Методы регистрации элементарных частиц

 

 

 

глава 2. общие положения об элементарных частицах

 

2.1 Свойства элементарных частиц 

 

Для того, чтобы понять, что навело учёных на мысль о том, что адроны состоят из кварков, нужно сначала понять, что связывает протоны и нейтроны в ядро атома., пройти вместе с ними их путь в недра материи.

Частица, с массой в 200 раз больше электронной, была обнаружена в космических лучах и названа мезоном от греческого «мезо» - средний. Средний между электроном и протоном.

Время акта испускания и поглощения очень мало, но из-за многократного повторения возникает размазка заряда и массы в пространстве. Образно говоря, нуклон мигает – вспыхнет «мезонным светом» и тут же погаснет, и так без конца. Испустив π+-мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон при испускании π--мезона становится протоном. При испускании π0-мезона протон и нейтрон остаются сами собой. Во всех случаях π-мезон входит в состав нуклона.

Элементарные частицы состоят из элементарных частиц…Получается сеть, в которой все частицы являются простыми и сложными одновременно. Природа устроена хитрее и изобретательнее любой человеческой фантазии.

Оказывается, эффект давления жидкости снизу на тело присутствует и внутри частиц. Только место воды там занимает энергия. «Куски» частицы погружены в силовое поле взаимодействия – своеобразную энергетическую ванну, и их масса уменьшается. Энергия в нуклоне имеет отрицательный знак, потому что для растаскивания притягивающихся друг к другу частей требуется трата энергии. Электроны теряют в весе столько же, сколько и люди в атмосфере.

В целом, картина строения материи стала приобретать более привычные черты – нуклоны состоят из кварков.Кварки обладают несколькими выдающимися особенностями. Их заряд равен -⅓ и +⅔ электронного, а в природе до этого не находили частицы с дробным зарядом. Также у кварков есть цвет и аромат. Аромат – это просто способ различать шесть кварков. Сначала хотели их просто пронумеровать, но решили, что нельзя назвать один кварк первым, а другой – последним, и ввели понятие аромата. Конечно же, понюхать кварк нельзя .

Цвет кварка – это его своеобразный заряд. Испуская или поглощая глюон, кварк меняет свой цвет. Кварковый заряд – цвет – во многом похож на электрический. Он также может быть большим или маленьким, положительным или отрицательным (тогда говорят, что цвет сменился антицветом). Но есть и отличие. Как бы не изменялся электрический заряд, он всегда остаётся зарядом, а цветовой заряд может изменить свой цвет.

С открытием цвета микромир стал ярче и разнообразнее, но кварков стало уже 18. Слишком уж сложной стала «самая элементарная частица». Возможно, в недрах микромира от нас скрыто ещё что-то очень важное…

 

2.2 Кварки и лептоны

 

К настоящему времени установлено существование пяти ароматов кварков: u, d, s, c, b. Неоднократно поступали сообщения о об открытии t-кварка , но окончательно его существование не установлено. Массы кварков: mu = 5 МэВ, md = МэВ, ms = 150 МэВ, mc = 1,3 ГэВ, mb = 5 ГэВ, mt= > 22 ГэВ. Эти данные – оценочные и грубо ориентировочные, так как кварки в свободном состоянии не наблюдались и их нельзя было исследовать прямыми методами.

Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд ⅓. Кварки u, с, t, называют верхними, так как они имеют заряд +⅔, а остальные кварки u, s, b с электрическим зарядом -⅓ – нижними. Кварк s является носителем странности, с – очарования, b – красоты (прелести). Странность была обнаружена в 1953 году при открытии К-мезонов и гиперонов. Они рождались за счёт сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10-23 с, а времена жизни оказались порядка 10-8-10-10с. Было совершенно непонятно, почему они живут так долго, почему не распадаются за счёт сильного взаимодействия, в результате которого они возникают? Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц из-за того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине запрещено рождение одиночных странных частиц.

В основе запрета какого-либо процесса лежит некоторый закон сохранения. Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М.Гелл-Манн и К.Нишиджима ввели новое квантовое число S, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. Его и назвали странностью.

Очарованный кварк – это кварк с квантовым числом С, которое у всех остальных равно нулю, равным единице. Частицы семейств χ и ψ представляют собой различные уровни(состояния) системы сс~. Эта система названа чармонием, по аналогии с системой электрон – позитрон, названной позитронием. Поскольку очарование кварка и антикварка в чармонии в сумме даёт ноль, говорят, что эта система обладает скрытым очарованием. В 1976 году были предсказаны и открыты частицы с явным очарованием.

Красота – это разность между числами b-кварков и антикварков b~. Красота сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях и может нарушаться при слабых.

Цвет внутри нуклона от кварка к кварку переносят частички -глюоны. Они похожи на фотоны. У глюонов нет массы, они движутся со скоростью света. Однако в отличие от зарядово-нейтральных фотонов, глюоны просто «измазаны» зарядом. Фотон никакого нового электрического поля вокруг себя не создаёт. Глюон же своим собственным зарядом рождает новые глюоны и происходит лавинообразное саморазмножение.

Опыты показали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействиями, и ведут себя как плавающие в воздухе надувные шарики. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу возникают связывающие их силы. Сквозь стенки протона легко проникают пучки зондирующих электронов, их пронизывают фотоны и нейтрино. И в то же время оттуда не может вырваться ни один кварк.

Каждый лептон характеризуется лептонным зарядом, или лептонным числом. Следует различать мюонный, электронный и таонный заряды, обозначаемые соответственно через Lμ, Le, Lτ. Это различные величины, хотя им условно приписываются одинаковые числовые значения. Условились для всех отрицательно заряженных лептонов считать лептонные заряды равными +1. Лептонные заряды всех остальных частиц находятся из экспериментально установленного факта, согласно которому в замкнутой системе разность между числом лептонов и антилептонов остаётся постоянной. Для этого нужно придать этому факту форму закона сохранения лептонного заряда. При этом лептонные заряды всех остальных частиц принимаются равными нулю, так как у этих частиц свойства, связанные с существованием лептонного заряда, не обнаруживаются. Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы все положительно заряженные лептоны имели лептонный заряд, равный -1. Это видно из того, что возможны реакции:

 

e+ + e- —> 2γ, μ+ + μ- —> 2 γ, τ+ + τ-—> 2γ

 

Только тогда суммарный лептонный заряд правой части будет равен нулю, а это необходимо, так как фотон лептонного заряда не имеет. Из возможности процессов

 

π+ —> μ+ + νμ p —> n + e++ νe

 

следует, что лептонный заряд νe и νμ равен +1, а соответствующих им античастиц – -1. Аналогично надо приписать ντ лептонный заряд +1, а соответствующей ему античастице – -1.

В настоящее время существует гипотеза о родстве кварков и лептонов. Эту гипотезу выдвинули А.Салам и Дж.Пати. По их мнению, кварки и лептоны очень похожи. Лептон является белым состоянием кварка. Электрические заряды лептонов 0 и 1, то есть 0/3 и 3/3, прекрасно укладываются в один ряд с зарядами кварков. Что же касается масс, то по их гипотезе, это результат влияния окружающего фона. Ведь вокруг всякой частицы образуется облако испущенных ею частиц, которые экранируют частицу и изменяют её свойства. Только такие заэкранированные, закутанные в облака частицы с изменёнными, или, как говорят физики, эффективными свойствами и наблюдаются на опытах. Внутри облака частица чувствует себя, как в ванне. А поскольку плотность и состав облака зависят от величины заряда и других характеристик частицы, вес членов кваркового мультиплета оказывается различным.

Прежде всего, заметим, что протон имеет положительный заряд. Значит, при распаде через какое-то время образуется позитрон. Двигаясь в веществе, он встретится с электроном, и они аннигилируют в кванты света. Эти искорки света – сигналы о «протонных катастрофах» в веществе. Засечь их очень трудно, и поэтому физикам приходится наблюдать за большим объёмом вещества сразу. Пока ни одного распада протона зарегистрировать не удалось, но физики со всего мира ждут вестей с «протонного фронта». Если же ни один протон так и не распадётся, это послужит сигналом тому, что физики в чём-то крупно ошибаются, и тогда придётся искать новую дорогу в недра микромира.

 

 

глава 3. Способы регистрации  элементарных частиц

 

      3.1 Методы наблюдения элементарных частиц

 

Элементарные частицы удаётся наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своём прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, её энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порождёнными ими заряженными частицами.

Приборы, применяемые для регистрации ионизирующих частиц, подразделяются на две группы. К первой группе относятся устройства, которые регистрируют факт пролёта частицы и позволяют судить об её энергии. Вторую группу образуют трековые приборы, т. е. приборы, позволяющие наблюдать следы частиц в веществе. К числу регистрирующих приборов относятся ионизационные камеры и газоразрядные счётчики. Широкое распространение получили черенковские счётчики и сцинтилляционные счётчики.

Заряженная частица, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет. Вещества, в которых заряженные частицы возбуждают заметную световую вспышку (сцинтилляцию), называют фосфорами. Фосфоры бывают органические и неорганические.

Сцинтилляционный счетчик состоит из фосфора, от которого свет подается по специальному светопроводу к фотоумножителю. Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету. Определяется также амплитуда импульсов (которая пропорциональна интенсивности световых вспышек), что дает дополнительную информацию о регистрируемых частицах.

Счетчики часто объединяются в группы и включаются так, чтобы регистрировались только такие события, которые отмечаются одновременно несколькими приборами, либо только одним ним из них. В первом случае говорят, что счетчики включены по схеме совпадений, во втором — по схеме антисовпадений.

Газоразрядный счётчик Гейгера

Счётчик Гейгера- один из важнейших приборов для автоматического счёта частиц.Счётчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод).

 

                     Рис.1

Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счётчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон,£- частица и т.д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создаёт положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ( к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергии, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счётчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подаётся в регистрирующее устройство. Для того чтобы счётчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически. Так как в момент появления импульса тока падение напряжения на разгрузочном резисторе R велико, то напряжение между анодом и катодом резко уменьшается – настолько ,что разряд прекращается.

Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и Y-квантов( фотонов большой энергии).Однако непосредственно Y- кванты вследствие их малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого Y-кванты выбивают электроны.

Счётчик регистрирует почти все попадающие в него электроны; что же касается Y- квантов ,то он регистрирует приблизительно только один Y-квант из ста. Регистрация тяжёлых частиц ( например , £-частиц) затруднена, так как сложно сделать в счётчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.

Камера Вильсона

Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создаёт вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.

Прибор представляет собой цилиндр с поршнем 1 (рис. 2), накрытый плоской стеклянной крышкой 2. В цилиндре находятся насыщенные пары воды или спирта. В камеру вводится исследуемый радиоактивный препарат 3, который образует ионы в рабочем объеме камеры. При резком опускании поршня вниз, т.е. при адиабатном расширении, происходит охлаждение пара и он становится перенасыщенным. В этом состоянии пар легко конденсируется. Центрами конденсации становятся ионы, образованные пролетевшей в это время частицей. Так в камере появляется туманный след (трек) (рис.3), который можно наблюдать и фотографировать. Трек существует десятые доли секунды. Вернув поршень в исходное положение и удалив ионы электрическим полем, можно вновь выполнить адиабатное расширение. Таким образом, опыты с камерой можно проводить многократно.

              

                                     Рис.3

Если камеру поместить между полюсами электромагнита, то возможности камеры по изучению свойств частиц значительно расширяются. В этом случае на движущуюся частицу действует сила Лоренца, что позволяет по искривлению траектории определить значение заряда частицы и ее импульс. На рисунке 4 приведен возможный вариант расшифровки фотографии треков электрона и позитрона. Вектор индукции В магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости чертежа за чертеж. Влево отклоняется позитрон, вправо — электрон.

Пузырьковая камера.

В изобретенной Д. А. Глезером в 1952 г. пузырьковой камере пересыщенные пары заменены прозрачной перегретой жидкостью (т. е. жидкостью, находящейся под внешним давлением, меньшим давления ее насыщенных паров). Пролетевшая через камеру ионизирующая частица вызывает бурное вскипание жидкости, вследствие чего след частицы оказывается обозначенным цепочкой пузырьков пара — образуется трек.