Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ядерная физика Архангельская (1 сем, мага) / Лабы / Лабораторная работа №2
.pdf
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
a.
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.
b.
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.
Соседние файлы в папке Лабы