Ядерно-физические приборы (7 сем) / Лекции / пятая лекция

Линейный ускоритель Стенфорда

Самый большой линейный ускоритель электронов на энергию 50ГэВ (SLAC) построен в Стенфорде (США). SLAC - самый длинный и самый прямой объект в мире. Длина ускорителя 3км, а диаметр апертуры системы транспортирующей пучок всего 2см. dz dz , в системе покоя электрона

Система питания ускорителя

Задача 4. Какую длину ускорителя видит электрон?

Пусть dz – элемент длины в лабораторной системе, соответствующий элемент dz’ в системе покоя электрона.

dz dz , mcE2 , dz Emc(z2)dz, E(z) Ei e z, где Еi =0,7МэВ– энергия инжекции, Е- градиент ускоряющего поля. Длина ускорителя в системе покоя электрона

где Еf = Еi +еEL – полная энергия, Т=еEL – полная кинетическая энергия. Подставив в эту формулу параметры Стенфордского ускорителя (L= 3км, Еf=50 Гэв)

получимL' 3 105 5 0,105 4 ln 5 0,107 4 3 11 33cm.

Наблюдение структуры нуклона в SLAC

В 1968г на ускорителе электронов SLACв экспериментах по глубоко неупругому рассеянию электронов на протонах были получены первые свидетельства существования кварков. Эксперименты аналогичны опыту Резерфорда по наблюдению рассеяния налетающей частицы на большие углы при наличии рассеивающих центров в исследуемом объекте. В данном случае такими центрами являются кварки в протоне.

Электроны с энергией 8 ГэВ рассеивались на протонах жидководородной

Электроны не участвуют в сильных взаимодействиях. Поэтому они легко проникают вглубь протона, и чувствуют кварк за счет электромагнитного взаимодействия.

Как протон «выглядит» с точки зрения налетающей частицы: второго протона, фотона или нейтрино.

1. Налетающий протон чувствует

цельное кварковое и глюонное облако протона-мишени, поэтому сечение протон-протонного столкновения того же порядка, что и геометрическое сечение протона.

2. Фотон чувствует только кварковое распределение, и к тому же сила электромагнитного взаимодействия меньше, чем сильного. В результате протон для

фотона кажется полупрозрачным, и эффективное сечение Вполучается заметно меньше. 3. нейтрино чувствует не сами по себе кварки, а как бы маленькое облачко виртуальных W- и Z-бозонов вокруг них. Из-за этого протон выглядит для нейтрино почти прозрачным, и эффективное сечение рассеяния нейтрино на протоне очень мало.

В эксперименте измеряли направление вылета и скорость рассеянного электрона.

Отличительной особенностью эксперимента от опытов Резерфорда являлось то, что изучали «глубоко неупругое» рассеяние, то есть за счет высокой энергии и малой длины волны электрон проникал «глубоко» внутрь протона и во взаимодействии не сохранялась кинетическая энергия («неупругое» рассеяние).

Если протон вроде «сливового пудинга», то, проходя через него, электрон отклонится мало. Именно этого и ожидали, что и подтвердилось при малых энергиях электронов. Но с увеличением энергии стали наблюдать рассеяние на большие углы,

чем ожидали. Это означало наличие точечных зарядов внутри протона. Они были названы Фейнманом партонами. Позднее было установлено, что это и есть предсказанные Гелл-Манном кварки.

Схема эксперимента по изучению глубоко неупругого рассеяния электронов на протонах.

Магнитный спектрометр мог быть установлен под различными углами к пучку электронов.

Q1, Q2, Q3, B1 и B2 -фокусирующие линзы и отклоняющие магниты

Идентификация частиц

E, P, V.

E,P m=E2 P2

E, V m= E

Анализ результатов эксперимента:

1 Адроны имеют внутреннюю структуру.

2 Барионы (p, n..) содержат три рассеивающих центра (состоят из трех кварков). В мезонах - два рассеивающих центра (кварк и антикварк).

Подобно электрону, кварки представляются точечными зарядами, но заряд у них дробный.

Структура адронов

За открытие кварков в нуклоне присуждена Нобелевская премия.

2015г

4450 МеВ

Барионы — это нуклоны (протон и нейтрон) и целый зоопарк гиперонов — частиц, время жизни которых исчисляется 10-12 секунды. Поэтому под барионной материей понимают, прежде всего материю, построенную из нуклонов. Время жизни протона не меньше чем 1032 лет, что на

22 порядка больше возраста Вселенной. Нейтрон в свободном виде живет 14 минут 38 секунд,

Задача 2 Скорость кварка в нуклоне. Cтоячая волна в ящике размером 10-13см. Минимальная длина волны u-кварка λ/2 ≈ 1 фм. Импульс кварка pc = hc/λ = 6,6x10-