Зачемнужны ускорители?

= p , E2 = c2 p2 +m2c4

Ускорители

Основными источниками пробных частиц в субатомных экспериментах являются ускорители. Атомные ядра и частицы занимают очень малые области пространства, Исследование таких масштабов требует высокой разрешающей способности пучка, обеспечивающей взаимодействие пробной частицы с отдельным микрообъектом. Чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует большей энергии. Зная размеры изучаемого объекта, легко оценить энергию пробных частиц, необходимую, для его изучения. Длина волны пробных частиц зависит от её импульса и дается формулой де Бройля.

Порогреакции

Частица массы m1 налетает на покоящуюся частицу массы m2 . В результате реакции в конечном состоянии образуется n частиц с

инвариантом, т.е. одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

На пороге реакции все частицы в конечном состоянии покоятся друг относительно друга. Поэтому вычислим релятивистский инвариант в начальном состоянии в лабораторной системе координат и в конечном состоянии в системе центра инерции.

(E1 +m2c2 )2 −c2 p12 = (m1′ +m2′ +mn′)2 c4 = (∑mi′)2 c4 .

Выразив импульс p1 первой частицы через её кинетическую

получим формулу для пороговой кинетической энергии налетающей частицы

Eпорог = (∑mi +m1 +m22)m∑2 mi ′ −m1 +m2 c2 .

Энергия реакции Q равна изменению суммарной массы частиц

Q = (∑mi −m1 −m2 )c2 .

Порогреакции

E2 =c2p2 +m2c4

Нерелятивистский случай

Пример

Рассчитайте порог реакции

p + p = p + p + p + p

При столкновении двух протонов p образуется антипротон p и три протона.

Масса антипротона равна массе протона.

1931 Нейтрино υ

В. Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино для объяснения спектра электронов β-распада.

Wolfgang Pauli n → p + e− +υe (1900-1958)

E2

Qβ E1

Нейтрино

Изучение явления β-распада поставило перед физиками серьезную проблему. Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Для того, чтобы спасти эти законы, В. Паули в 1931 г. высказал предположение, что в процессе β-распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна легкая частица с нулевым зарядом, нулевой массой покоя и спином s = 1/2. Поскольку нейтрино испускалось вместе с электроном в процессе β-распада, оно могло уносить недостающую энергию, импульс и момент количества движения. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить нейтрино. Однако свойства нейтрино, предсказанные Паули, делали наблюдение ее чрезвычайно трудной задачей. Нейтрино должно было очень слабо взаимодействовать с веществом. Нейтрино может пролетать тысячи километров вещества без взаимодействия. Сечение взаимодействия нейтрино с энергией несколько МэВ с атомными ядрами ~10-34 см2. Экспериментальные попытки непосредственно зарегистрировать нейтрино продолжались почти двадцать лет. Лишь в 1953 году в результате очень сложного эксперимента Ф. Райнесу и К. Коэну удалось зарегистрировать антинейтрино.

1932 Позитрон e+

M = 0.511 МэВ

e+ + e− → 2 γ

Наблюдение позитрона в камере Вильсона в магнитном поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек - слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии, и по выходе из которого двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее

Античастицы

В 1928 г. П. Дираком на основе анализа релятивистского уравнения было предсказано существование позитрона

Открытия античастиц

1932 – Позитрон

1955 – Антипротон

1956 – Антинейтрон

1966 – Антидейтерий

1970 – Антигелий

1998 – Антиводород

Каждая частица имеет своего двойника – античастицу. Античастица обладает рядом характеристик, имеющих те же численные значения что и частица, и некоторые характеристики с противоположным знаком. Так частица и античастица имеют одинаковые массы и спины и противоположные значения зарядов.