Skip to main content

Интересные факты на любую тему - познавательно и увлекательно!

Рождение и аннигиляция элементарных частиц

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.

О НАУЧНОМ ПРОСТЫМИ СЛОВАМИ

НОВЫЕ ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ

Как долго живут все виды слонов и как они умирают?   Долголетие слонов Слоны являются одними из самых крупных и ...

Батат: сладкий корнеплод с большим потенциалом Батат, или сладкий картофель, является не только вкусным, но и чрезвычай...

В глубине веков, когда человечество еще не открыло секреты производства бумаги, одна из величайших цивилизаций древности...

ПОПУЛЯРНЫЕ ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ

Красный волк или, как его еще называют горный волк, последний представитель рода Cuon. Вой волков этого семейства пробир...

БОЛЬШЕ НЕТ

ЕЩЕ ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ

Элементы — основные химические составляющие Вселенной. Каждый элемент состоит из атомов только одного вида, с определенн...

Среди планет Солнечной системы, Марс – наиболее подходящий для колонизации человечеством. Ученые считают, что уже в 2030...

БОЛЬШЕ НЕТ
Яндекс.Метрика