17

ЛЕКЦИЯ 8

Содержание

1. Элементарные частицы. Введение.

2. Современные ускорители.

3. Некоторые сведения об элементарных частицах.

4. Экспериментальное исследование структуры частиц.

5. Теории в физике частиц. Типы взаимодействий частиц. Константы и радиусы взаимодействий.

6. Диаграммы Фейнмана для электромагнитных взаимодействий.

7. Кванты других полей. Фундаментальные бозоны.

1. Элементарные частицы. Введение.

Мир элементарных частиц - это мир объектов более мелких, чем атомное ядро, т.е. объектов характерные размеры которых 1 фм (рис.1.1). Это исключительно важный раздел физической науки, да и науки вообще, т.к. он связан с изучением фундаментальных законов природы. В последние 3-4 десятилетия в этой области физики сделано много важных открытий. Установлено существование кварков и лептонов, о размере которых в настоящее время известно лишь то, что он <10^-16 см. Хорошо знакомые нам нуклоны (протоны и нейтроны), из которых состоят атомные ядра, больше не считаются бесструктурными объектами. Доказано, что они состоят из кварков. Из кварков состоят не только нуклоны, но и вообще все сильновзаимодействующие частицы - адроны (их характерный размер, как и нуклонов, 1 фм). Таким образом к последовательности дробящегося вещества, похожего на открываемую матрешку (молекулы атомы ядра нуклоны), добавлен новый слой структуры материи - кварк-лептонный (говорят об обнаружении новой ступени квантовой лестницы). Более того, оказалось, что поведение кварков и лептонов может быть описано обобщением уже известных принципов квантовой теории поля, наиболее полно воплощенных в квантовой электродинамике. Таким образом, не только открыт наиболее фундаментальный уровень материи, но и в значительной степени поняты законы, управляющие этим новым миром.

2. Современные ускорители

Проникновение во вс¸ более малые области пространства требует все больших концентраций энергии. Это непосредственно следует из зависимости длины волны частицы от е¸ энергии (поэтому физика частиц это также физика высоких энергий):

(8.1)

Напомним, что лишь при R (R - радиус объекта) можно исследовать его внутреннюю структуру посредством анализа дифракционной картины рассеяния (Лекция 1).

Открытие принципа фазовой стабильности, сделанное в 1944 г. в СССР Векслером и независимо в 1945 г. в США Макмилланом, сняло ограничение на энергии кольцевых ускорителей. Энергии крупнейших кольцевых (и одного линейного) ускорителей приведены в таблице 8.1. Все эти ускорители являются коллайдерами, т.е. ускорителями на встречных пучках, что позволяет исключить потери энергии на движение центра масс сталкивающихся частиц.

Таблица 8.1

Крупнейшие ускорители

Название ускорителя	LEP II	LHC	HERA	TEVATRON	SLC
институт (центр)	CERN	CERN	DESY	Fermilab	SLAC
страна	Швейцария	Швейцария	Германия	ÑØÀ	ÑØÀ
год начала работы	1996	2005	1992	1987	1989
ускоряемые частицы	e^- e^+	p p	e^- p	p	e^- e^+
их максима- льные энер- ãèè (ÃýÂ)	100 + 100	7000 + 7000	30 + 820	1000 + 1000	50 + 50
длина кольца (км)	26.7	26.7	6.3	6.3	линейный ускоритель (3.2 êì)

С помощью перечисленных в таблице ускорителей можно изучать структуру объектов размером вплоть до 10^-16 ñì.

Максимальные массы частиц (в единицах mc²), которые можно генерировать на коллайдерах, равны суммарным энергиям сталкивающихся пучков (при условии, что ускоренные частицы имеют равные массы и энергии). Максимальные массы частиц, которые могут быть рождены на действующих электрон-позитронных коллайдерах, достигают 200 ГэВ (LEP II). Для протон-антипротонного коллайдера (TEVATRON) соответствующая величина 2000 ГэВ.

Принцип работы современных кольцевых ускорителей: заряженные частицы двигаются по кольцу, проходя промежутки с ускоряющим переменным электрическим полем радиочастотного диапазона. Частицы, увеличивающие свою энергию, удерживаются на фиксированной орбите с помощью нарастающего поля мощных сверхпроводящих кольцевых магнитов. По достижении максимального магнитного поля ускоренные частицы либо направляются на неподвижную мишень, либо сталкиваются со встречным пучком, после чего цикл ускорения повторяется. Если встречные пучки состоят из частиц, имеющих равные массы и противоположные по знаку заряды, то для обоих пучков используется одно кольцо магнитов. В некоторых точках этого кольца создаются области пересечения (столкновения) ускоренных встречных пучков.

Современные ускорители высокой энергии оснащаются системами генерации пучков вторичных частиц (и античастиц). В качестве последних могут быть , , нейтрино, антинейтрино и др. С помощью пучков вторичных частиц (в частности и с энергиями сотни ГэВ) выполнены многие важные эксперименты.