Ядерная физика Архангельская (1 сем, мага) / Лабы / Лабораторная работа №2

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Кафедра ядерной физики и космофизики (№7)

Ядерная физика

Отчет по лабораторной работе №2

Выполнил:

студент группы M22-105

Васильева А. П.

Москва, 2022

Цель работы: определение характеристик частиц и реакций их распада по материалам PDG, поиск информации об открытии частицы, а также построение диаграмм Фейнмана.

Задачи. Дано две частицы (барион и мезон) и их реакции распада. Требуется выполнить следующее:

1. Определить по PDG вероятности предоставленных реакций распада частиц и найти наиболее вероятную реакцию для каждой частицы.

2. Путем анализа законов сохранения определить, по какому взаимодействию идет реакция.

3. Найти эксперимент, где впервые была открыта частица, у которой относительная частота распада выше. Указать:

• детекторы, используемые в эксперименте;

• величина, которая измерялась;

• как именно за счет измерения этой величины была открыта частицца.

4. Нарисовать диаграммы Фейнмана для реакций, определенных в п. 1.

Ход работы

1. Определение вероятностей реакций

a.

Кварковый состав:

Характеристики частицы:

Масса										Среднее время жизни
МэВ										с

В таблице 1 представлены реакции распада -гиперона и их вероятности.

Таблица 1. Вероятности реакций распада -гиперона

Реакция	Вероятность

Наиболее вероятная реакция:

b.

Кварковый состав:

Квантовые числа:

Масса										Среднее время жизни
МэВ										с

В таблице 1 представлены реакции распада -мезона и их вероятности.

Таблица 2. Вероятности реакций распада -мезона

Реакция	Вероятность

Наиболее вероятная реакция:

2. Анализ законов сохранения и определение типа взаимодействия

Барионный заряд: 1 = 1 + 0 – сохраняется

Электрический заряд: 0 = 0 + 0 – сохраняется

Изоспин: 1/2 = 0 + 1 – не сохраняется, ΔI = 1/2

Проекция изоспина: +1/2 = 0 + 0 – не сохраняется

Странность: – 2 = (–1) + 0 – не сохраняется, |ΔS| = 1

В случае сильного взаимодействия сохранялись бы все эти квантовые числа, в случае электромагнитного – все, кроме изотопического спина. При слабом же взаимодействии изоспин, проекция изоспина, пространственная четность, странность не сохраняются, причем ΔI = 1/2 или ΔI = 1, |ΔS| = 1 или ΔQ = ΔS. Таким образом, процесс протекает по слабому взаимодействию. Переносчик взаимодействия: ‑бозон.

Лептонный заряд: 0 = 0 + 0 + (–1) + (+1) – сохраняется

Электрический заряд: +1 = (–1) + (+1) + (+1) + 0 – сохраняется

Прелесть: +1 = 0 + 0 + 0 + 0 – не сохраняется

Очарование: 0 = (+1) + 0 + 0 – не сохраняется

Не сохраняются прелесть и странность, значит, это слабое взаимодействие. Переносчик взаимодействия: - бозон

3. Открытие

Покажем, что относительная частота распада выше:

• относительная частота распада :

• относительная частота распада :

1983 год – прямое открытие B-мезонов в эксклюзивных адронных распадах ( -коллайдер CESR, Корнелл, США; детектор CLEO).

Для определения импульсов заряженных частиц использовались данные, полученные с цилиндрической дрейфовой камеры, расположенной внутри соленоидального магнита, который создавал поле напряженностью 1 Тл. Идентификация частиц осуществлялась с помощью информации об ионизационных потерях частиц, полученных с многопроволочных пропорциональных камер, и данных времяпролетной системы, расположенной снаружи соленоидального магнита. Идентифицировались заряженные каоны в диапазоне импульсов 0.45 – 1.0 ГэВ/с.

Для определения -мезонов рассматривались каналы распада . Отбирались пары частиц ( ), суммарный импульс которых не превышал 2.6 ГэВ/с, т.к. импульс , полученного в результате распада -мезона, не может быть выше этого значения. Для отобранных пар строилось распределение масс (рис. 1а). Комбинации частиц, масса которых находилась в пределах 40 МэВ от массы -мезона, отбирались как -кандидаты.

Рисунок 1. Распределение масс (а) и разности масс (б)

Заряженные -мезоны определялись по каскаду и зарядово сопряженному ему. Строилось распределение разности масс (рис. 1б). В качестве -кандидатов отбирались комбинации пар, для которых разность масс находилась в пределах 3.0 МэВ от разности масс  МэВ, а масса – в пределах 80 МэВ от массы . Также требовалось, чтобы импульс -кандидатов не превышал 2.6 ГэВ/с.

Каждое событие, содержащее - или -кандидата фитировалось согласно следующим гипотезам:

В результате фита определены массы нейтрального и заряженного ‑мезона:  МэВ и  МэВ соответственно. Здесь первая погрешность – статистическая, вторая – систематическая. Так было показано существование -мезонов и определена их масса.

Источник: Behrends S., Chadwick K., et al. Observation of Exclusive Decay Modes of b-Flavored Mesons // Phys. Rev. Lett. – 1983. – Vol. 50, No 12. – P. 881-884.

4. Диаграммы Фейнмана

Переход – Кабиббо-подавленный

Кварковый состав может быть как , так и , однако переход напрямую невозможен. Поэтому при данном распаде получается именно .

-бозон может родить кварк-антикварк пару любых цветов, но для того, чтобы образовавшиеся в результате распада частицы были бесцветны требуется:

• для нейтральности образовавшийся в результате распада -бозона -кварк должен иметь тот же цвет, который был у кварка, участвующего во взаимодействии (два другие кварка сохраняют свои цвета);

• для нейтральности образовавшийся в результате распада -бозона -кварк должен иметь цвет, противоположный тому, что был у кварка, участвующего во взаимодействии.

Так, получаем, что цвета образовавшихся кварков зафиксированы.

Участвующий во взаимодействии -кварк может быть любого из трех цветов, для каждого из случаев возможны две комбинации цветов оставшихся кварков – это дает 6 диаграмм Фейнмана. Исходная частица содержит два s-кварка и распасться может любой из них – это увеличивает число возможных диаграмм в 2 раза. Тогда получаем 12 диаграмм Фейнмана для данного процесса.

Переход – Кабиббо-подавленный, а переходы – Кабиббо-разрешенные.

В данном процессе цвета образовавшихся кварков так же зафиксированы, иначе образовавшиеся мезоны не будут бесцветны: -кварк должен иметь цвет, противоположный цвету -кварка для бесцветности , а -кварк должен иметь цвет, противоположный цвету -кварка для бесцветности .

Число возможных диаграмм Фейнмана: 12.

Заключение

В лабораторной работе определены характеристик частиц и реакций их распада по материалам PDG, найдена информация об открытии одной из частиц, а также построены диаграммы Фейнмана.

Наиболее вероятной из представленных реакция для -бариона является реакция , которая идет по слабому взаимодействию.

Наиболее вероятная реакция для -бозона: , тоже протекает по слабому взаимодействию.

Определена относительная частота распада обеих частиц:

• : ;

• :

носительная частота распада -мезона выше, поэтому в работе представлена информация об открытии этой частицы.

Построены диаграммы Фейнмана для наиболее вероятных реакций каждой из частиц.