Ядерно-физические приборы (7 сем) / Лекции / нейтрио,чарм

Наблюдение электронного нейтрино.

В конце 19 века Беккерель обнаружил неизвестное излучение урана. Позже стало ясно, что оно состоит из трех, не похожих друг на друга альфа, бета и гамма-излучений.

В 1914 Джеймс Чедвик установил, что энергии электронов, при бета-распаде

ядер (в отличие от и распадов):

1. лежит в широком диапазоне значений.

2. в большинстве случаев энергия меньше той, какую электроны должны иметь.

1930 Паули. При -распаде рождается какая-то частица с малой массой. «Я допускаю, что мой прием может на первый взгляд показаться довольно невероятным, потому что, если бы нейтрино существовало, оно было бы давно открыто. Тем не менее, кто не рискует, тот не выигрывает.»

В 1932 г после открытиянейтрона. былавыдвинута гипотеза,что атомное ядро состоит из нейтронови протонов. Модельне давала ответ на вопрос: «Если в составе атомного ядра нет электронов, то откуда берутся электроны при радиоактивном распаде ядер?» На этот вопрос ответилЭ.Ферми.

1934 г. Ферми представил процесс ядерного -распада как распад одного из нейтронов ядра натри частицы. Он предложил называть частицуПаули, "нейтрино", что буквальноозначает "нейтрончик",по аналогии с нейтроном. Ферми предположил, что бета-распад аналогичениспусканию фотонов возбужденными атомами. Ни электронов в ядре, ни фотоновв атоме нет до момента распада.

Изучение -распада показало, что испускание электронов вызвано новым типом взаимодействия, которое было названо слабым.

Наблюдение нейтрино (антинейтрино) 1956г. Эксперимент Райнеса и Коуэна 1956г.

До 1962 г. было известно о существовании только электронного нейтрино Учитывая "призрачные" свойства нейтрино, эксперимент был назван "Проект Полтергейст".

Почему ждали 22 года? Задачи 3. ( вН2О)

На 30 метровой вышке предполагалось установить атомную бомбу мощностью 20 килотонн. Ее взрыв является источником огромного числа антинейтрино. Задачи 4,5 Поток нейтрино при таком взрыве? Установку решили сбросить в вакуумную шахту в момент взрыва. Тогда ударная волна в земле не повредит детектор, и он, пролетев пару секунд в свободном падении и зарегистрировав за это время несколько нейтринных событий, мягко приземлится на резиновую подкладку. Через несколько дней, когда радиационная обстановка на поверхности станет безопасной, детектор планировали извлечь.

( е р n e ) ≈ 10-43 E2,

Эксперимент на ядерном реакторе (Первый реактор построен Э Ферми в 1942г) Средняя энергия реакторных антинейтрино около 3Мэв, максимальная энергия не более 10МэВ.

При делении ядра U235 образуются два нейтронноизбыточных ядра и несколько нейтронов. При бетараспаде дочерних ядер образуются пары электрон – антинейтрино. Интенсивность потока антинейтрино зависит от мощности реактора.

( Ef= 200 МэВ (3.2х10-11 джоулей)

Использование в качестве источника антинейтрино не ядерной бомбы, а реактора позволяет проводить экспозицию месяцы и годы. Реактор мощностью 300 тысяч киловатт испускает около 5•1019 антинейтрино в секунду. На расстоянии 10 метров от реактора поток антинейтрино через каждый квадратный сантиметр составлял 1013 частиц в секунду.

Регистрация антинейтрино казалась невозможной, так как в зоне доступной для персонала фон от быстрых нейтронов на реакторе в 106 разбольше, чем эффект от регистрации антинейтрино.

Для снижения фона от нейтронов и гамма - квантов на реакторе в реакции обратного бете распада регистрировали не только позитроны, но и нейтроны.

Для этого в детектор добавили кадмий (гадолиний). Образующиеся в реакции нейтроны замедлялись в мишени до тепловых энергий и поглощались ядрами кадмия. Кадмий имеет большое сечение захвата тепловых нейтронов. Время замедления нейтронов в воде ~10 мкс. При захвате нейтронов образовывались изотопы кадмия в возбуждённом состоянии. Переход в основное состояние сопровождался испусканием 3-5 гамма-квантов. Гамма-кванты регистрировались в жидком сцинтилляторе, помещенном в 3 емкости, расположенные по обе стороны от протонных мишеней.

1.два жидкихсцинтилляционных детектора

(1400 лкаждый) для регистрацииантинейтрино;

2.сцинтилляционный детектор (также 1400л) для регистрациифона космическихлучей, включенный в антисовпадения с детектором

3.две водяные мишени объемом 200 л каждая,

4.две группы фотоумножителей,

5.третья группа фотоумножителей,

включенная на антисовпадения; 6. электроннаяаппаратура;

В серии экспериментов, длившихся в течение 100 дней на атомном реакторе в Саванна-Ривер ( США) зарегистрировано 567 соб ытий, вызванных взаимодействием антинейтрино с протоном, при

фоне 209 событий. Измеренное сечения захвата антинейтрино .

Теоретическая оценка .

За эти исследования и последующ ие эксперименты Райнес был удостоен Нобелевской премии

Наблюдение мюнного нейтрино на AGS (1962г)

В эксперименте протонный пучок при взаимодействии с мишенью создавал большое количество π-мезонов, которые р аспадались в канале длиной в 200 м на мюоны и нейтрино. В стальной стене весом 5000 т мюоны поглощались.

Результат взаимодействия мюонного нейтрино с электродами искровой кам еры. Виден след

одиночной частицы, проходящей большое количество вещества без взаимодействи я – это мюон.

n p

Врезультате взаимодействия электронного нейтрино с веществом элект рода камеры образовался электрон, который создал

электромагнитный ливень. e n p e

Наблюдение J/ Ψ (3096ГэВ/c2)

В ноябре 1974 года две группы экспериментаторов, руководимые Бартом Рихтером в SLAC (эксперимент Марк 1) и Самуэлем Тингом из Брукхейвена объявили об открытии узкого резонанса, а, по существу, новой частицы. Это событие в физике частиц известно как « Ноябрьская революция

1974 года ».

Но еще в 1967 году Ледерман провел сравнительно простой эксперимент по исследованию выхода мюонных пар при взаимодействии

протонов с энергией 30 ГэВ с урановой мишенью. p+U238→µ-

+µ++X. Это так называемые «прямые мюоны» возникающие при распаде «тяжелых фотонов»

Годоскоп 1 для измерения угла вылета мюонов. Импульс мюонов измеряется годоскопами РА иРВ.

Результат эксперимента приведен на рис на котором показана зависимость выхода димюонов от их инвариантной массы :

( minvc 2)2 = (E1+E2)2-(P1c+P2c)2 =2(m2+E1E2 –P1P2c2cosθ)≈ 4Е1Е2sin2 2

Выход мюонных пар быстро падал с энергией от 1 до 6ГэВ (кинематический предел).

Многократное рассеяние в 30 футах железа не позволило разрешить J/ Ψ пик за счет большой ошибки в определении угла разлета θ. Позднее авторы эксперимента пишут:

Indeed, in the mass region near 3.5 GeV the observed spectrum may be reproduced by a composite of a resonance and a steeper continuum.

В 1974 году на том же выведенном пучке протонного синхротрона BNL Тингом смонтирован симметричный двухплечевой спектрометр для регистрации выхода электрон-позитронных пар возникающих при взаимодействии протонов с бериллиевой мишенью.

Протонный пучок фокусировался на бериллиевую мишень 0.1 ядерной длины. Показано как е-е+ пары проходят через дипольные магниты М0, М1,М2 , которые отклоняют частицы в вертикальной плоскости, позволяя измерять неискаженный угол разлета. Импульс измеряется проволочными камерами по вертикальному отклонению. Частицы проходят последовательно черенковские счетчики С, идентифицирующие электроны. Проволочные пропорциональные камеры D обеспечивают измерение координат. За последней камерой расположены 2 сборки счетчиков из свинцовогостекла. За ними свинцово люситовая сборка. Эти сборки улучшают режекцию адронов от электронов. Достинутое азрешение по массе ≈ 5 Мэв.

«Спектрометр с таким разрешением пригоден лишь для поиска очень узких резонансов, которых, видимо, в природе не существует». Заявил один известный физик.

Первый результат получен в августе 1974года. Виден четкий пик в области масс 3.1ГэВ. Для того чтобы убедиться в том, что это не ошибка эксперимента проведены следующие проверки:

1) уменьшение токов магнитов на 10% не смещало

пика,

2) для проверки наложений в ливневых счетчиках проведены раны с различными напряжениями на фэу счетчиков. Это не повлияло на выход J/ Ψ.

3) Чтобы исключить влияние стенок магнита уменьшали апертуру.

4)Для исключения систематики половина данных получена при измененной полярности магнитов. Эти и многие другие проверки убедили в том, что наблюдаем реальную тяжелую частицу J→ее.

Практически одновреме нно в SLAC на накопительном кольце SPEAR (установка Марк1) обнаружен очень узкий пик в сеч ении процесса аннигиляции е+е- →γ→ адроны при энергии в системе центра около 3.1ГэВ

Величина наблюдаем ого сечения в пике ≥ 2300 нанобарн, что в 100 раз больше сечения вне

резонанса. Через 10 дней на SPEAR открыт еще один узкий резонанс Ψ’ (3.685ГэВ/с2).

Ψ’ наблюден по расп аду Ψ’=π++ π-+ Ψ.

Что же такое J/ Ψ?

1.Оказалось невероятным сопоставить J/Ψ какую-либо комбинацию из известных u,d и s кварков потому, что все возможные комбинации известны в виде существующих адронов.

2. Ширина наблюдаемого пика оказалась 63Кэв, что соответствует времени жизни

τ=6.6х10-22Мэв сек/0.063М эв=10-20сек.

Это на три порядка больше чем типичное время распада частиц по сильно му каналу.

J/Ψ интерпретировали как связанное состояние нового «с»-кварка с зарядом qc=+2/3 и массой 1.5 Гэв.

Связанное состояние кварков - векторный мезон с квантовыми числами 1– иногда называют кварконием.

Почему J/Ψ так долго живет? (10-20сек.)

J/Ψ –не первый пример острого пика в сечении рождения адронов. При более низких энергиях подобным же образом были откр ыты ранее три других короткоживущих мезона: ρ(776) 4х10-24сек, ω(782) 8х10-23сек и φ(1019) 1.5х10 -22сек.

- может распадаться при взаи мной аннигиляции s и анти-s кварков, но этот распад не является доминирующим. Вместо этого s и анти-s кварки просто расходятся в разные стороны, и появляется новая пара u-кварк и анти- u-кварк. В результате образуются К+ и К- мезоны и их сумм арная масса на 32 Мэв меньше массы φ мезона.

J/Ψ мог бы распадаться также, если бы не причуда природы. Сумма масс самых легких адронов со держащих с кварк D0(uc) и D0(uc) мезонов на 633Мэв превышает массу J/Ψ. Аннигилировать в один глюон J/Ψ не может, так как глюон несет цветовой заряд, а J/Ψ и конечное состояние бесцветны. В два глюона аннигилировать нельзя, так как спин чармония 1 и глюона 1.

Остается только аннигиляция в 3 глюона, но его вероятность на 2-3 порядка меньше. И это будут адронные распады.

Благодаря большой массе чармоний может аннигилировать в виртуальный гамма квант с последующим распадом на два лептона. Остаются еще распады по слабому каналу.

С появлением с- кварка возникает целый ряд ранее не наблюдаемых частиц. Эти частицы найдены в экспериментах на ускорителях.