Эксперименты в области высоких энергий

Основная информация в физике высоких энергий получается при облучении протонных мишений пучками высокоэнергичных электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино и протонов и антипротонов. Наиболее ценная информация в высокоэнергетическом секторе > 1000 Гэв=1 Тэв получается при столкновении и пучков в ускорителях на встречных пучках (электронных и протонных суперколлайдерах).

Жесткие процессы – высокоэнергетические процессы, в которых каждой из регистрируемых частиц передается большой импульс >> 1 Гэв/сек. Жесткие процессы являются основным источником информации о структуре частиц и о динамике кварк –глюонных процессов. К жестким процессам относятся множественные процессы, инклюзивные процессы, глубоко неупругие процессы, процессы рождения адронных струй.

Множественные процессы- рождение большого количества вторичных адронов в одном акте взаимодействия частиц высокой энергии. При энергиях выше нескольких Гэв они доминируют над процессами одиночного рождения частиц. Из-за большого числа вторичных частиц основной метод изучения инклюзивный.

Инклюзивный процесс- процесс взаимодействия частиц высоких энергий, при котором изучаются характеристики только части вторичных частиц независимо от числа и типа других частиц. При энергии столкновения 5 Гэв в системе центра инерции ( с.ц.и.) рождается > 10 частиц, при 60 Гэв число вторичных частиц >20. Экспериментальные данные получены в основном для одно- и двухчастичных инклюзивных процессов при энергии столкновения 2000 Гэв.

Глубоко неупругие процессы – инклюзивные процессы взаимодействия лептонов и кварков, при которых квадрат передачи 4-импульса лептона адрону значительно превышает характерную энергию покоя адрона 1 Гэв. В этих процессах при облучении протонных мишеней электронными, мюонными и нейтринными пучками удалось обнаружить точечные образования внутри адронов, которые назвали партонами. В последствии они были отождествлены с кварками и глюонами.

Глубоко неупругое рассеяние лептонов на адронной мишени позволяет исследовать распределение заряда в протяженном объекте. угловое распределение рассеянных электронов на протяженном заряженном объекте описывается дифференциальным сечением рассеяния

(2.7)

где формфактор - функция, описывающая влияние протяженности частицы на её взаимодействие с другими частицами и полями. - Фурье образ распределения заряда в случае статической мишени. импульс переданный падающим электроном мишени. Сечение рассеяния на точечной мишени (опыт Резерфорда !)

(2.8)

где , , -угол рассеяния электрона.

Роль электронного пучка состоит в том, что он служит источником виртуальных фотонов, которые взаимодействует с частицами внутри протона. Если квадрат импульса переданного протону велик, то неупругое рассеяние электрона на протоне сводится к упругому рассеянию электрона на свободном партоне внутри протона. При этом электрон создает виртуальный -квант, который быстро и жестко взаимодействует с партоном. Медленно рассеянный цветной партон взаимодействует с пассивным остатком протона, и формирует бесцветные адроны, которые станут продуктами развала протона. В силу удержания цвета это происходит с вероятностью 1. Протон разваливается на две адронные струи. Одна струя летит в направлении виртуального фотона, другая в направлении первичного протона.

Впервые в 1968 г. на линейном ускорителе электронов в Стандфорде было обнаружено, что форм-факторы глубоко неупругого рассеяния электрона на протоне в области = >>1 Гэв² почти не зависят от . Явление было названо скейлингом Бьёркена. Это означало также, что электрон рассеивался на неком точечном объекте внутри протона (Фейман назвал его партоном). Анализ квантовых чисел партонов отождествил их с кварками. Среди партонов преобладали частицы со спином ½. Распределение кварковых импульсов говорит о том,что существенную долю импульса протона уносят нейтральные партоны, которые отождествлены с глюонами.

Фотоны с большим импульсом и малой длиной волны могут быть приготовлены в столкновении электрон-позитронных пучков высоких энергий. Электрон-позитронные коллайдеры могут быть использованы для изучения КЭД, слабых взаимодействий, кварков и лептонов, и для поиска тяжелых кварков и лептонов. Входной канал реакции аннигиляции является чисто лептонным.

Струя адронная- рожденная в одном акте взаимодействия группа адронов, для которых продольная компонента импульса каждого адрона много больше поперечной компоненты. Четко выделенные адронные струи наблюдаются в неупругих жестких процессах при высоких энергиях сталкивающихся частиц. Двух- и трех-струйные события наблюдаются при аннигиляции электрона и позитрона во встречных -пучках. Причем в двухструйных событиях обе струи направлены противоположные стороны в системе центра инерции. Трехструнные события возникают в реакции . Третью адронную струю дает глюон . 4-струйные события регистрировались при аннигиляции протона и антипротона во встречных пучках. Основную долю частиц в струе составляют -мезоны ( 90 %) и только 10 % приходится на К-мезоны, нуклоны и антинуклоны. рис.2.5.

Рис.2.5. Феймановская диаграмма трехструйного события в реакции аннигиляции . Две кварковые струи и одна глюонная.

Рис.2.6. Трехструйное событие в реакции аннигиляции е^-,е⁺ зарегистрированное детектором JADE на ускорителе PETRA.

К трехструйным событиям приводит также распад ипсилон –мезона на три глюона, порождающих адронные струи (см.рис.2.7.)

Рис.2.7. Феймановская диаграмма трехструйного события

Последние (за 15 лет) экспериментальные достижения в физике элементарных частиц:

Эксперименты проверили теорию электрослабого взаимодействия в диапазоне от субядерных расстояний до галактических.

Детекторы частиц позволили установить, что нейтрино могут менять свой тип. Нейтрино должны иметь массу, необъяснимую теорией электрослабого взаимодействия.

Обнаружен массивный шестой «истинный» кварк при столкновении протонов с антипротонами в лаборатории им Ферми.

В КЕК (японская лаборатория по физике высоких энергий) и в Стэнфордском центре линейных ускорителей было обнаружено различие между распадами В-мезонов и их античастиц. Это может объяснять наблюдаемую барионную ассиметрию Вселенной - очень малое содержание в ней антивещества.

Астрономические наблюдения указывают, что во Вселенной доминирует не- барионная «темная материя» и неизвестная «темная энергия» вызывающая положительное ускоренное расширение Вселенной.