Введение в ядерную физику / Лекции / Введение в ядерную физику_13_2023
.pdfВведение в ядерную физику
Лекция 13
Элементарные частицы
Д.Скобельцин
2
Открытие новых частиц
•Рождение частиц наблюдалось в космических лучах и на ускорителях.
Для идентификации : Масса и заряд M, Z
/Z/ определяется по dE/dx при известной энергии Е Масса M определяется
- по отклонению в магнитном поле (p/Z) и по пробегу R=R(E) -в реакциях при измерениях E,
3
Открытие позитрона с помощью камеры Вильсона (1932)
Изменение
кривизны
pc/z=300BR [эВ] [Гс см ]
4
Мюон
•Мюон (μ) был открыт в 1936 г. К.Андерсoном и С.Недермейером в составе космических лучей с помощью камеры Вильсона.
Основной канал распада : |
|
||
− → + − → + ҧ+ |
5 |
||
|
|
|
|
Распад частиц
Допустим, частица распадается 0 → 1 + 2
|
= |
+ |
= |
2 + 2 + |
2 |
+ 2 |
; |
|
= |
+ |
||||||
0 |
1 |
|
2 |
|
1 |
1 |
|
2 |
|
2 |
|
0 |
|
1 |
|
2 |
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 = 2 |
− 2 |
= 2 |
+ 2 |
+ 2 2 |
+ 2 |
∙ 2 |
+ 2 |
− |
||||||||
|
0 |
0 |
|
0 |
1 |
2 |
|
|
1 |
|
1 |
|
2 |
|
2 |
|
1 2 cos
6
Распад частицы после остановки
• Допустим, частица распадается из состояния покоя 0 → 1 + 2
0 = 0 |
; 0=0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
= + = |
2 + 2 |
+ 2 |
+ 2 |
; |
0 |
= |
2 |
+ 2 |
+ |
2 |
+ 2 |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
|
|
1 |
1 |
2 |
2 |
|
|
|
1 |
1 |
|
2 |
2 |
||||
Или: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
= − |
; 2 |
− 2 |
= |
2 − 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1 |
2 |
1 |
1 |
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
0 = 1 + 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Решая совместно последние два уравнения , находим |
|
|
|
|||||||||||||||||
= |
02− 12+ 22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2 |
|
|
2 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
= |
02+ 12− 22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1 |
|
|
2 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
02+ 12− 22 2−4 02 12 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
= = |
2 − 2 = |
|
Энергия и импульсы вторичных частиц в |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
1 |
2 |
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2 0
системе покоя первичной частицы определяются только массами частиц. Более массивная обладает и большей полной энергией (но меньшей кинетической).
7
Более простой вывод с 4-импульсами
2 = 0 − 1 |
|
-это |
4-импульсы |
|
|
|
|
|
|||
Т.к. 2 = 2 |
|
|
инвариант , то |
|
|
|
|
||||
после возведения в квадрат получаем |
|
|
|
|
|||||||
|
|
2 |
= 2 |
+ 2 |
−2 |
|
+2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
|
|
0 = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2− 2+ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
В итоге = |
0 |
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4-вектор |
= , |
= |
|
, см лекция 10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
Фотоэмульсионный метод
Фотоэмульсия – это пластинка из желатина с кристаллами галлоидного серебра. Ионизация серебра светом или частицами увеличивает скорость окисления серебра химическими реактивами.
Совмещенные в одном масштабе фотографии взаимодействия релятивистского ядра серы в ядерной эмульсии и человеческого волоса толщиной 60 мкм. полученные с помощью микроскопа
Для определения энергии применяется подсчет числа зерен, измерение длины трека и/или угла многократного рассеяния. Плотность зерен ~dE/dx
1 MIP – это минимальная ионизация одной релятивистской частицы ~ 2 МэВ/г/см2
Открытие заряженных пионов
1947 Сесил Пауэлл и др. (Cecil Powell et al) открыли заряженные пионы, исследуя треки космических лучей в фотоэмульсиях на предмет появления мюонов.
Они обнаружили реакции, которые идентифицировали как распады пионов
= |
2 |
+ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
Cecil Frank Powell |
||||
|
|
|
|||
= 0 |
|
(1903-1969) |
|||
|
Нобелевская премия, 1950 |
||||
|
|
|
|||
|
|
|
2 |
+ 2 |
|
Следы пионов, останавливающихся в фотоэмульсии. = |
|
|
. |
||
|
|
||||
|
|
|
2 |
||
|
|
|
|||
Определив энергию мюона (всегда T 4 MэВ , т.е. двухчастичный распад), |
|||||
находим массу. Пионы (пи-мезоны) являются источником мюонов в |
10 |
|
|
космических лучах у Земли |
|