Что происходит при столкновении частиц сверхвысоких энергий кратко
Обновлено: 05.07.2024
Бывает и такое. Что же происходит при столкновении частиц сверхвысокой энергии? Они отнюдь не дробятся на нечто такое, что можно было бы назвать их составными частями. Нет, они рождают новые частицы из числа тех, которые уже фигурируют в списке элементарных частиц. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем большее количество частиц рождается. При этом возможно появление частиц с большей массой, чем сталкивающиеся частицы. Главное, что надо отметить, — это то, что всегда выполняется закон сохранения энергии.
Элементарные частицы
Все существующие в мире коллайдеры (ускорители на встречных пучках) можно разбить на несколько групп в соответствии с тем, какие частицы разгоняются и сталкиваются друг с другом:
- электрон-позитронные коллайдеры;
- электрон-протонные коллайдеры;
- адронные (протон-протонные, протон-антипротонные, ядерные) коллайдеры.
Эксперименты на адронных коллайдерах, к которым относится и LHC, имеют ряд особенностей, о которых полезно рассказать отдельно.
Как выглядит типичное протон-протонное столкновение
При очень больших энергиях протон оказывается заполненным в основном глюонами, а кварков и антикварков в нём заметно меньше. Протоны и антипротоны в таких условиях выглядят практически одинаково, и поэтому нет особой разницы, что сталкивать — протоны с протонами (как на LHC) или протоны с антипротонами (как на коллайдере Тэватрон).
Когда два протона сталкиваются лоб в лоб, то это вовсе не значит, что каждый партон обязательно ударяется обо что-то внутри встречного протона. Обычно всё происходит проще — один кварк из одного протона сталкивается с кем-то из встречного протона, а остальные партоны просто пролетают мимо.
Как правило, удар по партону получается в основном продольный, а не поперечный. В результате адроны рождаются преимущественно с большими продольными и маленькими поперечными импульсами. Из-за этого типичное протон-протонное столкновение выглядит примерно так:
Здесь схематично показан процесс множественного рождения адронов. Каждый адрон отмечен отдельной стрелкой, причем длина стрелки примерно соответствует импульсу адрона. В результате адроны разлетаются не изотропно во все стороны, как как бы прижаты к оси столкновения.
Изредка происходит особенно жесткий процесс, при котором столкнувшиеся партоны получают сильный поперечный удар. Эти партоны вылетают с большим поперечным импульсом, и последствия адронизации в этом случае выглядят так:
Иногда происходит жесткое столкновение, и тогда кроме стандартного адронного фона вылетают узкие потоки высокоэнергетических адронов — адронные струи. (Рис. И. Иванова)
Рожденные адроны группируются как вдоль оси столкновения, так и вокруг направления вылета жесткого партона. Поток адронов, вылетающих примерно в одинаковом направлении, называется адронной струей.
Кроме жесткого рассеяния двух партонов, существуют и другие механизмы рождения струй. Так, в столкновении двух партонов лоб в лоб может родиться очень тяжелая частица (например, Z-бозон), которая затем распадается на два кварка, а они уже порождают струи. Собственно, изучение событий со струями — это и есть один из методов поиска тяжелых нестабильных частиц. Наблюдаются также и многоструйные события.
Кинематика протон-протонных столкновений
Все эти столкновения происходят с некоторой частотой, причем чем меньше энергия, чем чаще они происходят. Именно поэтому увеличение энергии протонов приводит к резкому увеличению сечения многих интересных процессов столкновения. Например, на протон-антипротонном коллайдере Тэватрон тоже происходят столкновения двух партонов с энергией 0,5+0,3 ТэВ, но на LHC они будут происходит на порядки чаще.
Трудности изучения протон-протонных столкновений
В изучении протон-протонных столкновений есть две главные трудности: одна экспериментальная и одна теоретическая.
Однако есть несколько приемов, позволяющих в этой ситуации всё же узнать немало нового.
Во-вторых, иногда помимо адронов рождаются и другие частицы с большой энергией — электроны, мюоны, фотоны. Эти частицы не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому адронизации им не мешает. Отбирая события с такими частицами, можно изучать гораздо более редкие процессы, чем в исключительно адронных событиях.
Радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц.
Правило смещения
ОТКРЫТИЕ ПРОТОНА
Бомбардируя азот α -частицами большой энергии, испускаемыми радием, Резерфорд обнаружил появление протонов — ядер атома водорода.
ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА
В 1932 г. английским физиком Д. Чедвиком был открыт нейтрон.
Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г.
Термоядерная реакция
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Приходила ли вам в голову мысль, что Вселенная похожа на виолончель?
Вселенная не похожа на виолончель. Но это не означает, что у нее нет струн.
Демокрит: Все предметы состоят из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, — это простая перестановка атомов.
С какими элементарными частицами Вы знакомы?
С электроном, фотоном, протоном и нейтроном.
Каким образом Резерфорд исследовал структуру атомного ядра?
1906г. Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома.
1913г. Нильс Бор объяснил излучение и поглощение энергии атомом водорода.
Так начался первый этап
Этап первый. От электрона до позитрона: 1897—1932 гг.
Но в конце XIX в. было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX в., были открыты протон и нейтрон — частицы, входящие в состав атомного ядра.
Датой открытия электрона считается 1897 год , когда Томсоном был поставлен эксперимент по изучению катодных лучей . Первые снимки треков отдельных электронов были получены Чарльзом Вильсоном при помощи созданной им Камеры Вильсона
Неделимым и неизменны?
Камера Вильсона
Этап второй. От позитрона до кварков: 1932—1964 гг.
Неизменных частиц нет совсем: в се элементарные частицы превращаются друг в друга.
Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не может прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне.
Свободный нейтрон живет в среднем 15 мин.
К стабильным частицам относятся: фотон, электрон, протон и нейтрино .
Частицы, время существования которых больше 10 -18 с, считаются стабильными.
БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров из более чем 100 стран.
Длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м.
Энергозатраты — около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева .
Современные ускорители сообщают заряженным частицам скорости, очень близкие к скорости света
Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновениях частиц высоких энергий.
Можно ли разбить электрон?
Что происходит при столкновении частиц сверхвысокой энергии?
Они не дробятся на составные части, а рождают новые частицы .
Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем большее количество частиц рождается. При этом возможно появление частиц с большей массой, чем сталкивающиеся частицы.
При этом всегда выполняется закон сохранения энергии .
Результат столкновения ядра углерода, (жирная верхняя линия), с ядром серебра фотоэмульсии.
Ядро раскалывается на осколки, разлетающиеся в разные стороны. Одновременно рождается много новых элементарных частиц — пионов.
Например, свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино:
Общее правило : любое превращение возможно, если оно не запрещено каким-либо законом сохранения.
В настоящее время открыто более 400 элементарных частиц.
Все частицы делятся на три класса :
фотоны , участвуют в электромагнитных взаимодействиях;
лептоны , участвуют в слабом и электромагнитном взаимодействиях;
адроны , участвуют в сильном (ядерном), слабом и электромагнитном взаимодействиях.
Взаимодействия частиц удобно рассматривать с помощью диаграмм, предложенных Ричардом Фейнманом в 1949 г
Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней. (Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру .)
В 1964 г. М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, — адроны — построены из более фундаментальных (или первичных) частиц — кварков .
В настоящее время считается, что существует 6 кварков и 6 антикварков , подбором которых можно построить почти все частицы.
Существование кварков доказывают опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутренней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элементарными.
Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами . Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три вида нейтрино и еще две частицы — мюон и тау-лептон с массами, значительно большими массы электрона).
Кварки и лептоны — истинно элементарные частицы.
ОТКРЫТИЕ ПОЗИТРОНА. АНТИЧАСТИЦЫ
Существование позитрона было предсказано теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г.
Одновременно он предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезнуть , породив фотоны большой энергии.
Может протекать и обратный процесс — рождение электронно-позитронной пары , например при столкновении фотона достаточно большой энергии с ядром.
Первая фотография, доказавшая существование позитрона. Частица двигалась снизу вверх и, пройдя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории увеличилась.
Процесс рождения пары электрон – позитрон γ-квантом в свинцовой пластинке
Сравнительно недавно (1955-56) обнаружены антипротон и антинейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен.
Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка — из позитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впервые получен антигелий.
Излучение, приходящее из космического пространства, называется космическими лучами .
Первичное космическое излучение ― это поток протонов, ядер атомов гелия и атомов более тяжёлых элементов, движущийся со скоростью, близкой к скорости света. Это очень энергичные частицы, их энергии изменяются в пределах от 10 9 до 10 12 эВ. При попадании в атмосферу Земли они сталкиваются с ядрами атомов воздуха и вызывают их распад. При этом возникают вторичные частицы, обладающие большой энергией, анализ состава которых и позволил открыть существование практически всех элементарных части
Все свойства элементарных частиц объясняются резонансным колебанием струн, их образующих. Эти волокна могут совершать бесконечное множество вариантов вибраций. Данная теория предполагает объединение идей квантовой механики и теории относительности.
Данная теория предполагает существовании 10 измерений, но мы ощущаем всего 4 – высота, ширина, длина и время. Ученые предполагают, что остальные 6 — в скрученном состоянии, наличие которых не ощущается в реальном времени.
Теория струн
Майкл Грин: "Теория суперструн замечательна тем, что создает прекрасную картину звучащей Вселенной, основанной на принципе музыкальной гармонии"
Джон Шварц и Майкл Грин получили награду за работы в области теории суперструн в 10 измерениях. Эта теория пока единственная, естественным образом включающая квантовую гравитацию и поля Янга-Миллса.
Американский физик-теоретик Джон Шварц
- Электрон — самая легкая из заряженных частиц. Какой из известных вам законов сохранения запрещает превращение электрона в фотоны или нейтрино?
- Перечислите все стабильные элементарные частицы.
- Какова частота у-квантов, возникающих при аннигиляции медленно движущихся электрона и позитрона?
масса электрона = 9.10938356 × 10 -31 кг
масса протона = 1.6726219 × 10 -27 кг
-80%
А́ТОМНЫЕ СТОЛКНОВЕ́НИЯ, элементарные акты взаимодействия атомных частиц (атомов, молекул, электронов, ионов) друг с другом или с фотонами при соударениях. А. с. делятся на упругие и неупругие. При упругих столкновениях суммарная кинетич. энергия сталкивающихся частиц не меняется, а лишь перераспределяется между ними и изменяются направления их движения. В неупругих столкновениях меняется внутр. энергия сталкивающихся атомных частиц (они переходят на др. уровни энергии) и соответственно меняется их полная кинетич. энергия. При этом может измениться либо электронное состояние атома, либо колебательное и/или вращательное состояния молекулы.
Читайте также: