Главная
База знаний "Allbest"
Физика и энергетика
Класифікація та характеристики елементарних частинок
Класифікація та характеристики елементарних частинок
Види класифікації елементарних частинок, їх поділ за статистичним розподілом Фермі-Дірака та Бозе-Ейнштейна. Види елементарних взаємодій та їх характеристика. Методи дослідження характеристик елементарних частинок. Особливості використання прискорювачів.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 11.12.2014 |
| Размер файла | 603,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Зміст
- Вступ
- 1. Літературний огляд
- 1.1 Види класифікації елементарних частинок. Поділ частинок за статистичним розподілом Фермі-Дірака та Бозе-Енштейна
- 1.2 Основні види елементарних взаємодій
- 1.3 Класифікація частинок за видом взаємодій
- 1.4 Класифікація частинок за часом життя
- 1.5 Античастинка. Антиречовина
- 1.6 Гіпотетичні елементарні частинки
- 2. Матеріали та методи дослідження
- 2.2 Методи дослідження характеристик елементарних частинок. Прискорювачі
- 2.2 Лінійні резонансні прискорювачі
- 2.3 Циклічні прискорювачі
- 3. Результати та їх обговорення
- 3.1 Бозони
- Глюони
- Бозон Хіггса
- 3.2 Ферміони
- Лептони
- Кварки
- 3.3 Адрони
- Баріони
- Чарівний баріон
- Гарний баріон
- 3.4 Мезони
- В-мезон
- Мезони
- Чарівний мезон
- Гарний мезон
- Дивний мезон
- Екзотичні мезони
- С - мезони
- Список використаних джерел
Вступ
Античні греки вважали, що світ складається з чотирьох первинних стихій: землі, повітря, вогню та води. Давньогрецький філософ Демокрит розробив атомістичне вчення, відповідно до якого існують лише атоми та порожнеча. Атоми Демокрита - неподільні матеріальні елементи, вічні, непроникні, що відрізняються формою та розмірами. З їх вихору утворюються як окремі тіла, так і всі різноманітні, невидимі людині світи, що діють на органи відчуттів.
Після І. Ньютона запанувала механістична модель з ґравітаційною взаємодією між рухомими частинками. У ХХ ст. механістична картина світу була замінена польовою - властивості світу виводилися з чотирьох типів взаємодії: ядерної, електромагнітної, слабкої та ґравітаційної. Останнім часом усю різноманітність навколишнього світу пов'язують із властивостями вакууму. Вакуум - найстабільніше з усього, що існує в природі і в той же час найскладніше з усього, про що ми знаємо. Наприклад, однаковість елементарних частинок диктується саме властивостями вакууму. Більше того, при флуктуаціях вакууму можуть породжуватися пари елементарних частинок.
Елементарними називають найдрібніші відомі частинки фізичної матерії. Спочатку під терміном "елементарна частинка” розуміли щось абсолютно елементарне. Проте, коли в 1950-х і 1960-х роках були відкриті сотні адронів зі схожими властивостями, стало ясно, що принаймні адрони мають внутрішні ступені свободи, тобто не є в строгому значенні слова елементарними. Зокрема, було виявлено внутрішню структуру протона, нейтрона, інших частинок. Вони складаються з кварків, пар "кварк-антикварк" та глюонів. У свою чергу кварки, можливо, теж мають свою структуру, хоча на сучасному рівні знань вони є фундаментальними складовими адронів. Тобто характерною ознакою елементарних частинок є їх здатність до взаємних перетворень, що не дозволяє розглядати елементарні частинки як найпростіші, незмінні "цеглинки світобудови”.
Відомий сьогодні набір елементарних частинок не був таким протягом усього існування Всесвіту. Космогонічна теорія Великого вибуху стверджує, що на початку, в момент часу 10-33 с після Великого вибуху, існували частинки-прабатьки, так звані преони, з енергією 1015 ГеВ. Прямими "спадкоємцями” преонів стали кварки. Близько 10-6 с після Великого вибуху утворили протони і нейтрони. За цими уявленнями через приблизно 3 хв. після початку процесу утворилася й більша частина ядер гелію, що існують у Всесвіті [1].
елементарна частинка прискорювач
1. Літературний огляд
1.1 Види класифікації елементарних частинок. Поділ частинок за статистичним розподілом Фермі-Дірака та Бозе-Енштейна
Статистика Фермі - Дірака - особливий вид розподілу частинок за енергією, характерний для ферміонів.
Оскільки ферміони - це частинки, які не можуть перебувати в квантово-механічному стані з однаковими квантовими числами, ця заборона накладає обмеження на їхній розподіл за енергією. Ймовірність знайти ферміон у певному стані | із енергією задається формулою:
(1.1)
Тут - хімічний потенціал, - стала Больцмана, T - температура.
Характерною особливістю цього розподілу є одиниця в знаменнику. Вона визначає особливий вигляд розподілу Фермі - Дірака.
Хімічний потенціал визначається із умови нормування розподілу й залежить від повного числа часток в системі N:
(1.2)
В основному стані ферміони займають якомога нижчі енергетичні рівні. Накладена принципом виключення Паулі заборона призводить до того, що при нульовій температурі, коли реалізується основний стан, усі найнижчі одноферміонні рівні зайняті. Найвищий зайнятий у такому стані рівень називається рівнем Фермі.
При збільшенні температури, існує певна ймовірність того, що ферміони системи матимуть енергію, вищу за енергію рівня Фермі. Завдяки цьому існує відмінна від нуля ймовірність того, що рівень із енергією нижчою за енергією рівня Фермі, стане вільним. Чим вища температура, тим пологішою стає крива розподілу. При дуже високих температурах розподіл Фермі - Дірака переходить у класичний розподіл Максвелла - Больцмана [2].
Статистика Бозе - Ейнштейна - розподіл за енергією часток, які належать до бозонів.
За розподілом Бозе - Ейнштейна ймовірність того, що в квантово-механічній багаточастинковій системі існує бозон у одночастинковому квантовому стані | із енергією визначається формулою:
(1.3)
Оскільки ймовірність повинна бути додатним числом, значення хімічного потенціалу завжди менше за енергію основного стану бозонів.
Якщо кількість бозонів строго визначена (N), то хімічний потенціал визначається із умови нормування розподілу:
(1.4)
Одним із наслідків квантової статистики Бозе - Ейнштейна є можливість існування у тривимірних системах за низьких температур особливої фази речовини, що складається з бозонів - Бозе-конденсату.
Статистиці Бозе - Ейнштейна підкоряється електромагнітне випромінювання, яке перебуває у тепловій рівновазі з тілом. Тому її застосування пояснює спектр випромінювання абсолютно чорного тіла.
В залежності від того, чи є спін частинки цілим або напівцілим, частинки поділяються на два класи: частинки з цілим або нульовим спіном носять назву частинок Бозе, або бозонів і підпорядковуються розподілу Бозе - Ейнштейна; частинки з напівцілим спіном носять назву частинок Фермі, або ферміонів і підпорядковуються розподілу Фермі-Дірака. Більшість елементарних частинок (електрони, протони, нейтрони, позитрони та ін.) мають спині 1/2 і є ферміонами [3].
1.2 Основні види елементарних взаємодій
З фундаментальних сил у природі гравітаційні сили (тяжіння) були усвідомлені першими, для них була створена математично зрозуміла теорія - теорія Ньютона.
У теорії тяжіння Ньютона простір і час не мають тісного зв'язку, який було встановлено в теорії відносності Ейнштейна.
На початку XX ст. було відкрито два нових фундаментальних типи зв'язку: слабку взаємодію, яка зумовлює в-розпад, і сильну взаємодію, що зв'язує протони і нейтрони в атомних ядрах. Ці типи зв'язку не були відкриті раніше, оскільки вони діють лише на малих субатомних відстанях, тоді як сили тяжіння і електромагнітні сили далеко діючі, радіус дії їх нескінченно великий.
Інтенсивність взаємодії прийнято характеризувати за допомогою так званої константи, яка є безрозмірним параметром, що визначає ймовірність процесів, зумовлених певним видом взаємодії. Відношення значень констант дає відносну інтенсивність відповідних взаємодій.
Нині відомо чотири види взаємодії між частинками, а саме: гравітаційна, сильна, електромагнітна і слабка.
Гравітаційна взаємодія є найслабкішою з перелічених і в процесах мікросвіту істотного значення не має. Щоправда, сучасна теорія передбачає, що цей вид взаємодії можливо буде основним усередині елементарних частинок. Проте сучасна техніка експерименту не дає змоги проникнути в глибини частинок і перевірити висновки теорії. У зв'язку з цим обмежимося розглядом трьох видів взаємодії: сильної, електромагнітної і слабкої [4].
Сильна взаємодія характерна для важких елементарних частинок (протонів, нейтронів та ін.). Вона зумовлює зв'язок нуклонів у ядрі. Саме через це сильну взаємодію іноді називають ядерною. Особливістю ядерної взаємодії є мале значення радіуса дії ядерних сил, який становить близько 1 фермі (10-15м).
Короткодія ядерних сил робить їх подібними до молекулярних сил, що дало змогу І. Є. Тамму 1933 р. висловити ідею про обмінний характер їх. Подальший розвиток цієї ідеї належить X. Юкаві, який 1935 р. розробив теорію обмінних сил. За теорією Юкави, ядерні сили (сильні взаємодії) зобов'язані своїм походженням деяким спеціальним частинкам - мезонам, якими обмінюються нуклони в ядрі. Цим віртуальним мезонам властива певна маса і дуже короткий час життя - 10-23 с. За цей час мезон, випромінений нуклоном, пролітає відстань близько 10-15 м, повертається назад і поглинається частинкою, що його породила. Якщо ж поблизу є інший нуклон, то він поглинає мезон і відразу випромінює його знову. Внаслідок такого обміну мезонами нуклони взаємодіють. Сильна взаємодія відбувається за ядерний час - час проходження світлом відстані, що дорівнює розміру атомного ядра, - 10-23 с і відзначається площею перерізу 10-31м2. Інтенсивність взаємодії характеризується:
, (1.5)
де g - стала мезон-нуклонної взаємодії є безрозмірною величиною константою.
Інтенсивність сильної взаємодії має найбільше значення серед подібних констант: для р-мезонів і для К-мезонів. Сильній взаємодії властива незалежність від електричного заряду. У реакціях, що відбуваються за сильної взаємодії, зберігається максимальна кількість квантових чисел: баріонний і електричний заряди, ізотопічний спін, дивність, парність [5].
Електромагнітна взаємодія за своєю інтенсивністю в 102.103 разів слабша від сильної взаємодії і спостерігається між електрично зарядженими частинками. Нею зумовлені кулонівські сили, процеси народження електронно-позитронних пар г-фотонами, розпад р-мезона на два г-фотони та ін.
Електромагнітні взаємодії характеризуються безрозмірною константою (е - заряд електрона).
Електромагнітні взаємодії найзручніші для експериментального і теоретичного дослідження. Вони вигідно відрізняються від слабких взаємодій тим, що тільки в сто разів слабші від сильних і, отже, мають майже ті самі порядки значень для перерізів взаємодії - 10-31.10-34м, що і в ядерних взаємодіях. Великі інтенсивності пучків електронів і фотонів у прискорювачах дають змогу виміряти ці перерізи з великою точністю. Крім того, електромагнітні взаємодії відрізняються від сильних взаємодій тим, що вони досить слабкі (константа взаємодії набагато менша за одиницю). При цьому можна провести точні розрахунки і побудувати досить досконалу теорію електромагнітних взаємодій - квантову електродинаміку.
Природу електромагнітної взаємодії можна описати, якщо припустити, що електрони обмінюються фотонами подібно до того, як нуклони обмінюються р-мезонами. Тільки обмін фотонами відбувається не за 10-23 с, за 10-20 с - характерний час електромагнітної взаємодії. На відміну від сильної взаємодії для електромагнітної взаємодії порушується закон збереження ізотопічного спіну.
Слабка взаємодія в 10-14 разів слабша від сильної. Цей тип взаємодії відповідальний за всі види в-розпаду ядер, за спонтанний розпад більшості елементарних частинок, за процеси взаємодії нейтрино з речовиною.
Слабкі взаємодії характеризуються безрозмірною константою де f - електронно-нейтринний заряд, що відповідає гіпотетичному полю слабких взаємодій.
Відрізняють слабкі процеси за участю лептонів, які класифікуються за допомогою лептонного заряду, і слабкі процеси, що проходять зі зміною дивності й класифікуються за допомогою цього поняття. При цьому константа слабкої взаємодії однакова не лише для всіх видів лептонних процесів, а й у першому наближенні збігається також із константою взаємодії для процесів, що проходять зі зміною дивності [6].
Слабка взаємодія, як і сильна, є короткодіючою. Характерний час для слабкої взаємодії становить 10-10 с.
Вчені вважають, що слабка взаємодія має також обмінний характер і переноситься специфічним векторним мезонним полем. Йому відповідають три сорти заряджених і нейтральних проміжних векторних бозонів: W+, W - і Z°. Для слабкої взаємодії порушуються закони збереження ізотопічного спіну, дивності, парності.
Таблиця 1.1-
Таблиця характеристик елементарних частинок та природа взаємодій
|
Взаємодія |
Носії |
Інтенсивність |
Радіус, м |
Переріз м2 |
Характерний час |
|
|
Сильна (ядерна) |
Глюони |
1…10 |
… |
… |
||
|
Електромагнітна |
Фотони |
1/137 |
? |
… |
… |
|
|
Слабка |
Проміжні бозони |
… |
… |
|||
|
Гравітаційна |
Гравітони |
? |
… |
Електромагнітні та гравітаційні взаємодії спадають обернено пропорційно квадрату відстані між частинками, а тому про якийсь певний радіус дії для них не йдеться. Водночас експериментальний характер залежності ядерних сил від відстані дає змогу визначити радіус їхньої дії - порядку 10-15 м. Ядерні сили в сотні разів інтенсивніші від електромагнітних, проте через малий радіус дії були виявлені зовсім недавно, коли фізичний експеримент дав змогу проникнути в середину атомного ядра. У табл.1.1 наведено основні характеристики всіх взаємодій (q - електричний заряд, В - баріонний заряд, S - дивність, J - ізотопічний спін).
1.3 Класифікація частинок за видом взаємодій
Елементарні частинки діляться на наступні групи:
- адрони - частинки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків і поділяються, в свою чергу, на мезони і баріони.
- лептони - ферміони, які мають вигляд точкових частинок (тобто не складаються ні з чого) аж до масштабів порядку 10 - 18 м. Не беруть участь в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалася тільки для заряджених лептонів (електрони,мюони, тау-лептони) і не спостерігалося для нейтрино. Відомі 6 типів лептонів.
- кварки - дрібно заряджені частинки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися (для пояснення відсутності таких спостережень запропоновано механізм конфайнмента). Як і лептони, діляться на 6 типів і вважаються безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.
- калібрувальні бозони - частинки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії.
До калібрувальних бозонів відноситься:
- фотон - частинка, що переносить електромагнітне взаємодія;
- вісім глюонів - частинок, що переносять сильна взаємодія;
- три проміжних векторних бозона W +, W - і Z 0, що переносять слабка взаємодія;
- гравітон - гіпотетична частинка, що переносить гравітаційна взаємодія. Існування гравітонів, хоча поки не доведено експериментально в зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком вірогідним, а проте гравітон не входить в стандартну модель елементарних часток.
Адрони і лептони утворюють речовина. Калібрувальні бозони - це кванти різних типів взаємодій [7].
1.4 Класифікація частинок за часом життя
Нині відома велика кількість елементарних частинок, які мають різноманітні властивості. Спроби класифікувати їх за деякими загальними ознаками сприятимуть встановленню закономірностей, пов'язаних з будовою і поведінкою частинок, дадуть змогу передбачити ще невідкриті частинки, як це зробив Д.І. Менделєєв для хімічних елементів.
У табл.1.2 наведено основні відомі елементарні частинки та їхні характеристики. Якщо в основу класифікації частинок покласти спін, то їх можна розділити на дві групи - ферміони і бозони. Якщо ж в основу класифікації частинок покласти масу, то визначаться чотири групи частинок: фотони, лептони, мезони, баріони.
У табл.1.2 наведено назви тільки для частинок. Назву відповідної античастинки для баріонів, нейтральних каонів і всіх видів нейтрино утворюють додаванням до назви частинки приставки "анти". Наприклад, протон - антипротон, електронне нейтрино - електронне антинейтрино. Антиелектрон називають також позитроном. До заряджених піонів і каонів термін античастинка, як правило, не застосовують. Йдеться про позитивні й негативні піони (каони).
Нині відомо п'ять зарядів, які строго зберігаються: електричний q, баріонний В і три види лептонних зарядів Lе (для ), Lм (для ) і Lф (для). Характерною особливістю всіх цих зарядів є їхнє цілочислове значення. Кожний із зарядів може бути як позитивним, так і негативним.
Фотони, тобто г-кванти електромагнітного поля, маса яких дорівнює нулю, а спін дорівнює , беруть участь лише в електромагнітних взаємодіях.
Лептони. Ще донедавна було відомо чотири лептони: два заряджених (е-, м-) і два їхні нейтральні супутники (, ). Потім було встановлено третій заряджений лептон, якому присвоїли символ ф. Допускається, що ф-лептон також має "власне" нейтрино.
Для лептонів властиві малі значення мас. Серед цих частинок найбільшу масу має ф-лептон, найменшу - електронне нейтрино. Лептони беруть участь лише в електромагнітних і слабких взаємодіях. Усі лептони мають півцілий спін і, отже, описуються статистикою Фермі. Серед них є електрично заряджені (електрон, позитрон, мюони) і нейтральні (електронні й мюонні нейтрино й антинейтрино). Вони мають відмінний від нуля лептонний заряд. Баріонний заряд для них дорівнює нулю.
Електрони - це елементарні частинки, які були виявлені першими при вивченні атомної структури речовини.
Електрон є носієм найменшої порції електричного заряду. Його заряд е = 1,60 • 10-19 Кл, маса спокою mе =9,11 • 10-31 кг. Електрону властивий власний момент кількості руху - спін, що дорівнює . Магнітний момент електрона майже дорівнює магнетону Бора:
(1.6)
Знак мінус означає, що магнітний і механічний моменти електрона мають протилежний напрям. Електрони позначаються символом е-. Електрон є стабільною частинкою, яка спонтанно не перетворюється в інші частинки.
Поряд з негативними існують позитивні електрони - позитрони, які відносно електронів є античастинками. Позитрон відрізняється від електрона тільки знаком електричного і електронного лептонного зарядів. Абсолютні значення цих зарядів і всі інші характеристики у позитронів і електронів збігаються. Позитрон є частинкою, стабільною у вакуумі, проте в речовині довго не може існувати внаслідок того, що при зіткненні з електроном вони анігілюють, перетворюються в електромагнітне випромінювання
Мюони. Вперше мюони виявили 1937 р. К. Андерсон і С. Недермейєр у складі космічного випромінювання. Відомо позитивні (м+) і негативні (м-) мюони. Електричний заряд мюонів за абсолютним значенням дорівнює заряду електрона. Негативно і позитивно заряджені мюони виступають відповідно як частинка й античастинка. Маса мюонів становить 206,8 електронних мас, спін їх дорівнює (). Середній час життя нерухомих мюонів ф = 2,15 • 10-6 с.
У 1948 р. Г.Б. Жданов і А.А. Хайдаров установили, що електрони й позитрони, утворені при розпаді мюонів, які майже втратили швидкість, мають широкий спектр енергії. Середня енергія їх становить близько 35 МеВ, що відповідає 1/3 енергії спокою мюона.
Це означає, що при розпаді мюона крім легкої зарядженої частинки виникає не одне (як при (в-перетворенні), а два нейтрино. Якщо розпад мюона, що припинився, супроводжувався, як вважали спочатку, випромінюванням одного нейтрино, то при одночасному збереженні енергії 106 МеВ і при однаковості імпульсів двох частинок - електрона і нейтрино - енергія всіх електронів розпаду була б однаковою і дорівнювала 53 МеВ. Викидання двох нейтрино з антипаралельними орієнтаціями спінів забезпечує при розпаді мезону збереження спіну .
Нині встановлено, що нейтрино і антинейтрино, які випромінюються разом з позитронами і електронами, відрізняються від нейтрино і антинейтрино, що випромінюються разом з мюонами. У зв'язку з цим, як зазначалося, розрізняють електронне і мюонне нейтрино і антинейтрино. Виходячи із закону збереження електронного лептонного заряду, схему розпаду м±-мезонів слід переписати так:
, (1.7)
Якби швидкорухомі мюони мали той самий середній час життя, який спостерігається для нерухомих (що зупинились) мюонів, то середній пробіг мюонів у атмосфері при їхній швидкості, близькій до швидкості світла, не перевищував би 600м. Насправді пробіг мюонів у атмосфері в багато разів більший. Це пояснюється збільшенням тривалості всіх періодичних процесів (сповільненням часу) при русі з великими швидкостями, як це випливає з теорії відносності. Відповідно збільшується і середній час життя будь-якої нестабільної частинки, коли її швидкість наближається до швидкості світла.
Енергія швидких мюонів у космічному випромінюванні становить близько 3000 МеВ, тоді як енергія мюона - 100 МеВ. При такій енергії середній час життя мюона виявляється в 30 разів більшим, ніж середній час життя нерухомого мюона, і становить 6 • 10-5 с. У зв'язку з цим середній пробіг мюонів у атмосфері дорівнює 18 км. При такій довжині пробігу слід чекати, що на шляху в 1 км розпадатиметься близько 5 % мюонів. Цей розрахунок підтверджується вимірюванням інтенсивності жорсткої компоненти космічного випромінювання і порівнянням числа швидких мюонів у стратосфері з їхнім числом на рівні моря.
Особливий інтерес становить електронне (не) і мюонне (нм) нейтрино, які мають надзвичайно велику проникну здатність. Вони характеризуються пів цілим спіном і нульовою масою. Останнім часом завдяки експериментам зроблено припущення про наявність у нейтрино маси.
Наведемо приклади реакцій, в яких випромінюється нейтрино:
, (1.8)
де не - електронне нейтрино; нм - мюонне нейтрино. Антинейтрино () народжується в реакціях в-розпаду природних радіоактивних речовин і в реакціях розпаду мезонів за такою схемою:
, (1.9)
де е - електронне антинейтрино; м - мюонне антинейтрино. Спін обох видів нейтрино не і нм напрямлений в бік, протилежний напряму швидкості (імпульсу), спін антинейтрино і збігається зі швидкістю їхнього руху.
Мезони - частинки з масою, проміжною між масами лептонів і масами більш масивних частинок - баріонів, належать до наступного класу. Вони беруть участь у всіх трьох видах взаємодії, при цьому сильна взаємодія превалює. Від класу баріонів вони відрізняються відсутністю баріонного заряду, від класу лептонів - відсутністю лептонного заряду. Мезони мають нульовий спін. Вони бувають електрично зарядженими й нейтральними, дивними і звичайними, характеризуються цілим і пів цілим ізотопічними спінами. До групи мезонів належать піони (р-мезони), каони (K-мезони), етон (з-мезон). Мезони, як електрони або протони, існують у двох видах частинок і античастинок.
Існування й нестабільність мезонів були передбачені до їх відкриття квантово-механічною теорією внутрішньоядерних сил, запропонованою японським фізиком X. Юкавою (1935 р.). У теорії Юкави передбачалось, що:
1) мезони можуть мати заряд електрона або позитрона;
2) їхня маса в 200-300 разів більша від маси електрона;
3) мезони нестабільні і мають спонтанно розпадатись на електрон (чи позитрон) і нейтрино;
4) середній час життя мезона становить мільйонну частку секунди.
Деякий час фізики ототожнювали мюони з частинками, передбаченими теорією X. Юкави. Проте вивчення їхніх властивостей показало, що у мюонів немає основної властивості частинок Юкави: вони, на відміну від частинок Юкави, ядерно неактивні.
Аналогом частинок Юкави виявилися р±-мезони (піони), які також мають заряд електрона (р--мезони) або позитрона (р+-мезони). Спін їх дорівнює нулю. Маса р-мезонів приблизно в 4/3 раза більша від маси мюонів mр± =273,2mе.
Заряджені р-мезони були відкриті в космічному випромінюванні 1947 р., а 1949 р. їх було одержано в лабораторних умовах (на прискорювачі в Берклі) при зіткненні швидких протонів з протонами і нейтронами:
(1.10)
У 1950 р. було відкрито р-мезони, що не мають заряду, нейтральні р0-мезони, які інколи називають нейтретто. їхня маса трохи менша від маси заряджених р-мезонів: як і заряджені р-мезони, р° - мезони мають нульовий спін. (Існування нейтральних м-мезонів не виявлено.) Як і м-мезони, р-мезони є нестабільними частинками і спонтанно розпадаються з дуже малим середнім часом життя. Відповідні вимірювання показали, що середній час життя заряджених р+-мезонів однаковий і становить 2,6 • 10-8 с, тобто на два порядки менший, ніж у м-мезонів. Саме цим пояснюється той факт, що у космічному випромінюванні на рівні моря число р-мезонів набагато менше від числа м-мезонів. Заряджені р-мезони розпадаються за такою схемою:
(1.11)
Отже, внаслідок розпаду р+-мезонів утворюються м±-мезони і мюонне нейтрино (або антинейтрино).
Середній час життя р° - мезона становить 0,76 • 10-16 с. Нейтральний р° - мезон розпадається на два фотони:
, (1.12)
Де г-кванти високої енергії, що виникають при цьому, дають початок каскадному утворенню електронно-позитронних пар.
На відміну від м-мезонів р-мезони сильно взаємодіють з атомними ядрами і, проникаючи в них, спричинюють ядерні перетворення. Особливе значення для фізики ядра має можливий віртуальний обмін зарядженими р-мезонами між різнорідними нуклонами і нейтральними р°-мезонами між однорідними нуклонами всередині ядра. Виходячи з ідей, які висловили ще 1934 р.І. Є. Тамм, Д.Д. Іваненко, X. Юкава, вважають, що, подібно до фотонів електромагнітного поля,р-мезони зі спіном, який дорівнює нулю, випромінюються і поглинаються нуклонами і є квантами ядерного (мезонного) поля:
,.
,. (1.13)
Поглинання цих мезонів іншими нуклонами приводить до сильної взаємодії між ними, яка реалізується по одній із таких схем:
;
;
; . (1.14)
До групи мезонів належать також K-мезони. Як і р-мезонам, К-мезонам властивий нульовий спін. Маса їх більша за масу р-мезонів і становить 966,3mе для заряджених K+-мезонів і 974,5mе для нейтральних K-мезонів (К°) і анти-ка-нуль-мезонів (). K-мезон має елементарний позитивний заряд, а K-мезон - елементарний негативний заряд. Залежно від типу K-мезонів середній час життя змінюється від 10-8 до 10-10 с. Існує кілька схем розпаду K-мезонів. Так, у випадку K-мезона можливі такі види розпадів:
(1.13)
Як зазначалось, р-мезони можуть бути утворені при ядерних реакціях із частинками високих енергій в потужних прискорювачах; м-мезони утворюються в результаті перетворення р - і K-мезонів. K-мезони народжуються з великою інтенсивністю при зіткненнях мезонів або протонів високої енергії з нуклонами. Якщо один із видів частинок, наприклад негативні мезони, назвати частинками, то позитивні мезони будуть античастинками. Можна прийняти і протилежне позначення.
Баріони - масивні елементарні частинки. Вони складаються з двох підгруп - нуклонів і гіперонів. Для них баріонний заряд відмінний від нуля, лептонний заряд дорівнює нулю, і вони є ферміонами. З мезонами їх об'єднує здатність брати участь у сильній взаємодії, внаслідок чого мезони і баріони об'єднують в групу адронів. Адронами називають усі сильно взаємодіючі частинки [8].
Нуклони. До нуклонів належать протон (р), антипротон (), нейтрон (n) і антинейтрон ().
Протон має масу, що дорівнює 1836,5 електронним масам, тобто mр = 1,672 • 10-27 кг. Позитивний заряд протона за абсолютним значенням дорівнює заряду електрона, тобто qp =1,60 • 10-19 Кл.
Спін протона дорівнює , магнітний момент мp =2,7929мя, де
(1.14)
Протон є однією з найзручніших частинок для прискорення в прискорювачах та використання для ядерних реакцій. Для протона прийнято такі позначення: 11Н або р.
Протон - стабільна частинка. Проте, як показують теоретичні розрахунки, час життя його менший за 1032 років. Експериментально розпад протона не зафіксовано.
Існування антипротона було передбачено теорією Дірака, але експериментальне відкриття його стало можливим тільки через чверть століття після відповідного розвитку техніки прискорювачів заряджених частинок. Він був відкритий наприкінці 1955 р. групою фізиків у складі Е. Сегре, О. Чемберлена та інших при бомбардуванні мідної мішені протонами, прискореними в бетатроні Стенфордського університету до енергії 6,3 МеВ.
Антипротон має масу, що дорівнює масі протона, і заряд, однаковий за значенням і знаком з електроном. Спін антипротона дорівнює Магнітний момент однаковий за значенням з магнітним моментом протона, але має від'ємний знак, тобто напрямлений протилежно спіну. Отже, м =2,7929мя. Антипротон позначають символом .
Протон і антипротон, подібно до електрона і позитрона, утворюють систему частинка - античастинка. Якщо в системі електрон - позитрон позитивно заряджена частинка після проходження через речовину швидко анігілює, то в парі частинок протон - антипротон стабільною є саме позитивна частинка - протон. Антипротон, хоч і стабільний у вакуумі, проте в речовині швидко анігілює з протоном, утворюючи р - і K-мезони і рідше жорсткі г-фотони. Отже, поряд з електронно-позитронним вакуумом має існувати протонно-антипротонний вакуум. Антипротон відносно протона є античастинкою. Протон є однією з найважливіших складових частинок складних ядер і сам становить ядро атома гідрогену. Разом з електроном протон утворює нейтральний атом гідрогену. Можна уявити собі обернену систему, тобто систему антипротон - позитрон, яка буде за всіма властивостями (оптичними, хімічними, магнітними) аналогічна атомам гідрогену. Це буде анти атом гідрогену.
Елементарна частинка нейтрон має масу майже однакову з масою протона, але не має електричного заряду. Внаслідок цього нейтрону властива велика проникна здатність, оскільки він під час руху в речовині не витрачає енергію на іонізацію, випромінювання тощо. Крім того, через відсутність кулонівського відштовхування нейтрони дуже легко проникають в атомні ядра і тому є дуже ефективними частинками, які спричинюють ядерні реакції з усіма ядрами атомів. Маса нейтрона дорівнює 1838,6 електронним масам, а електричний заряд - нулю. Спін нейтрона дорівнює , а магнітний момент нейтрона мn =-1,9131мя. Позначають нейтрон символом n: інколи 1n або 10n. Це вказує на те, що його масове число - одиниця, а заряд дорівнює нулю. Нейтрон є нестабільною елементарною частинкою і після його звільнення з атомного ядра через деякий час розпадається. Період піврозпаду нейтрона 16,9 хв. Він розпадається за такою схемою:
(1.15)
де - електронне антинейтрино.
Античастинкою відносно нейтрона є антинейтрон.
Це елементарна частинка з тією самою масою, як і нейтрон, із зарядом, що дорівнює нулю, і спіном Магнітний момент антинейтрона дорівнює за абсолютним значенням магнітному моменту нейтрона, проте протилежний йому за знаком. Антинейтрон позначають символом .
Уперше антинейтрони виявили (1956 р.) американські фізики Б. Корк, Г. Ламбертсон, О. Піччоні, В. Вензель, які спостерігали антинейтрони, що виникли в результаті перезарядження антипротонів, при русі їх через речовину.
Реакція перезарядження полягає в обміні зарядами між нуклоном і антинуклоном за такою схемою:
(1.16)
Вихід цих реакцій дуже невеликий, однак все ж вдається спостерігати виникнення антинейтронів. Відкриття антинейтронів поряд з відкриттям антипротонів є блискучим підтвердженням сучасної теорії елементарних частинок.
Дослідження космічного випромінювання методом фотоемульсій, а також з камерами Вільсона спеціальних конструкцій привели до відкриття важких нестабільних частинок, які названо гіперонами. Маса гіперонів більша від маси нуклонів (протонів і нейтронів), але менша від маси дейтронів. Нуклони і гіперони належать до групи баріонів, тобто важких частинок. їх позначають великими літерами грецького алфавіту. Існують нейтральні й заряджені гіперони, спін їх дорівнює
При деяких зіткненнях піона з нуклоном піон зникав, а замість нього народжувався новий мезон, який назвали K-мезоном, або каоном. Нуклон при цьому перетворювався в нову частинку. Ця нова частинка, як і нуклон, була баріоном. Час життя її був близько 10-10 с. Якщо вона розпадалась, то з'являвся піон і нуклон і все поверталось у вихідний стан, тільки з "додачею" K-мезона.
Порівняно з ядерним часом тривалість життя 10-10 с досить велика, і нові баріони з цієї точки зору можна розглядати як стабільні.
Гіперони народжуються при зіткненні піонів високої енергії з нуклонами. При цьому утворюються, зокрема, л°-гіперони з масою 2182,75mе, два різних сигма-гіперони з майже однаковими масами (У+ з масою 2327,6mе і У - з масою 2342,6mе), а також нейтральний сигма-гіперон (У°). Час життя його 10-14с або менший. Маса У°-гіперона близька до маси У+ - і У--гіперонів і дорівнює 2333,4mе. Крім У - і Л-гіперонів було виявлено й інші гіперони. Незвичними здалися фізикам два ксі-гіперони і , які розпадались так:
(час життя с)
(час життя с) (1.17)
По-перше, незвичним було те, що ксі-гіперони не розпадались відразу на нуклони, а обов'язково спочатку перетворювались в ламбда-гіперон. По-друге, у ксі-гіперона не виявилось позитивно зарядженого антипода. Ксі-гіперони були схожі на пару нуклонів, а не на три сигма-гіперони. Маси їх близькі 2584,7me у і 2572me. у . Незвичною була також поява ксі-гіперонів. Вони народжувались у супроводі двох каонів, наприклад так:
(1.18)
Останній представник гіперонів, який привернув до себе увагу, це Щ - (омега-мінус-гіперон), маса якого дорівнює 3278mе, час життя - 1,3 • 10-10 с. Утворюється він також при зіткненні піона з нуклоном, але в супроводі трьох каонів:
(1.19)
Вперше Щ--гіперон виявлено на Брукхейвенському синхротроні 1964 р. при здійсненні реакції:
(1.20)
При цьому було одержано 300 тис. знімків і лише на восьми з них виявлено сліди Щ--гіперонів. На цих самих знімках було зафіксовано і розпад Щ--гіперонів. Щ--гіперон випромінює піон р - і перетворюється в -гіперон. Ксі-нуль-гіперон, у свою чергу, розпадається на л°-гіперон і нейтральний піон. Нейтральний піон, як ми знаємо, перетворюється на два фотони, кожний з яких народжує пару електрон - позитрон. л°-гіперон перетворюється в протон і негативний піон.
Отже, гіперони беруть свій початок від нуклонів. Нуклони є також кінцевими продуктами їхнього розпаду. Саме це дає змогу розглядати гіперони як збуджені нуклони. На користь такої думки свідчить і той факт, що гіперони здатні заміняти нуклони в атомних ядрах, унаслідок чого виникають нестабільні гіперядра.
1.5 Античастинка. Антиречовина
Одне з найважливіших досягнень сучасної фізики - відкриття особливої симетрії природи, яка полягає в тому, що в кожної частинки речовини існує "двійник" - античастинка. Вона має ту саму масу і спін, але протилежний знак електричного та інших характерних зарядів. На існування в природі такої симетрії вперше вказав (1928 р.) П. Дірак.
Першою відкритою античастинкою був позитрон (антиелектрон), виявлений 1932 р. у складі космічного випромінювання. Через більш ніж двадцять років в експериментах на прискорювачах високих енергій були відкриті антипротон і антинейтрон. Потім на прискорювачах вдалося спостерігати велику групу нестабільних частинок - антигіперонів. Зокрема, одна з таких частинок - анти-сигма-мінус-гіперон - була відкрита на синхрофазотроні в ОІЯД м. Дубни. Античастинки можуть народжуватися лише в парі зі своїм двійником - звичайною частинкою. Енергія, що витрачається на утворення пари частинки - античастинки, дорівнює 2mс2, де m - маса частинки. Наприклад, у разі народження пари електрон - позитрон витрачається енергія 1,02 МеВ.
Усі ці античастинки належать до класу елементарних частинок. Із теоретичних уявлень випливає, що поряд з елементарними античастинками мають існувати їхні складові системи - антиядра, складовими елементами яких є антипротони і антинейтрони. Більше того, атому кожного хімічного елемента таблиці Д.І. Менделєєва відповідають атоми антиелементів, що складаються з антиядер і антиелектронів (позитронів). Отже, поряд з будь-якою хімічною сполукою звичайної речовини можуть існувати аналогічні хімічні сполуки, побудовані з атомів антиречовини. Інакше кажучи, сучасна теорія припускає, що у Всесвіті можуть існувати ділянки з антиречовиною. Вони відрізняються від звичайної речовини лише тим, що замість електронної оболонки "звичайних" атомів в "антиатомах" оболонка складається з позитронів, а замість атомних ядер містяться відповідні антиядра.
Характерною особливістю взаємодії частинок з античастинками є те, що при зіткненні вони можуть анігілювати, точніше перетворюватись у випромінювання або в частинки меншої маси. Так, позитрон, зіткнувшись з електроном, може перетворитися в два або три г-кванти, антипротон при зіткненні з протоном - у кілька мезонів, які потім або поглинаються речовиною, або розпадаються. Через реакцію анігіляції "антиречовина" не може стабільно існувати разом із речовиною. В такій "суміші" неперервно знищувалися б частинки і античастинки доти, доки один з її компонентів повністю не "вигорів" би. Оскільки при анігіляції виділяється значна енергія, суміш речовини і антиречовини становить "ідеальне" паливо максимально можливої калорійності. Воно приблизно в тисячу разів калорійніше від палива на основі ядерного поділу. Внаслідок великого енерговиділення при анігіляції речовини і антиречовини гіпотеза існування "антисвітів" (тобто ділянок, що складаються з антиречовини) часто використовувалась астрофізиками для пояснення незрозумілих потужних джерел випромінювання у Всесвіті.
Із введенням в експлуатацію потужних прискорювачів елементарних частинок на енергію в десятки мільярдів електрон-вольтів істотно розширились можливості експериментального вивчення антиречовини. Справа в тому, що для народження античастинок при зіткненні частинок високої енергії важливо, щоб енергія бомбардуючої частинки була досить великою. Наприклад, реальна можливість спостережень антипротонів з'явилась тоді, коли було споруджено прискорювачі протонів до енергій 6.10 ГеВ. На прискорювачі, розрахованому на енергії близько 30 ГеВ, було виявлено антидейтерій.
Перше антиядро-антидейтрон одержали 1965 р. американські фізики під керівництвом Л. Ледермана. Можливість же спостерігати антиядро наступного за гідрогеном елемента таблиці Д.І. Менделєєва - гелію відкрилась, по суті, тільки з введенням в експлуатацію Серпухівського прискорювача протонів з максимальною енергією 76 ГеВ. Ядро антигелію складається з двох антипротонів і одного антинейтрона.
Труднощі, які виникли перед експериментаторами, полягали у тому, що ядра антигелію потрібно було шукати серед великої кількості інших частинок, які утворюються при зіткненні частинок високих енергій. їх виділяли з маси інших частинок одночасно за кількома ознаками, зокрема за електричним зарядом, швидкістю руху частинок, які визначались різними методами. Це дало змогу надійно зареєструвати ядра антигелію. За час вимірювання через експериментальну установку було пропущено понад 2 • 1011 частинок, серед яких виявилося п'ять ядер антигелію. Відкриття ядер антигелію має велике принципове значення, оскільки воно підтверджує теоретичну концепцію існування антиречовини. А це, у свою чергу, сприятиме глибокому розумінню процесів, які відбуваються у Всесвіті, а також його еволюції.
Якби були можливими накопичення антиречовини, то процеси, які в них можуть відбуватися, не відрізнялись би від тих, що існують у звичайній речовині. Таке накопичення антиречовини, яке за своїми масштабами еквівалентне, наприклад, галактиці, можна назвати антигалактикою.
Можна припустити, що поряд з галактиками існують антигалактики. При зіткненні антигалактик із звичайними космічними утвореннями мають відбуватися грандіозні катастрофи у Всесвіті, які супроводжуються грандіозними вибухами з виділенням величезної кількості випромінювання. Можливо, що цими процесами можна пояснити спалахи нових зірок та інші космічні явища [8].
1.6 Гіпотетичні елементарні частинки
Аксіно - гіпотетична нейтральна елементарна частинка зі спіном 1/2, яку передбачали деякі теоретики фізики елементарних частинок. Теорія Печчеї - Квінн намагається пояснити спостережуване явище, відоме як сильна CP-проблема, шляхом введення гіпотетичних реальних псевдоскалярних частинок, так званих аксіонами. Додавання суперсиметрії до цієї моделі призводить до необхідності існування ферміонів суперпартнера для аксіонів - аксіно (з R-парністю ?1), а також бозони суперпартнера - саксіона (з R-парністю +1). Всі вони складають одне киральне суперполе.
У деяких моделях аксіно може бути найлегшою суперсиметричною частинкою, яка, як передбачається, має бути стабільною. Зокрема, у зв'язку з цією властивістю, аксіно розглядається в якості одного з кандидатів на роль частинок, що складають темну матерію.
Аксіон - гіпотетична нейтральна псевдоскалярна елементарна частинка, постульована для збереження CP-інваріантності в квантовій хромодинаміці Аксіон повинен бути псевдоголдстоунівським бозоном, і виникати в результаті спонтанного порушення симетрії Печчеї-Квінн.
ксіон має розпадатися на два фотони, а його маса залежить від вакуумного очікування полів Хіггса як ~ 1/V.
В оригінальній теорії Печчеї-Квінн V ~ 100 ГеВ і маса аксіона ~ 100 кеВ, що, однак, протиречить експериментальним даним з розпаду - і -частинок. В модифікованій теорії в рамках Великого об'єднання значення V значно вище і аксіон має бути частинкою малої маси, що дуже слабо взаємодіє з речовиною. Існують роботи, які вводять шкалу мас, зв'язану з масою аксіона, яка значно більша за V; це призводить до значно меншої константи зв'язку аксіона з іншими полями і пояснює чому аксіон не спостерігається в експериментах. Широко обговорюються дві моделі такого роду. В одній із них вводяться нові кварки, які можуть нести (на відміну від відомих кварків і лептонів) заряд Печчеї-Квінн і зв'язані з так званим "адронним" аксіоном (або KSVZ-аксіоном, аксіоном Кіма-Шифмана-Вайнштейна-Захарова). В іншій моделі (так званий GUT-аксіон, DFSZ-аксіон, або аксіон Дайна-Фішлера-Средніцкого-Житніцкого) відсутні додаткові кварки, усі кварки несуть заряд Печчеі-Квінн і, крім того, вимагається існування двох хіггсовских дублетів.
Бозон Гіґґса - елементарна частинка, квант поля Гіґґса, що з необхідністю виникає в Стандартній моделі внаслідок Гіґґсового механізмуспонтанного порушення електрослабкої симетрії.
За будовою Гіґґсівський бозон є скалярною частинкою, тобто частинкою із нульовим спіном. В рамках Стандартної Моделі бозон Гіґґса відповідає за масу елементарних частинок.
При мінімальній реалізації Гіґґсівського механізму повинен виникати один нейтральний Гіггсівский бозон; в розширених моделях спонтанного порушення симетрії може виникнути декілька Гіггсівских бозонів різної маси, у тому числі і заряджених.
2. Матеріали та методи дослідження
2.2 Методи дослідження характеристик елементарних частинок. Прискорювачі
У сучасних ядерних дослідженнях основними джерелами частинок високих енергій є прискорювачі, в яких дістають пучки електронів, протонів, а частинок і важких іонів, а також зустрічні пучки електронів та позитронів і зустрічні пучки протонів та антипротонів. При бомбардуванні мішені частинками цих пучків внаслідок ядерних перетворень утворюються інші частинки. Якщо таких частинок достатньо і вони піддаються керуванню, то з них формують вторинні пучки нових частинок (піонів, каонів та ін.). Збільшення енергії заряджених частинок у прискорювачах відбувається внаслідок дії на них електричного поля. За способом розгону частинок прискорювачі можуть бути нерезонансними або резонансними. За формою траєкторії руху прискорюваних частинок прискорювачі поділяють на лінійні і циклічні.
Прискорювачі - це досить складні установки. За обладнанням і принципом дії вони відносяться до фізичної електротехніки і радіотехніки надвисоких частот. Роль прискорювачів у ядерній фізиці і особливо у фізиці елементарних частинок вирішальна. Крім застосування у фізиці, прискорювачі широко використовуються в хімії, біофізиці, геофізиці, медицині та в багатьох інших галузях науки і техніки [10].
Першим прискорювачем, який ще з початку 30-х років XX століття мав практичне застосування в ядерній фізиці, є електростатичний генератор Ван-де-Граафа. Звичайні генератори Ван-де-Граафа дають можливість одержати напругу до 2-5 МВ, а модифіковані - до 15-20 МВ.
Розглянемо фізичні основи, на яких грунтується дія прискорювачів.
2.2 Лінійні резонансні прискорювачі
У найпростішому лінійному прискорювачі заряджені частинки приводяться в прискорений прямолінійний рух під дією високої електричної напруги, прикладеної на кінцях або окремих ділянках вакуумної трубки (рис.1.1.). На одному кінці трубки міститься джерело заряджених частинок 1, а на другому - мішень 2. Проміжні електроди у вигляді пустотних циліндрів забезпечують рівномірніше падіння потенціалу вздовж трубки і запобігають виникненню розрядів на її кінцях.
Щілини між електродами фокусують пучок заряджених частинок
Рис. 1.1 Схема лінійного резонансного прискорювача.
Тому електричне поле має бути досить сильним. Для його створення використовують високовольтні генератори (електростатичний генератор Ван-де-Граафа, імпульсний генератор, каскадний генератор сталості напруги). Такі лінійні прискорювачі є нерезонансними.
У лінійних резонансних прискорювачах використовується високочастотна змінна напруга, а рух частинки синхронізується із змінами напруги. У циліндричній вакуумній трубці розташовано трубчасті електроди. Ці електроди з'єднані через один між собою, і на них подається змінна напруга. Нехай у деякий момент часу потенціали електродів визначаються верхніми знаками "+" або "-", а напрям електричного поля - верхніми стрілками.
Вважатимемо, що прискорюваними частинками є протони, які влітають у прискорювач зліва і рухаються всередині першої трубки-електрода. При русі протона в щілині між електродами 1 і 2 відбувається його прискорення. Потім прискорювана частинка рухається всередині другої трубки-електрода. Пролітаючи в ній, протони не зазнають дії ніяких сил, оскільки електричне поле всередині металевої трубки, як і всередині будь-якого провідника, відсутнє. Продовжуючи свій рух, протони знову потрапляють у щілину між електродами 2 і 3. Якби поле було сталим у часі, то, пролітаючи у щілині, протони втратили б усю енергію, яку одержали у першій щілині. Однак за той час, протягом якого частинки пролітають другим електродом, потенціали на електродах змінюються так, що напрям електричного поля і потенціали визначаються нижніми знаками (рис.2). і За такої умови протони у другій щілині знову прискорюватимуться і їхня енергія зростатиме. Ідея цього методу прискорення полягає в тому, що напруга змінюється за той час, поки протони знаходяться всередині тієї чи іншої трубки. Такий метод прискорення називають резонансним. Довжина трубчастих електродів із ростом їх номера в цих прискорювачах збільшується. Оскільки частинки рухаються в кожному наступному електроді з наростаючими швидкостями, то вони мають пролітати всі трубчасті електроди за той самий час, який дорівнює половині періоду змінної прискорюючої напруги (або непарному числу півперіодів). Лінійні резонансні прискорювачі протонів застосовуються в основному як перший ступінь прискорення (інжектори) у циклічних прискорювачах [11].
Лінійні резонансні прискорювачі електронів істотно відрізняються від протонних. Для прискорення електронів застосовують так звані "прискорювачі з біжучою хвилею". У них електрон весь час перебуває біля гребеня такої хвилі і безперервно прискорюється.
Незважаючи на те що лінійні прискорювачі не можуть надавати частинкам таких великих енергій, які тепер використовуються в атомній фізиці, вони поки що залишаються важливими установками в ядерних дослідженнях [12].
2.3 Циклічні прискорювачі
У циклічних прискорювачах використовується спільна дія на заряджену частинку електричного і магнітного полів. Електричне поле прискорює частинки, а магнітне утримує їх на певній траєкторії і багато разів повертає у прискорююче поле. Циклічні прискорювачі, як і лінійні, поділяються на нерезонансні і резонансні.
До нерезонансних циклічних прискорювачів належить бетатрон, який використовується для прискорення р-частинок (електронів). Теорію бетатрона розробив у 1940 р. радянський фізик Я.П. Терлецький, а в 1940-1941 рр. у США Д. Керст збудував перший бетатрон, який давав змогу прискорювати електрони до енергій 2-3 МеВ. На рис. 3 показано схематичний переріз бетатрона (1 - полюсні наконечники; 2 - переріз вакуумної тороїдальної трубки; 3 - центральний сердечник; 4 - обмотка електромагніту; 5 - ярмо магніту).
Як відомо, змінне магнітне поле створює вихрове електричне поле, лінії напруженості якого являють замкнені криві, що охоплюють лінії магнітної індукції. Таке вихрове електричне поле використовується для прискорення електронів у тороїдальній трубці. Під час посилення магнітного поля у трубку вводять електрони. Їх підхоплює вихрове електричне поле і розганяє до високих енергій. Через чверть періоду зміни сили струму в електромагніті напруженість магнітного поля досягає максимуму і прискорення електронів припиняється. За цей час електрони набувають енергію до 300 МеВ. Максимальна енергія електронів, прискорених у бетатроні, може досягати 500 МеВ. Дальшому зростанню їх енергії перешкоджають значні витрати її на електромагнітне випромінювання електронів, що рухаються по викривлених траєкторіях.
Залежно від характеру прискорюючого поля і керуючого магнітного поля циклічні резонансні прискорювачі поділяють на циклотрони, фазотрони, синхротрони та синхрофазотрони.
Розглянемо принцип дії деяких циклічних резонансних прискорювачів. Першим циклічним резонансним прискорювачем був циклотрон, який сконструював у 1930 р. Е. Лоурено. В однорідному магнітному полі у вакуумній камері розміщено два порожнистих D-подібних електроди - дуанти 1 і 2 (рис. 3). У центрі між ними вмонтовано вертикальну трубку А, через яку вводяться позитивно заряджені іони. Дуанти підключено до генератора змінної електричної напруги. У щілині між дуантами виникає електричне поле то прямого, то протилежного напрямів. Нехай з джерела іонів А вилітає позитивний іон у той момент, коли дуант 1 має позитивний потенціал, а дуант 2 - негативний.
Подобные документы
Відкриття нових мікроскопічних частинок матерії. Основні властивості елементарних частинок. Класи взаємодій. Характеристики елементарних частинок. Елементарні частинки і квантова теорія поля. Застосування елементарних частинок в практичній фізиці.
реферат [31,1 K], добавлен 21.09.2008Визначення поняття сцинтиляційного спектрометра як приладу для реєстрації і спектрометрії частинок. Основні методи спостереження та вивчення зіткнень і взаємних перетворень ядер і елементарних частинок. Принцип дії лічильника Гейгера та камери Вільсона.
презентация [975,1 K], добавлен 17.03.2012Зв'язок важких заряджених частинок з речовиною. До важких частинок відносяться частинки, маси яких у сотні разів більші за масу електрона. Вільний пробіг важких заряджених частинок у речовині. Взаємодія електронів, нейтронів з речовиною. Кулонівська сила.
реферат [51,0 K], добавлен 12.04.2009Загальне поняття про будову лічильника Гейгера-Мюллера, його призначення. Функції скляного віконця трубки. Процес реєстрації нейтронів. Історія винаходу лічильника. Камера Вільсона як детектор треків швидких заряджених частинок. Процес конденсації пари.
презентация [339,3 K], добавлен 15.04.2013Єдина теорія полів і взаємодій у цей час. Об'єднання слабкої й електромагнітної взаємодій елементарних часток. Мрія Ейнштейна у пошуках єдиної теорії будови Всесвіту. Основної ідеї та теоретичні досягнення у теорії суперструн на сьогоднішній день.
курсовая работа [474,6 K], добавлен 25.01.2011Поняття радіоактивності. Різниця між радіоактивністю і розпадом "компаунд"-ядер, утворених дією деяких елементарних частинок на стабільні ядра. Закономірності "альфа" і "бета" розпаду. Гамма-випромінювання ядер не є самостійним видом радіоактивності.
реферат [154,4 K], добавлен 12.04.2009Взаємодія заряджених частинок з твердим тілом, пружні зіткнення. Види резерфордівського зворотнього розсіювання. Автоматизація вимірювання температури підкладки. Взаємодія атомних частинок з кристалами. Проведення структурних досліджень плівок.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 21.05.2015Шляхи становлення сучасної фізичної картини світу та мікросвіту. Єдині теорії фундаментальних взаємодій. Фізичні закони збереження високих енергій. Основи кваліфікації суб’ядерних частинок; кварковий рівень матерії. Зв’язок фізики частинок і космології.
курсовая работа [936,1 K], добавлен 06.05.2014Система броунівських частинок зі склеюванням. Еволюція важкої частинки в системі броунівських частинок зі склеюванням. Асимптотичні властивості важкої частинки. Асимптотичні властивості випадкового процесу. Модель взаємодіючих частинок на прямій.
дипломная работа [606,9 K], добавлен 24.08.2014Квантова механіка описує закони руху частинок у мікросвіті, тобто рух частинок малої маси (або електронів атома) у малих ділянках простору і необхідна для розуміння хімічних і біологічних процесів, а значить для розуміння того, як ми улаштовані.
реферат [162,5 K], добавлен 22.03.2009
