Адронные струи
Откуда у физиков берётся убеждённость в реальности кварковой теории? Одним из наиболее убедительным доказательством этого является наблюдение струй адронов, образующихся в процессах е+е- -аннигиляции.
Аннигиляция электрона и позитрона
происходит в результате электромагнитного
взаимодействия. При взаимодействии
электрона и позитрона рождается
виртуальный фотон. Образовавшийся
фотон может родить любые частицы,
которые отвечают законам сохранения.
В частности, в результате е+е-
-аннигиляции могут рождаться пары +-
и
(см. рис. 11.3).
Рис. 11.3. Диаграммы Фейнмана для процессов е+е- +- и е+е- .
Рассмотрим, как осуществляется процесс
рождения адронов в е+е-
-аннигиляции. Здесь также происходит
на первом этапе взаимное уничтожение
электрона и позитрона с образованием
виртуального фотона. Затем фотон
образует кварк-антикварковую пару. Из
закона сохранения следует, что
образовавшаяся кварк-антикварковая
(
)
пара имеет туже энергию и импульс, что
и сталкивающиеся лептоны. Однако кварки
являются цветными объектами и не могут
существовать в свободном состоянии.
Однако, если, например, первоначально
образовалась пара
кварков, то с-кварк может подхватить
из вакуума
-кварк
и образовать совместно с ним D+-мезон,
а
-кварк
тем же способом D-
-мезон.
Такой процесс превращения кварков в адроны называется адронизацией.
Так как при лобовом столкновении е+ и е- суммарный импульс равен 0, то вновь рождённая -пара также будет иметь нулевой импульс. Следовательно, первоначальные -кварки будут разлетаться в диаметрально противоположных направлениях с одинаковыми скоростями. Обрастая «извлечёнными из вакуума» кварками, первичная кварк-антикварк пара превращается в набор бесцветных адронов. Из закона сохранения импульса следует ожидать, что импульсы образовавшихся адронов должны быть направлены вдоль импульсов первоначально возникших кварк-антикварка. Таким образом, результатом лобового столкновения высокоэнергичных е+ и е- может быть образование двух компактных групп адронов, летящих в противоположных направлениях – так называемых адронных струй (см. рис.11.4).
В экспериментах 1975 г. на установках SLAC (США), а затем PETRA (ФРГ) было убедительно показано, что такие струи адронов действительно наблюдаются.
Поскольку адроны имеют целочисленные заряды, то суммарный заряд адронных струй также целочисленный. Однако, если повторять один и тот же опыт по рождению струй много раз и определять средний по событиям заряд струи, то он оказывается дробным и величина его именно такая какая должна быть у кварков, образующих адронные струи.
Наиболее удобным для таких исследований
является глубоко неупругое столкновение
нейтрино (антинейтрино) с нуклоном
и
.
В таких процессах переносчик слабого
взаимодействия заряженный W
+ ( или W -
) бозон может поглотиться лишь кварком
d (или u
) нуклона, превратившись в кварк u
(или d), который
вылетая из нуклона даёт начало струе
адронов.
Рис. 11.4. Схематическое представление процесса адронизации: а) процесс рождения кварк-антикварк при аннигиляции лептонной пары; б) схематическое изображение адронных струй при разлёте пары кварк-антикварк.
11.2.
Конечный кварк, получив в глубоко неупругом столкновении основную часть энергии, приобретает большую скорость и вылетает из нуклона в переднюю полусферу в системе центра масс. Этот кварк называют лидирующим. Оставшиеся два кварка (кварки-наблюдатели) – имеют малую скорость и летят в заднюю полусферу (см. рис. 11.5).
Струя в передней полусфере несёт информацию об аромате лидирующего кварка. Если поставить эксперимент так, чтобы одновременно с измерением заряда струи в передней полусфере определять заряд мюона (или тип нейтрино), то таким образом можно привязать измеряемый заряд к типу наблюдаемого взаимодействия ( i или ii выражение 11.2).
Рис. 11.5. Схематическое изображение эксперимента по определению дробного заряда кварка.
Процесс столкновения мюонного нейтрино с нуклоном сводится к процессу: