Cтраница 3
В связи с этим весьма перспективны созданные в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР под руководством академика А. М. Будкера установки с использованием метода встречных пучков. В отличие от традиционной постановки эксперимента, когда ускоренные частицы бросаются на неподвижную мишень, в установках со встречными пучками снаряд и мишень движутся навстречу друг другу с равиыми скоростями. Это дает громадный выигрыш в энергии, особенно в ультрарелятивистской области, когда энергия частицы много больше энергии покоя. Разработка метода встречных пучков позволила ставить эксперименты в области сверхвысоких энергий, недоступные для обычных ускорителей. Большие надежды возлагаются на встречные позитроны - электронные пучки, воплощенные в комплексе ВЭПП-4, на котором будет получена максимальная в мире энергия частиц. [31]
Оценим вначале выигрыш в энергии для простого случая столкновения одинаковых нерелятивистских частиц. Используя закон сохранения импульса, легко убедиться, что в этом случае при неподвижной мишени для реакции образования новых частиц может быть использована только половина кинетической энергии налетающей частицы Ек: А. [32]
Мы видим, что энергия в системе ЦМ растет только как корень квадратный из энергии налетающей частицы. Отсюда следует, что в системе ЦМ очень трудно получать ультравысокие энергии при бомбардировке неподвижных мишеней. Наиболее высокоэнергетические существующие ускорители частиц [ в ЦЕРН вблизи Женевы ( Швейцария) и в Брукхейвене ( США) ] дают протоны с энергией - 30 Гэв. Если мишенями служат неподвижные нуклоны, то полная энергия в системе ЦМ будет - 7 Гэв. Для получения энергии 30 Гэв в системе ЦМ необходимо бомбардировать неподвижные нуклоны протонами с энергией свыше 300 Гэв В связи с этим были предприняты значительные усилия для получения в ускорителях так называемых встречных, или сталкивающихся, пучков, для которых лабораторная система является системой ЦМ. [33]
Указанные выше условия (91.7) можно считать всегда выполненными в реальных физических экспериментах с элементарными частицами. В этих экспериментах обычно изучается взаимодействие частиц, выводимых из ускорителя, с частицами неподвижной мишени. Сам процесс взаимодействия падающих частиц с мишенью занимает ничтожные доли секунды, а большую часть времени частицы находятся в свободном состоянии. Такие состояния принято называть асимптотически свободными. [34]
В опытах по рассеянию сначала приготавливают два пучка частиц, вместо одного из которых часто используется неподвижная мишень. [35]
В опытах по рассеянию сначала приготавливают два пучка частиц, вместо одного из которых часто используется неподвижная мишень. В некоторой пространственной области пучки пересекаются, и частицы из разных пучков вступают во взаимодействие. [36]
Техника работы с накопит, кольцами, в к-рых движутся встречные пучки, очень сложна. Кол-во ядерных реакций, происходящих в единицу времени, оказывается в тысячи раз меньше, чем при неподвижных мишенях, из-за крайней разреженности пучков. Охлаждение фазового объема электронных и позитронных пучков из-за сияхротрон-ного излучения обсуждалось выше. [37]
При встречном соударении вся кинетическая энергия протонов переходит в возбуждение. При заданной энергии возбуждения частицы каждого потока нужно разгонять до меньших энергий, чем в случае удара о неподвижную мишень. [38]
Он теоретически разработал ускоритель на встречных пучках заряженных частиц и руководил его созданием в новосибирском академгородке. В таком ускорителе вся энергия идет на рождение новых частиц, тогда как при столкновении энергичной частицы с неподвижной мишенью на рождение идет только малая доля. [39]
В последнее время для изучения процессов столкновения частиц высоких энергий стал применяться метод встречных пучков. Важным преимуществом этого метода является его экономичность; разгоняя заряженные частицы ( направляемые затем навстречу друг другу) до сравнительно небольших энергий, можно получить эффект столкновения, соответствующий значительно большей энергии частиц, бомбардирующих неподвижные мишени. [40]
Как уже отмечалось выше, при соударении частиц в кол-лайдерах может реализоваться вся набранная при ускорении энергия, в то время как при соударении быстрого протона с нуклоном неподвижной мишени используется только часть этой энергии. Так, для генерации У / ф-мезона энергия протона должна в 3 7 раз превышать энергию покоя У / к / - мезона, а для генерации Z - бозона нужно 50-кратное превышение энергии. Генерация тяжелых частиц на неподвижных мишенях оказывается поэтому катастрофически невыгодной, и необходимо переходить к коллай-дерам. В коллайдерах частицы могут двигаться навстречу друг другу или в одном кольце ( частицы и античастицы), или в двух пересекающихся кольцах. [41]
Для электронных синхротронов ( как уже было сказано в главе Накануне) нереалистично мечтать об энергиях выше 100 ГэВ из-за радиационных потерь, и только линейные электронные ускорители позволят ( может быть) достичь высших энергий. Новой чертой ультрарелятивистских ускорителей является то, что их используют в качестве так называемых коллайдеров. Вместо того чтобы направлять пучок частиц на неподвижную мишень, сталкивают два встречных пучка. При этом, конечно, происходит громадная потеря интенсивности, и непосвященным не всегда понятно, зачем так делают. Частица с такой энергией, сталкиваясь с неподвижной частицей мишени, в лабораторной системе координат выглядит во много раз тяжелее ее, и их столкновение, подобное удару бильярдным шаром по горошине, конечно, не способно разбить ни ту, ни другую. В коллайдере, наоборот, столкновение двух частиц подобно столкновению двух бильярдных шаров, в котором оба могут разбиться, что и является целью эксперимента. Конечно, существуют расчеты, подтверждающие эти примитивные рассуждения. [42]
В настоящее время энергия, до которой могут быть ускорены протоны, достигла 30 000 Мэв. В СССР строится ускоритель на 70 000 Мэв. Очень большие возможности для исследования взаимодействий при сверхвысоких энергиях обещает разрабатываемый в настоящее время метод встречных пучков, идея которого заключается в использовании вместо неподвижной мишени пучка частиц, движущихся навстречу бомбардирующим частицам. Если обе сталкивающиеся частицы имеют равные массы и скорости, то их суммарный импульс равен нулю и вся кинетическая энергия частиц идет на взаимодействие. [43]
В настоящее время энергия, до которой могут быть ускорены протоны, достигла сотен Гэв. В 1967 г. в СССР ( г. Серпухов) был запушзн ускоритель на энергию 76 Гэв. В 1972 г. в США ( Батавия) получен пучок протонов с энергией 400 Гэв. Очень большие возможности для исследования взаимодействий при сверхвысоких энергиях обещает быстро развивающийся метод встречных пучков, идея которого заключается в использовании вместо неподвижной мишени пучка частиц, движущихся навстречу бомбардирующим частицам. Если обе сталкивающиеся частицы имеют равные массы и скорости, то их суммарный импульс равен нулю и вся кинетическая энергия частиц идет на взаимодействие. [44]
Известная разность масс нейтрона / и протона дает возможность вычислить граничную энергию р-спектра нейтрона и функцию F и, следовательно, теоретически предсказать период полураспада т для свободного нейтрона. Оценка давала значение т - 30 мин. Определение периода полураспада такого п рядка для радиоактивного ядра не представляет никаких сложностей. Тем не менее опыт по обнаружению р-распада свободного нейтрона чрезвычайно труден. Эта трудность связана с тем, что из нейтронов нельзя приготовить неподвижную мишень для последующего измерения ее радиоактивности обычным способом. Свободные нейтроны движутся и их нельзя остановить без того, чтобы они не перестали быть свободными. При этом даже самые медленные нейтроны, образующиеся в результате замедления быстрых нейтронов до энергии теплового движения атомов среды, имеют ( при комнатной температуре) скорость v - 2 X X Ю5 см / сек. [45]