица. Как оказалось она состоит из очарованных кварка и антикварка. Примерами очарованных частиц, также открытых на протонных пучках являются очарованные странные и нестранные мезоны и очарованные барионы.

[13] Строительство ускорителя большого адронного коллайдера (БАК) началось в 2001 году после окончания работы электрон – позитронного коллайдера. Он работает в том же тоннеле длиной 26.7 км, расположенного на глубине 100 м на территории Швейцарии и Франции. В нем используется 1624 сверхпроводящих магнита, работающих при температуре 1.9К, общая длина которых 22 км.

[14] На протон – антипротонном коллайдере Теватроне, работающем в национальной ускорительной лаборатории им. Э.Ферми (США) был открыт и шестой топ-кварк, масса которого составляет 171.42.1 ГэВ. Однако энергии этого ускорителя оказалось недостаточно для обнаружения хиггсовского бозона.

[15] На необходимость перехода к шестикварковой модели указывало сделанное в 1975 году открытие τ-мюона (таона). В 2000 году было открыто соответствующее ему нейтрино.

[16] БАК в переводе на английский язык означает - Large Hadron Collider (LHC).

Дата добавления: 2014-01-07