Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

612 Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

тели, позволившие примерно на два порядка увеличить энергию, доступную для образования новых частиц. При этом важную роль начали играть опыты на так называемых ускорителях-нако- пителях со встречными пучками.

Чем же различаются между собой эти ускорители?

В опытах на «обычных» ускорителях, или, как еще говорят, на ускорителях с фиксированными мишенями, исследуются процессы взаимодействия ускоренных частиц с «неподвижными мишенями» — нуклонами и ядрами атомов вещества, из которого сделаны мишени. При этом только сравнительно малая часть энергии ускоренных протонов или электронов может быть затрачена «полезным образом» — на образование новых частиц. Так как налетающие на мишень бомбардирующие частицы имеют большой начальный импульс, то, в соответствии с законом сохранения, этот импульс должен уноситься всеми вторичными частицами, образующимися при взаимодействии. Эти частицы, конечно, будут обладать и значительной кинетической энергией. Таким образом, большая часть начальной энергии переходит в кинетическую энергию продуктов ядерной реакции, и только сравнительно небольшая ее доля может быть затрачена на образование новых частиц.

Напомним решение задачи 58 (гл. XXV), в которой было показано, что для образования протон-антипротонной пары в реакции p + p → p + p + p + p первичный протон должен обладать кинетической энергией Wк > 6mc2, хотя «полезные затраты» энергии составляют всего 2mc2. Вся остальная энергия переходит в кинетическую энергию вторичных частиц. Подобная картина имеет место и в других процессах.

В отличие от ускорителей с фиксированными мишенями, накопители на встречных пучках позволяют использовать всю начальную энергию. Основная идея здесь заключается в том, чтобы создать два очень интенсивных и хорошо сфокусированных пучка ускоренных частиц и, направив их навстречу друг другу, осуществить лобовое соударение между ними. При этом суммарный импульс двух сталкивающихся частиц равен нулю, и образующиеся вторичные частицы могут обладать очень малой кинетической энергией (порог рождения соответствует образованию покоящихся частиц). Так, при встречных соударениях двух протонов с кинетическими энергиями Wкр mc2 уже могут рождаться протон-антипротонные пары, и мы имеем значительный выигрыш в энергии.

Совсем недавно в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Женева) были проведены опыты со встречными пучками протонов и антипротонов, причем энергия каждого пучка составляла 270 ГэВ. В этих экспериментах были найдены частицы с массой, почти в 100 раз превосходящей массу протона. Для опытов с фиксированной мишенью с такой же «полезной энергией» потребовалось бы создание ускорителя, рассчитанного на энергию 155 ТэВ!

Однако было бы неправильно думать, что следует создавать только ускорители-накопители со встречными пучками. Ускорители с фиксированными мишенями, уступая накопителям по доступной энергии, обладают, в свою очередь, рядом важных преимуществ. Прежде всего становится возможным проводить исследования с разнообразными пучками нестабильных или нейтральных частиц 1), которых нет на ускорителях со встречными пучками. Кроме того, на ускорителях с фиксированными мишенями можно изучать более редкие явления, так как здесь удается получить значительно большее число соударений. Поэтому исследования с «обычными» ускорителями и со встречными пучками взаимно дополняют друг друга и вместе дают очень важную информацию о физике элементарных частиц. В табл. 12 приведены основные параметры самых больших существующих и строящихся ускорителей.

Для проведения опытов на современных ускорителях, помимо больших пузырьковых камер (§ 235), потребовалось создание огромных и очень сложных экспериментальных установок, которые по своим масштабам сравнимы с самими ускорителями (рис. 422). В состав этих установок входят большие магнитные спектрометры, тысячи быстродействующих сцинтилляционных счетчиков, десятки тысяч газоразрядных детекторов, очень напоминающих пропорциональные счетчики (о таких счетчиках говорилось в § 213). Эти и другие приборы, входящие в экспериментальные установки, позволяют определять траектории частиц, измерять их энергию, импульс, скорость, ионизацию, идентифицировать частицы и подробно исследовать характеристики

1) В опытах на ускорителях с фиксированными мишенями формируются пучки вторичных заряженных частиц с определенными импульсами — π-ме- зонов, протонов, мюонов и других частиц. При этом используются отклонения частиц в магнитных полях (обратно пропорциональные их импульсам). Применение магнитных полей с определенными сложными конфигурациями позволяет фокусировать пучки частиц (подобно тому как оптические линзы фокусируют световые пучки). Пучки нейтральных частиц выделяются коллиматорами и очищаются от заряженных частиц магнитными полями.

614Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

Т а б л и ц а 12. Самые большие ускорители

А.Ускорители с фиксированными мишенями

взаимодействий. В состав таких установок обязательно входят несколько электронно-вычислительных машин, с помощью которых быстро обрабатывается полученная информация, настраиваются многочисленные элементы аппаратуры, контролируется затем правильность их работы, получаются первые физические результаты, позволяющие следить за проведением эксперимента в целом. Полученные в процессе измерений огромные объемы информации после некоторого предварительного отбора записываются на магнитные ленты и затем обрабатываются на самых больших и быстродействующих электронно-вычислительных машинах. На рис. 423 приведен снимок с дисплея ЭВМ, на котором показан вид одного из событий, зарегистрованных на установке UA-1 (рис. 422). Вот с какими сложными процессами приходится иметь дело в современном физическом эксперименте.

616 Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

Рис. 422. Общий вид экспериментальной установки UA-1, на которой проводились исследования pp-соударений на самом большом в мире ускорителе-накопителе со встречными протонным и антипротонным пучками (SPS-коллайдер ЦЕРН, см. табл. 12). Установка UA-1 — это огромный магнитный спектрометр для измерения импульсов вторичных частиц, образующихся в pp-соударениях. Частицы регистрировались в газоразрядной камере (она видна в центре установки). Камера представляет собой совокупность большого числа газоразрядных детекторов частиц, напоминающих пропорциональные счетчики. С помощью этих детекторов определяются траектории частиц. В состав установки

входит также большое число сцинтилляционных счетчиков

§ 239. Адроны и кварки. Исследования на больших ускорителях сильно расширили наши представления об элементарных частицах. Прежде всего это касается самого многочисленного семейства частиц — адронов, т. е. частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. В настоящее время известно несколько сотен таких адронов — барионов (частиц с барионным зарядом B = +1), антибарионов (B = −1) и мезонов, у которых барионный заряд равен нулю. Большинство этих частиц распадается на другие адроны из-за сильных взаимодействий. Они имеют малые времена жизни, характерные для ядерных процессов ( 10−23 с, см. § 234). Столь короткие временные интервалы не могут быть измерены непосредственно и определяются из косвенных данных. Однако есть адроны и с временами жизни 10−8–10−13 с. Распады этих долгоживущих (по ядерным масштабам) частиц обусловлены слабыми взаимодействиями.

Рис. 423. Снимок с дисплея ЭВМ, работающей вместе с установкой UA-1 (рис. 422). На снимке зарегистрировано одно из pp-соударений при энергии 270 ГэВ (p) + 270 ГэВ (p). Информация со всех детекторов установки, обработанная на ЭВМ, позволяет определить траектории частиц и получить полную картину взаимодействия, несколько напоминающую снимки с пузырьковых камер. Импульсы частиц измерялись по кривизне их треков в магнитном поле. Как видно из снимка, взаимодействия при таких высоких энергиях носят очень сложный характер:

в них образуется большое число вторичных частиц

Пока элементарных частиц было известно немного, они считались «кирпичиками» мироздания: из них строилось все многообразие атомов. Теперь же число элементарных частиц превышает число химических элементов, и само понятие «элементарная частица» для адронов явно утратило свое первоначальное значение.

В физике элементарных частиц нет сейчас законченной теории, которая позволила бы объяснить все основные явления, выявить главнейшие закономерности и достигнуть той же степени понимания, которая существует в классической механике или электродинамике. В подобной ситуации особое значение приоб-

618 Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

ретают попытки феноменологического анализа и классификации физических явлений, основанные на определенных законах сохранения. Эти законы позволяют ориентироваться в том, какие процессы могут, а какие не могут происходить в природе.

Вспомним, например, закон сохранения барионного заряда, о котором говорилось в предыдущей главе. Согласно этому закону в любых процессах разность между числом барионов и антибарионов не изменяется. Для математического выражения этого закона мы приписали барионам значение барионного заряда B = +1, антибарионам — значение B = −1, а для всех других частиц положили барионный заряд равный нулю. Тогда сохранение числа барионов и означает сохранение барионного заряда.

Для суждения о возможности той или иной реакции необходимо прежде всего проверить, сохраняются ли в этой реакции электрический и барионный заряды. Рассмотрим, например, процесс

эта реакция разрешена и законом сохранения электрического

заряда (электрический заряд протона +1, а антипротона −1).

конечн

говорить ниже.

Установление закономерностей внутреннего строения элементарных частиц является одной из важнейших проблем современной физики. Для решения этой проблемы имеет большое значение создание четкой систематики частиц, в известном смысле напоминающей периодическую таблицу.

Первый шаг в этом направлении был сделан, когда удалось выяснить, что адроны группируются в очень близкие но своим

620 Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

Некоторые такие названия носят исторический характер. Так,

в50-х годах, когда были открыты первые необычные частицы, их свойства казались очень загадочными в свете существовавших тогда представлений. Отсюда возникло название странные частицы. Когда же загадки были объяснены введением нового квантового числа, то этот новый «заряд» и получил название странность. В целом же обилие экзотических наименований

вфизике элементарных частиц (кварк, аромат, странность, оча-

рование и т. д.) отражает пристрастие физиков, работающих

вэтой области, к ярким, запоминающимся и образным выражениям, которые звучат загадочно и красиво на всех языках и вместе с тем напоминают нам о том, что природа соответствующих объектов еще не понята до конца и, возможно, таит в себе много неожиданного.

Общие характеристики некоторых сильновзаимодействующих частиц приведены в табл. 13, которая в дальнейшем будет обсуждаться более подробно. В этой таблице, однако, содержится очень малая часть всех известных адронов — только сравнительно долгоживущие частицы, распадающиеся благодаря слабым взаимодействиям (или под действием электромагнитных сил). Большинство адронов, как уже говорилось выше, рас-

падаются из-за сильных взаимодействий, и их времена жизни лежат в области 10−22–10−23 с. Важно подчеркнуть, что эти короткоживущие адроны принципиально ничем не отличаются от долгоживущих частиц.

Мы ограничились в табл. 13 одними долгоживущими частицами, так как, если попытаться включить в нее все известные адроны, то таблица превратится в целую брошюру.

Огромное число обнаруженных адронов и определенная их группировка по разным классам и семействам более или менее близких по свойствам объектов заставляет усомниться в элементарном характере этих частиц. Наиболее естественное объяснение группирования адронов в семейства, представления о природе и структуре этих семейств, а также объяснения многих других свойств адронной материи были получены в кварковой модели строения адронов.

Основные положения этой модели могут быть сформулированы следующим образом.

1.Адроны нельзя рассматривать как элементарные частицы

вподлинном смысле этого слова. Они имеют сложную внутреннюю структуру и, наподобие атомных ядер, являются связанными системами из истинно-элементарных или фундаменталь-