Ядерно-физические приборы (7 сем) / Лекции / 6 и 7 ПиТ лекции

Современное представление о структуре материи

Количество элементарных составляющих материи сведено к шести сильно взаимодействующим кваркам и шести слабо взаимодействующим лептонам.

12 фермионов группируются в три поколения. Эти «кирпичи» мироздания в разных комбинациях скрепляются с помощью четырех, векторных бозонов. Два легких бозона - фотон и глюон не имеют массы, а у двух тяжелых W и Z масса настолько велика, что они не могут быть получены ни на одном обычном ускорителе с фиксированной мишенью

Для построения всего мира вокруг нас и нас самих достаточно двух кварков и одного лептона - электрона. Для обеспечения подходящей температуры для поддержания жизни на Земле нужен еще один лептон - электронное нейтрино, обеспечиваюoее горение водорода в Солнце и звездах: 2e + 4p →.4Не 2 е 27МэВ. Ежесекундно через каждый квадратный сантиметр на поверхности Земли пролетает 7х1010 электронных нейтрино.

Второе и третье поколения необходимы для сохранения материи после Big Bang. Иначе в результате аннигиляции частиц и античастиц остались бы только нейтрино и гамма кванты.

Самый тяжелый кварк более чем в 104 раз тяжелее самого легкого, а с лептонами дело еще хуже. И, наконец, нет ли и у этих частиц внутренней структуры.

Ответственный за появления массы скалярный бозон Хиггса Н0 (126ГэВ) зарегистрирован на БАК в 2012г. Поиск Хиггса обошелся в 12 млрд $.

Что удерживает кварки в адроне.

После введения кварковой структуры нуклонов стало ясно, что кварковый потенциал гораздо сложнее потенциала Юкавы (

(U(r) 4gsre r/ R) . Он состоит из

двух членов: V kr1 k2r . Первый соответствует потенциалу Юкавы U(r) 4gsr с mc2 0 ,, второй пропорционален r и ответственен за

конфайнмент (пленение) кварков.

Классификация ускорителей по методам ускорения.

При ускорении частица может проходить разность потенциалов один раз. Такие ускорители называются электростатическими ускорителями или ускорителями прямого действия. Если частица многократно проходит разность потенциалов, каждый раз ускоряясь, такой ускоритель называется резонансным.

Необходимое условие резонансно ускорения - равенство фазовой скорости ускоряющего поля и скорости частицы.

*CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility)

Циклотрон ( const, B=const), фазотрон ( t), B=const), синхротрон ( t), B(t))

Синхротрон – кольцевой резонансный ускоритель с орбитой постоянного радиуса.

В синхротроне магнитное поле существует только на кольцевой дорожке вдоль траектории частиц, что существенно снижает вес магнита. Магнитное поле В(t) и частота ускоряющего поля ω(t) растут во время ускорения. Для резонансного ускорения частота ускоряющего поля t) должна быть кратна частоте обращения частиц на

орбите t ecBt 0 t q t где q – целое число

E t

Для сохранения R частота ускоряющего поля t) должна быть жёстко связана с магнитным полем на орбите

В электронном синхротроне 0 t qcR const

Первый синхротрон на энергию 3,3 ГэВ (Космотрон) запущен в 1953г в BNL. Диаметр его кольца составил 22,5м, интенсивность 1012 протонов в импульсе. Ускоритель назван Космотроном, так как на нем впервые получены частицы с энергией сравни мой с энергией частиц космического излучения.

Ускоритель состоит из 288 магнитов общим весом 2000т. За время ускорения, составляющее одну секунду, протоны проходят путь в 200 000 км. Инжектором для Космотр она служит генератор Ван де Граафа.

Космотрон - первый ускоритель способный производить все известные из космических лучей положительные и отрицательные частицы. Это первый ускоритель, на котором рождены тяжелые нестабильные части цы.

На Космотроне получены результаты вызвавшие недоумение. Они были названы τ – θ проблемой. Получалось, что две одинаковые частицы распадаются по-разному. Наблюдали распады τ → 2π и θ → 3π. Массы и времена жизни этих частиц практически одинаковы, но четность конечных состоя ний мод распада противоположны.

В 1957г. Янг и Ли предположили, что распадается одна и та же частица К+ - мезон (τ=10-8сек, m = 4933 MeV), но при этом нарушается как тогда считалось, абсолютно точный закон сохранения пространственной четности.

Наглядный пример:

Не сохранение пространственной четности подтверждено экспериментально в 1957 г. By в Колумбийском университете (США). By поместила радиоактивный кобальт внутрь электромагнита и охладила его до температуры, близкой к абсолютному нулю, чтобы свести к минимуму влияние теплового движения частиц. В опыте изучался бета-распад поляризованных

Эксперимент Ву

Электроны могли испускаться либо в направлении, совпадающем с направлением спина ядра , либо в противоположном направлении. Эти два состояния электрона переходят друг в друга при операции пространственного отражения: направление импульса меняется на противоположное при неизменном направлении спина. В зеркале направление спина не изменится так как спин – аксиальный вектор, а направление импульса изменится на противоположное так как импульс

– это линейный вектор.

By обнаружила, что больше электронов вылетает в направлении противоположном направлению спина ядра, и, следовательно, пространственная четность не сохранялась.

Это открытие удостоено Нобелевской премии. (Ли, Янг, Ву).

В эксперименте группы By показано, что в реакциях с участием нейтрино нарушается зеркальная симметрия (закон сохранения четности). Оказалось, что в мире элементарных частиц правое и левое не условные названия, а внутреннее свойство частиц. Это фундаментальное открытие могло бы состояться гораздо раньше, если бы не теоретическое предубеждение в нерушимости право - лево симметричного мира. Все нужное для опыта было в распоряжении экспериментаторов еще в 30-е годы. От "пустой" траты времени на проверку удерживали вера в законы симметрии и, может быть, то, что в такую возможность не поверил В. Паули: "Бог не может быть слаборуким левшой". И вот в результате эксперимента принцип симметрии рухнул в одном из прочнейших звеньев!

Наблюдение антипротонов на Беватроне BNL.

В 1957 году в эксперименте на Беватроне пучок протонов, ускоренных до энергии 6,3 ГэВ взаимодействовал с мишенью из меди. При взаимодействии протонов с ядрами меди рождались различные частицы. В их числе могут быть и антипротоны. Антипротоны идентифицировали по массе и заряду. С помощью магнитов отбирали частицы с отрицательным зарядом и измеряли их импульс и скорость. Скорость измеряли черенковскими счетчиками. По измеренным импульсу и скорости,

определяли массу частицы. На 1011 взаимодействий протонов с мишенью наблюдали образование нескольких антипротонов.

П — пучок протонов из ускорителя; Т — мишень из меди, в к-рой рождаются антипротоны;

M1, M2 — магниты, отклоняющие отрицательно заряж. C1, С2 — черенковские счётчики.

Порог реакции p p p p p p Задача

S=(E+mc2)2-(pc)2=16m2c4, 2Emc2=14m2c4, E=7mc2,

T=6mc2=5.6GeV

Синхрофазотрон ОИЯИ (1957г) Ep = 10 ГэВ. R=30 m

Вес магнита 4х104тонн.

Поперечные размеры вакуумной камеры

2000×720мм2.

При Ер=300ГэВ вес магнита составил бы 3,6х107т, что сравнимо с годовой выплавкой стали в развитых странах.

Тупиковый вариант развития ускорительной техники.

Микротрон (Векслер (1944-1945гг.).

В микротроне сохранены достоинства циклотрона (В=const, ω=const.)

Электроны ускоряются в резонаторе с фиксированной частотой и двигаются в постоянном магнитном поле по круговым траекториям увеличивающегося радиуса.

По мере ускорения при каждом прохождении резонатора радиус орбиты R и время одного оборота t увеличиваются. Когда электроны достигают последней орбиты они либо

сбрасываются на мишень, либо выводятся из ускорителя.

Период обращения релятивистской частицы в магнитном поле T=2πE/ecB (ω=2π/Т=ecB/Е) где Е – полная энергия частицы.

Условие синхронности: 2πΔЕ/еcB =T, где Е- энергия приобретаемая частицей при прохождении резонатора. Минимальный период обращения имеет частица с кинетической энергией много меньшей энергии покоя. Tmin = 2πmc2/ecB. Таким образом, если в резонаторе добавлять энергию кратную энергии покоя (ΔЕ =mc2 или величина кратная mc2)то период будет увеличиваться в целое число раз.

Если это условие выполнено, то электроны проходят резонатор при постоянной фазе ускоряющего поля и при фиксированной амплитуде электрического поля в резонаторе. Конечная энергия ограничивается только размером полюсов магнита.

Длина волны ускоряющего поля λ = Тс = 2πmc2/еB λ = 2πх5x105/300х103 = 10см. (при В = 0.1Тл)

Это микроволновая частота (3ГГц). Отсюда название ускорителя – микротрон. Электроны, прошедшие через резонатор вблизи равновесной фазы,

группируются в сгустки (банчи). Число банчей на к-той орбите равно к.

Из–за большой энергии, рассеиваемой в резонаторе, ускоритель работает в импульсном режиме с частотой 50-100 герц.

Максимальная энергия электронов -100 Мэв. Ток пучка ~50 микроампер. Ускоритель непригоден для ускорения протонов, так как амплитуда

ускоряющего поля в этом случае слишком велика (~109 вольт). В «классическом микротроне» максимальная энергия ограничена длиной резонатора.

Это ограничение снимается в так называемой racetrack геометрии микротрона, где магнитное поле разделено на два полукруглых сектора разделённых промежутком, длина которого достаточна для размещения секции линака, состоящего из группы резонаторов. Такая геометрия обычно используется

для ускорения электронов до энергии в несколько сот МэВ.

Введение второго линака позволяет увеличить энергию до 12 ГэВ.

Самый продвинутый ускоритель частиц в мире для исследования кварковой структуры вещества CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility)

Ускорительный комплекс CEBAF

(Разрезанный микротрон

Энергия электронов Е=12 ГэВ, Ток пучка 200μA (6х1014е/сек),

Длина ускорителя L=1.4км. Число оборотов при ускорении -5

Монтаж криомодуля

КриомудульТ=2К0. Нelium refrigerator for cooling the superconducting accelerator. Аccelerator frequencyis 1497MHz.

Основное назначениеCEBAF – глубоконеупругие взаимодействия лептонов с нуклонами.

1.Изучение структуры нуклонов (получение трехмерной картины расположения и распределения по импульсу валентных кварков)

2.Изучение механизма конфайнмента кварков.

В экзотических гибридных мезонах появляются квантовые числа, запрещенные кварковой моделью. ( 0+-,1+)

Наблюдение уровней возбуждения глюонной связи кварков в эксперименте GlueX на ускорительном комплексе CEBAF позволит понять природу конфайнмента

По данным об уровнях возбуждения определяется потенциал взаимодействия кварков.