Быстрый поиск

element.jpg

Большинство известных в настоящее время элементарных частиц не существует в обычном веществе. Поэтому, чтобы изучить их свойства, необходимо сначала получить их. В типичном для физики элементарных частиц эксперименте пучок протонов, ускоренных до высокой энергии, направляют на покоящуюся мишень, вещество которой выбирается в зависимости от целей эксперимента. Протоны пучка сталкиваются с протонами и нейтронами ядер вещества мишени. При столь высоких энергиях частиц пучка энергия связи нуклонов в ядре несущественна, и столкновение происходит так, как если бы протон попадал в несвязанный протон или нейтрон. Эта ситуация хорошо моделируется системой из двух твердых тел, скрепленных тонкой веревкой. Если по одному из них легонько ударить, вся система, вместе с веревками, сдвинется как целое. Но если на одно из тел подействует очень большая сила, то веревка не выдержит и это тело отлетит, разорвав веревку и оставив позади себя другое тело. Подобно этому, когда высокоэнергетический протон соударяется с нуклоном в ядре, нуклон, как правило, вылетает из ядра.

 

Если мишень имеет толщину около метра, то почти все протоны пучка, проходя через нее, встречаются на своем пути, по крайней мере, с одним ядром и так или иначе с ним взаимодействуют. В результате столкновения протон может рассеиваться на некоторый угол так же, как рассеиваются низкоэнергетические электроны и фотоны. Однако при высоких энергиях наиболее характерен другой процесс взаимодействия, а именно рождение новых частиц, которых не было ни в первоначальном пучке, ни в веществе мишени. В процессе рождения новых частиц часть кинетической энергии исходных частиц превращается в энергию покоя новых частиц. Это служит подтверждением одной из возможностей, предсказанных теорией относительности. Новые частицы рождаются более чем в 50% случаев столкновений протонов высоких энергий с ядрами. Число рожденных в каждом столкновении частиц возрастает с увеличением энергии, начиная от одной или двух — для протонов с кинетической энергией около 1000 МэВ (1 ГэВ). Новые частицы обычно не являются ни протонами, ни нейтронами.

 

 

Прежде чем говорить об обсуждении природы и свойств других элементарных частиц, необходимо как-то обосновать, почему физики думают, что элементарные частицы рождаются в столкновениях заново, а не просто освобождаются. Мы видели, что электроны и нейтроны также могут вылетать из вещества при различных воздействиях на него, но при этом мы не сомневались, что вылетающие частицы уже существовали в веществе до столкновения, а не рождались в результате него. Поэтому желательно установить точный критерий того, какая из этих взаимоисключающих возможностей каждый раз реализуется. Одним из критериев, позволяющих судить, существовала ли частица в веществе до столкновения или нет, служит наблюдение, устанавливающее, можно ли выбить ее оттуда различными «снарядами». Другой используемый физиками критерий сводится к выяснению того, вылетает ли эта новая частица при столкновениях, в которых кинетическая энергия исходных частиц меньше энергии покоя рождающейся частицы. В соответствии с законом сохранения энергии новая частица может родиться только в том случае, если часть кинетической энергии сталкивающихся частиц превращается в ее энергию покоя. Применяя этот критерий к различным экспериментам, можно заключить, что электроны, протоны и нейтроны изначально присутствуют в веществе, поскольку они вылетают из него в результате столкновений, в которых суммарная кинетическая энергия исходных частиц гораздо меньше их энергии покоя. Для других частиц подобное не наблюдается, отсюда следует, что в обычном веществе их нет. Однако эти критерии становятся весьма сомнительными, когда энергия связи частицы оказывается сравнимой с ее энергией покоя, поскольку для вылета частицы необходимо, чтобы энергия исходных частиц компенсировала энергию связи.

 

Элементарные частицы, рождающиеся в столкновениях, различаются по своим массам, спинам и другим свойствам. Во многих отношениях мир элементарных частиц выглядит гораздо запутаннее, чем мир атомов или ядер. Помимо трудности получения элементарных частиц существенной помехой для их изучения является их нестабильность — большинство частиц самопроизвольно распадается на другие частицы почти сразу же после рождения.

 

Из частиц, не существующих в обычном веществе, в столкновениях легче всего получить позитрон, или положительно заряженный электрон, который был открыт Карлом Андерсоном в 1932 г. Если через тонкую металлическую пластину проходит пучок электронов или фотонов с энергиями в несколько МэВ, то из пластины вылетают электроны, а также другие заряженные частицы, масса которых совпадает с массой электрона, а заряд положителен и по абсолютной величине равен заряду электрона. Это и есть позитроны. Тщательные измерения показали, что позитроны рождаются в паре с электронами, иными словами, происходит «рождение пары». Как показывают оценки величины этого эффекта, фотон с энергией 5 МэВ, прошедший через кусок железа толщиной 10 см, вероятнее всего создает один электрон и один позитрон, т. е. одну пару. Пара рождается только в том случае, если энергия фотона не меньше 1,02 МэВ, что равно сумме энергий покоя позитрона и электрона. Это показывает, что фотон именно порождает позитрон, исчезая в процессе рождения последнего, а не освобождает его из вещества, поскольку в этом случае энергия, необходимая для вылета позитрона, по-видимому, зависела бы от свойств вещества. Закон сохранения заряда в применении к процессу рождения позитрона из фотона требует, чтобы одновременно с позитроном рождалась также отрицательно заряженная частица, что и наблюдается на опыте. Закон сохранения энергии требует, чтобы энергия фотона была бы не меньше суммы энергий покоя пары рожденных частиц. Эта энергия довольно мала, так что гамма-фотоны, возникающие в результате некоторых радиоактивных распадов, способны рождать пары. Поэтому позитроны можно получить и без помощи ускорителей частиц.

Рекомендуем почитать!

tsar-aleksej-mikhajlovich
Годы правления 1645-1676   Царь Алексей...ДАЛЕЕ .....596
muzhchiny-i-zhenshchiny-raznoe-vospriyatie-mira
В некоторых отношениях между мужчиной и женщиной возникают...ДАЛЕЕ .....384
dublirovanie-mnogomestnye-velosipedy
«В то время как одноместный велосипед уже достиг самой...ДАЛЕЕ .....854
kto-takie-moskity
Из других кровососущих двукрылых насекомых фауны нашей страны...ДАЛЕЕ .....883
amerikanets-robert-ripli-khotite-verte-khotite-net
Американец из Калифорнии Роберт Рипли (1890-1949) обладал...ДАЛЕЕ .....910
apollon-belvederskij-pokhodka-boga
У древних греков было такое понятие «теофания»....ДАЛЕЕ .....829
tsar-boris-godunov
Годы правления 1598-1604    Борис Годунов...ДАЛЕЕ .....816
okhota-za-meteorami
Там, где космическое пространство и верхние слои атмосферы...ДАЛЕЕ .....662
knyaz-vladimir
Годы правления 980-1014    Князь Владимир...ДАЛЕЕ .....713
raspredelenie-oblachnosti
Благодаря облакам земля получает меньше солнечной энергии, но...ДАЛЕЕ .....355
kakie-ptitsy-nazyvayutsya-beskilevymi
Обойдется без крыльев - бескилевые птицы   У...ДАЛЕЕ .....860
osnovnye-biologicheskie-ponyatiya
Биология изучает различные формы живых организмов, их...ДАЛЕЕ .....260
vertikalnye-dvizheniya-atmosfery
Вертикальные движения атмосферы (поднятия и опускания) бывают...ДАЛЕЕ .....357
kondensatsiya-vodyanogo-para
Для перехода водяного пара в жидкость (конденсация) или в...ДАЛЕЕ .....381
kak-ustroeny-rasteniya
На Земле примерно 350 000 биологических видов растений. Это и...ДАЛЕЕ .....728
zhirovoj-obmen
Липиды (от греч. lipos - жир) представляют собой обширную...ДАЛЕЕ .....679
starets-rasputin
Похождения Распутина с удовольствием комментировала пресса -...ДАЛЕЕ .....840
turtsiya-pokupaet-kitajskie-rakety-ssha-razgnevanny
Турки раскрыли именно детали на сумму почти 3,5 миллиарда...ДАЛЕЕ .....684
tipy-podnyatij-vlagi
Различают несколько типов...ДАЛЕЕ .....317
opredelenie-temperatury-okeana-so-sputnika
Меняющаяся из месяца в месяц и от сезона к сезону температура...ДАЛЕЕ .....939
istoriya-zhenskoj-sumki
Клатч, ридикюль, шоппер, сумка-минодьер, кисет, барсетка,...ДАЛЕЕ .....216
khirurgicheskie-operatsii-pryamo-v-kosmose
Космос представляет собой огромное пространство. Учёные -...ДАЛЕЕ .....651
zadachi-geografii-obshchaya-i-chastnaya-geografiya
Наше представление об изменениях в природе, как о потоке...ДАЛЕЕ .....443
kogda-poyavilis-pervye-akrobaty
Акробат — это человек, который выполняет различные...ДАЛЕЕ .....815
volny-mezhdu-sredami
Если имеются две среды, отличающиеся различными плотностями и...ДАЛЕЕ .....291
benito-mussolini
Бенито Муссолини был создателем фашизма - строя, с которым у...ДАЛЕЕ .....1180
grand-kanon-v-arizone
На западном побережье США, между Калифорнией и Портлендом, вдоль...ДАЛЕЕ .....857
novye-russkie
Новые-русские - кто они. Под термином новые-русские...ДАЛЕЕ .....247