Популярное изложение
Физика высоких энергий и физика астрочастиц (космических частиц) являются сегодня двумя наиболее крупными и активно развивающимися направлениями физики элементарных частиц. Экспериментальные исследования именно в этих областях позволяют ученым изучать физический мир природы в его наиболее загадочных проявлениях, таких как поле Хиггса, темная материя Вселенной и др.
Все силы, возникающие в природе, на самом фундаментальном уровне могут быть описаны с помощью четырёх видов взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного. Первые два действуют на любых расстояниях и поэтому знакомы каждому, вторые два — действуют на крошечных расстояниях и поэтому менее известны. Гравитационное взаимодействие присуще всем телам обладающим массой. К электромагнитному сводятся взаимодействие между заряженными телами и частицами, а также упругие, вязкие, молекулярные, химические и др. Сильное взаимодействие удерживает вместе кварки, составляющие нуклоны (протоны и нейтроны), а также сами протоны и нейтроны в атомных ядрах. Слабое взаимодействие на микроуровне отвечает за выделение энергии в звёздах, в том числе и на Солнце, и ответственно за радиоактивный распад ядер.
Каждое из взаимодействий осуществляется при помощи особых элементарных частиц – переносчиков того или иного взаимодействия: фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия, векторные бозоны — переносчики слабого взаимодействия, гравитоны, пока не открытые экспериментально, являются переносчиками гравитационного взаимодействия.
Рис. 1. Стандартная модель элементарных частиц (источник Википедия: Стандартная модель )
Теоретическая модель, объединяющая все четырёх взаимодействиях и накопленные знания об этих переносчиках, называется Стандартной моделью (СМ). СМ на настоящий момент является самой полной и подтвержденной экспериментально моделью строения нашей Вселенной. СМ состоит из семьнадцати (включая недавно открытый Хиггс бозон) элементарных частиц: шести кварков, шести лептонов и пяти бозонов, как представлено на рисунке 1. Однако до сих пор остаётся немало вопросов относительно СМ, в том числе относительно теоретических следствий, вытекающих из неё. Одним из таких направлений является поиск новых частиц, экспериментальное открытие которых приведет к расширению СМ.
Группа ATLAS МИФИ ведет активную работу в этом направлении, осуществляя поиск частиц с зарядами выше элементарного. Такие частицы не предсказываются СМ, но могли бы объяснить природу скрытой массы — гипотетической формы материи, которая не испускает электромагнитное излучение, следовательно, делает невозможным её прямое наблюдение. В предположении о “составной” природе скрытой массы отдельные частицы, “составляющие” её “атомы”, могут наблюдаться экспериментально на коллайдере (ускорителе элементарных частиц), оставляя уникальный след в детекторах частиц.
Не только новые частицы представляют большой интерес для физиков. Исследование свойств уже открытых крупиц материи позволяет дополнять и проверять существующие теоретические модели. Ярким примером таких работ является исследование свойств нейтрино. Даже малейшая разница, например, в массе этой частицы может привести к пересмотру глобальных теорий.
Для таких исследований на ускорителях создаются мощные нейтринные пучки, которые затем направляются на расположенные в сотнях километрах от них детекторы. Эти исследования позволяют изучать нейтринные осцилляции – удивительный эффект превращения нейтрино одного типа в другой. Они также способствуют поискам ответа на вопрос: почему в нашей Вселенной больше вещества, чем антивещества. С другой стороны, на стыке нейтринной физики и физики астрочастиц ведутся поиски нейтрино от астрофизических источников (сверхновые, гамма-всплески, первичные черные дыры и др.). Эти исследования ведут к более глубокому пониманию эволюции звезд и природы катастрофических процессов во Вселенной.
Рис. 2. Мегапроект «Борексино», реализуемый в международной подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия) с участием стран Евросоюза, России и США предусматривает проведение фундаментальных исследований в области нейтринной физики и физики частиц и междисциплинарных исследований для решения актуальных задач астрофизики, атомной отрасли, наук о Земле
Физика нейтрино уже давно выделилась в самостоятельный раздел физики частиц. Достижения в этом сфере способствовали развитию существующих и формированию новых, переживающих сейчас бурный расцвет разделов науки: нейтринная астрофизика и нейтринная геофизика. При помощи нейтрино ведутся невозможные ранее исследования солнечных и земных недр. Изучение нейтрино от широкого спектра природных и искусственных источников является сегодня одним из тех путей, который может позволить нащупать механизмы расширения Стандартной модели физики частиц и прояснить природу целого ряда наблюдаемых, но еще непонятых явлений.
Другим направлением работы группы НИЯУ МИФИ, связанным с подтверждением предсказаний Стандартной модели, является проверка величины сечения рождения переносчиков слабого взаимодействия, т.е. векторных бозонов на эксперименте ATLAS на Большом адронном коллайдере (БАК). Векторных бозона на данный момент известно 3 вида: W–, W+, Z0. Эти частицы имеют очень большие массы: mW 85mp, mZ 96mp, где mp – масса протона. В МИФИ занимаются исследованием более сложного процесса: рождением Z бозона совместно с фотоном в процессе столкновений протонных пучков на БАК. Такое исследование позволяет проводить проверку Стандартной Модели с очень высокой (ранее недостижимой) точностью. Оно позволяет “засечь” запрещённые в СМ взаимодействия как в случае, если они происходят напрямую, так и в случае, если они реализуются посредством новых неизвестных ранее частиц.
Рис. 3. Рождение векторного бозона Z на эксперименте ATLAS
В настоящий момент уже однозначно доказано, что электромагнитные и слабые взаимодействия являются проявлением одного и того же взаимодействия, которое получило название электрослабого (1967 г. С.Вайнберг и А.Салам). Гипотеза состояла в следующем: природа слабого и электромагнитного взаимодействий едина, так как на малых расстояниях слабые взаимодействия сравниваются по силе с электромагнитными, и разница между промежуточными векторными бозонами и фотонами стирается. Иными словами, при энергиях, превышающих несколько сотен гигаэлектронвольт электромагнитное и слабое взаимодействия становятся неразличимыми по интенсивности, они как бы сливаются в одно электрослабое взаимодействие.
Таким образом, вместо четырёх фундаментальных взаимодействиях можно говорить лишь о трёх: гравитационном, сильном и электрослабом. Из этой гипотезы следует, что на малых расстояниях промежуточные векторные бозоны не отличаются по своим свойствам от фотонов, а это значит, что промежуточные векторные бозоны и фотоны это по сути два проявления одной и той же частицы – переносчика электрослабого взаимодействия (иначе сила взаимодействия не может быть одинаковой). Это возможно только тогда, когда выполняется принцип локальной калибровочной инвариантности (симметрии).
Выяснилось, что при изменении масштаба, то есть при уменьшении расстояния, переносчики электрослабого взаимодействия переходят из одного своего проявления – фотонов – в другое проявление – промежуточные векторные бозоны. Однако, данное предположение поставило новый вопрос: каким образом промежуточные векторные бозоны и фотоны могут быть проявлениями одних и тех же частиц, если у фотонов масса равна нулю, а промежуточные векторные бозоны имеют очень большие массы?
Для решения этой проблемы в 1964 году английским физиком Питером Хиггсом был предложен механизм, впоследствии названый механизмом Хиггса. Этот механизм основывается на идее спонтанного нарушения симметрии (Spontaneous symmetry breaking — SSB). Явление SSB обычно определяют следующим образом. Физическая система имеет спонтанно нарушенную симметрию, если взаимодействия, определяющие динамику системы, обладают одной симметрией, а основное состояние — другой. Примером спонтанного нарушения симметрии может служить модель с шариком, покоящимся на вершине полностью симметричной горы. Основное состояние при этом будет обладать осевой симметрией, но данное состояние будет неустойчиво. Если шарик предоставить самому себе, то при сколь угодно малом воздействии он скатится с вершины и система перейдёт в состояние устойчивого равновесия. Таким образом изначально симметричное состояние переходит в несимметричное — происходит спонтанное нарушение симметрии. Когда, в свою очередь, спонтанное нарушение симметрии происходит в калибровочных теориях, это явление называют механизмом Хиггса. В теории электрослабого взаимодействия при спонтанном нарушении симметрии появляются четыре безмассовых намбу-голдстоуновских бозона (следствие так называемой теоремы Голдстоуна), которые никак не проявляются в физическом спектре, но объединяются с безмассовыми калибровочными бозонами, придавая им массу. Таким образом, появляются четыре массивные частицы: W–, W+, Z0-бозоны и бозон Хиггса.
Рис. 4. Рождение Хигсс бозона в столкновении встречных пучков на ускорителе на БАК
Изложенные выше положения составляют единую теорию электрослабого взаимодействия. Именно из неё следовало существование трёх видов промежуточных векторных бозонов W–, W+, Z0, а также предсказаны значения их масс. Экспериментальное открытие промежуточных векторных бозонов в 1983 году подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия.
Основным методом исследования в физике элементарных частиц является метод рассеяния, то есть столкновение различных частиц друг с другом, в результате которого рождаются новые частицы. В последнее время широко применяются коллайдеры – ускорители, в которых сталкиваются два пучка частиц с нулевым суммарным импульсом (частицы из разных пучков имеют равные по модулю, но противоположно направленные импульсы). Говорят, что процесс рассматривается в системе центра инерции сталкивающихся частиц. Рождающиеся в коллайдере новые частицы регистрируются различными детекторами. В эксперименте по поиску векторных бозонов на протонном синхротроне на протонном синхротроне сталкивались протонный и антипротонный пучки, в каждом из которых энергия частицы равна Е. Тогда суммарная энергия столкновения двух частиц равна 2Е. При условии 2Е > Мс2 в этом столкновении может быть рождена частица массой М.
Кварк u из протона и антикварк d из антипротона могут слиться в W+. Аналогично, пары u кварка и его партнера из антимира и d кварка с антипартнером могут дать при слиянии Z0-бозон, пара u анти u кварка – W–-бозон. Родившись, эти частицы быстро распадаются на элекроны, мюоны и нейтрино и их антипартнеров. Позитрон или положительно заряженный мюон с высокой эффективностью могут быть зарегистрированы детекторами, и это будет служить признаком рождения промежуточного векторного бозона. Нейтрино при этом улетают, унося значительную часть энергии. Так экспериментальное открытие векторных промежуточных бозонов подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия.
Рис. 5. Установка эксперимента UA1 на супер протонном синхротроне (SPS CERN), где впервые экспериментально наблюдались векторные бозоны
В настоящий момент самым грандиозным экспериментом в области физики высоких энергий можно по праву считать Большой адронный коллайдер. На пути разгоняемых протонных пучков в точках их столкновений установлены детекторы, регистрирующие разлетающиеся осколки. Одним из таких детекторов является детектор переходного излучения TRT. Этот детектор помогает измерить треки частиц и отделить один тип частиц от другого, а именно электроны от пи-мезонов, что является очень полезной информацией для многих физических анализов. Группа ATLAS МИФИ имеет непосредственное отношение как к разработке этого детектора, так и к поддержанию его в рабочем состоянии в экстремальных условиях внутри ускорителя.
Рис. 6. ATLAS — oдин из четырёх основных экспериментов на коллайдере БАК в Европейской Организации Ядерных Исследований (CERN) в Женеве (Швейцария). Эксперимент проводится на одноимённом детекторе, предназначенном для исследования процессов, происходящих в протон-протонных и ион-ионных столкновениях при сверхвысоких энергиях
Помимо протонов Большой адронный коллайдер позволяет разгонять и сталкивать друг с другом ядра химических элементов. Каждый год столкновениям ядер свинца отводится порядка одного месяца в рамках научной программы коллайдера. Основная цель таких столкновений — это изучение свойств адронной материи при сверхвысоких давлениях и температурах, особый интерес представляет промежуточная фаза таких столкновений — кварк-глюонная материя.
Главное отличие научных задач в рамках ядро-ядерных столкновений от поиска хиггсовского бозона, суперсимметрии и разнообразных новых частиц заключается в том, что при изучении столкновений ядер возникновения новых частиц не ожидается, но с их помощью можно лучше понять как работает сильное взаимодействие.
Динамическое описание сильного взаимодействия — это исключительно важная (в том числе и с практической точки зрения), сложная и многогранная задача современной физики. Сильное взаимодействие обеспечивает существование конфайнмента, благодаря нему протоны и нейтроны в ядрах удерживаются вместе, и при этом не сливаются друг с другом. При этом, даже в вакууме , вдали от протонов и нейтронов, сильное взаимодействие «живет» исключительно нетривиальной жизнью, что значительно усложняет задачу по его изучению. По этому, описание сильного взаимодействия во всех его проявлениях является не менее важной задачей, чем открытие хиггсовского бозона или суперсимметрии.
Время существования кварк-глюонной материи — миллиардные доли секунды, поэтому не возможно напрямую в эксперименте измерять поведение кварк-глюонной материи и ответы на все вопросы приходится получать из косвенных методов при помощи регистрации многочисленных адронов, рожденных в столкновении.
Рис. 7. Событие столкновения ядер свинца на эксперименте ATLAS. В результате рождается множество “осколков” реакции, которые оставляют свои следы в детекторах
Среди многообразия доступных для наблюдения величин есть несколько ключевых, хорошо «зарекомендовавших себя» в предыдущих коллайдерных экспериментах с более низкими энергиями. Физики группы НИЯУ МИФИ в ATLAS занимаются несколькими из них. Глобальными и наиболее просто измеряемыми характеристиками в эксперименте в столкновениях релятивистских тяжелых ядер являются множественность заряженных частиц и распределение заряженных частиц по поперечному импульсу. По их свойствам можно делать важные заключения о новом состоянии ядерного вещества — кварк-глюонной материи (КГМ).
НИЯУ МИФИ имеет также длительный опыт успешного участия в крупном международном мегапроекте ALICE в CERN. Работы проводятся в тесном сотрудничестве с НИЦ «Курчатовский институт» — координатором российского участия в этом мегапроекте. Эксперимент ALICE специально разработан и создан для экспериментов по физике ядро-ядерных столкновений при энергиях Большого адронного коллайдера (БАК) в CERN.
Еще одна важнейшая задача ядерной физики — получение и изучение свойств ядер, находящихся в экстремальном состоянии — экзотических ядер. Примерами являются ядра, имеющие большой угловой момент («бешено» вращающиеся ядра), высокую энергию возбуждения («горячие» ядра), сильно деформированные ядра (также ядра с необычной конфигурацией), ядра с аномальным числом нейтронов или протонов (нейтронно-избыточные или нейтронно-дефицитные ядра и протонно-избыточные или протонно-дефицитные ядра), сверхтяжёлые ядра с числом протонов Z > 110.
Изучение свойств ядерной материи в экстремальных состояниях дает информацию о свойствах микромира и позволяет моделировать различные процессы, происходящие во Вселенной. Поэтому, синтезируя и изучая экзотические состояния ядер, ученые делают важные шаги в понимании не только фундаментальных свойств самого ядра, но и всей Вселенной. Например, внутри звезд и при взрывах сверхновых чрезвычайно высокие температуры и давления приводят к созданию частиц и ядер, которые при обычных условиях не существуют. Количество этих экзотических нестабильных ядер, перемешивающихся в котле Вселенной, находящихся далеко за пределами широкого спектра стабильных изотопов, обычно встречающихся на Земле.
Производство и исследование таких экзотических ядер в современных ускорителях представляет интерес по двум причинам. Во-первых, ученые могут проверить теоретические модели, описывающие свойства ядер не наблюдаемых на Земле в стабильном состоянии. Во-вторых, мы сегодня знаем, что синтез элементов в звездах происходит с участием экзотических ядер. Распад этих ядер происходит через испускание бета-частиц (т.е. высокоскоростных электронов) до появления стабильных ядер, известных на Земле. Таким образом, образование химических элементов (нуклеосинтез) и их распространенность определяется свойствами этих экзотических ядер. Тем самым, исследование экзотических ядер позволяет нам решать важные задачи астрофизики и космологии. Сотрудники НИЯУ МИФИ кафедры элементарных частиц ведут активную исследовательскую работу по поиску экзотических ядер.
Не только предсказания СМ и новые частицы учёные со всего мира надеются разглядеть в сложной мозаике из следов частиц, оставленных в детекторах. Дополнительные пространственные измерения – еще одно направление в физике высоких энергий (ФВЭ), которое занимает умы физиков. Идея о том, что число пространственных измерений в нашем мире может быть больше трех, была выдвинута еще в первой половине XX века в работах Т. Калуцы и О. Клейна. В настоящее время данная идея лежит в основе практически всех попыток объединения четырех физических взаимодействий. Возникает вопрос: почему мы не наблюдаем дополнительных измерений? Один из наиболее популярных ответов на данный вопрос заключается в предположении о компактности (малости) дополнительных измерений: наименьший достижимый масштаб расстояний в современных физических экспериментах составляет порядка 10^(-18) см, и если компактные дополнительные пространства существуют, они должны иметь размер меньше 10^(-18) см.
Помимо чисто теоретических аспектов, широко обсуждаются и возможности экспериментального обнаружения дополнительных пространственных измерений. В частности, предполагается, что в высокоэнергичных столкновениях частиц на Большом адронном коллайдере могут рождаться частицы, которые “чувствуют” дополнительные пространства и могут проникать в них. В таком случае, часть суммарной энергии сталкивающихся частиц может теряться для наблюдателя, измеряющего ее в нашем четырехмерном пространстве-времени. Обнаружение подобного дисбаланса энергий явилось бы косвенным свидетельством многомерности пространства.
Все современные эксперименты в области ФВЭ не могли бы обойтись без не менее сложных вычислительных систем и алгоритмов. ФВЭ подразумевает обработку колоссального объема данных, которая невозможна без использования распределенных вычислительных систем: начиная от всем известной технологии всемирной паутины (World Wide Web), придуманной в ЦЕРН и повлиявшей на весь мир, и заканчивая использованием супер компьютеров и современных облачных систем. Так в грид-системе эксперимента АТЛАС за первые 5 лет работы эксперимента была обработано более 100 Пбайт данных (больше чем архив всего интернета в данный момент). При этом, объем данных постоянно возрастает, что вынуждает постоянно развивать новые технологии, которые впоследствии находят применение во всех областях науки.
В скором времени в статью будет добавлена информация по следующим разделам:
Детекторы элементарных частиц
Что такое g-же в физике?
У резервуарі нагрівача знаходиться 800 г гасу. Скільки води можна нагріти в алюмінієвій каструлі масою 12 кг цією кількістю гасу від 10 до 100 °С, якщ … о на нагрівання витрачається 50% енергії, що виділяється?
Антрацит якої маси потрібно спалити, щоб отримати 600 МДж теплоти
Лабораторная работа Помогите
Лабораторна робота №4 Дослідження електричного кола з послідовним з’єднанням провідників
Як змінюється вертикальна складова швидкості при русі тіла, кинутого горизонтально?
Что такое же в физике
Квадрат полного 4-импульса двух сталкивающихся частиц, имеющий физический смысл квадрата полной энергии в системе их центра масс, играет важную роль в кинематических расчетах и для него принято специальное обозначение s:
s ≡ 2 tot = m 2 proj + m 2 targ +2mtarg·Eproj = (E*proj + E*targ) 2 . | (2.4) |
Здесь раскрыта скобка (Eproj + Etarg, pproj) 2 и учтено, что для свободной частицы E 2 − p 2 = m 2 (буквой m обозначена масса частицы).
Величина s входит в число весьма широко используемых в физике частиц релятивистски инвариантных переменных (называемых переменными Мандельстама).
Если вспомнить определение порога реакции (см. например [25]), то станет ясно, что величина s для гипотетической реакции типа a + b → X c рождением некоторой частицы X определяет максимально возможную массу такой частицы: она не может быть выше √ s . (Как известно, на пороге неупругой реакции типа a + b→ c + d + X все частицы в конечном состоянии покоятся в системе центра масс: вся полная энергия E*tot тратится на массы рожденных частиц).
2.2 Энергетические области: специфика
Даже беглый взгляд на одну из важнейших характеристик взаимодействия частиц (полное сечение рассеяния) взятую в зависимости от энергии сталкивающихся частиц, позволяет заметить, что в области энергий снаряда выше порога неупругости (мишень считаем покоящейся в лабораторной системе отсчета), а именно − от нескольких сотен МэВ до десятка ГэВ, взаимодействия элементарных частиц за счет «ядерных сил» имеют характер, отличный от того, который они имеют при меньших энергиях или при достаточно больших энергиях (где возможно рождение либо большого числа других частиц, либо рождение весьма тяжелых частиц).
2.2.1 Зависимость сечений рассеяния от энергии
Действительно, из данных о полных сечениях рассеяния частиц (рис. 2.1-2.6), взятых либо в зависимости от импульса снаряда в лабораторной системе отсчета (л.с), либо от √ s − полной энергии в системе центра масс (с.ц.м.) видно, что при малых энергиях они плавно и довольно быстро уменьшаются с ее ростом, а при больших − наоборот, плавно растут, хотя и достаточно медленно.
В области промежуточных энергий (импульсы снаряда лежат в интервале 0.2-10 ГэВ/с) поведение полных сечений рассеяния совсем иное: видны хорошо заметные колебания величины сечений, похожие на резонансные кривые, причем величина, форма и число таких колебаний различны для различных пар сталкивающихся частиц. В целом, это напоминает эффект Рамзауэра в атомной физике, наводя на подозрение о сходстве причин этих эффектов. И действительно, довольно глубокое сходство в самом деле есть. Однако эти колебания величины сечений проявляются при разных энергиях снарядов, в зависимости от их типа (барионы, пионы, каоны). Поэтому границы области, где сечения рассеяния нерегулярны, единым образом определить на энергетической шкале трудно. Совсем иная ситуация возникает, если эти же сечения представлять в зависимости от быстроты снаряда, как это сделано в следующем параграфе.
Рис. 2.1. Энергетическая зависимость полных сечений взаимодействия протонов и антипротонов с протонами [29].
Рис. 2.2. Энергетическая зависимость полных сечений взаимодействия протонов и антипротонов с дейтронами и нейтронами [29].
Рис. 2.3. Энергетическая зависимость полных сечений взаимодействия пионов с протонами и дейтронами [29].
Рис. 2.4. Энергетическая зависимость полных сечений взаимодействия отрицательных каонов с протонами, нейтронами и дейтронами [29].
Рис. 2.5. Энергетическая зависимость полных сечений взаимодействия положительных каонов с протонами, нейтронами и дейтронами [29].
Рис. 2.6. Энергетическая зависимость полных сечений взаимодействия гиперонов и фотонов с протонами и дейтронами. Приведены также данные о фотон-фотонных сечениях [29].
2.2.2 Полные сечения в зависимости от быстроты
Рис. 2.7. Зависимость полных сечений от быстроты ξ снаряда (по А.А.Балдину). |
Рассмотрим сечения взаимодействия частиц, представленные на рисунках 2.1-2.5 в зависимости от быстроты снаряда (считая, что мишень находится в покое относительно лабораторной системы отсчета). Полученные результаты показаны на рис. 2.7.
Из этого рисунка видно, что сильная, резонансно-подобная зависимость сечений взаимодействия разных частиц имеет место только при быстроте соответствующих снарядов, лежащей в одном и том же интервале от 1 до 3 единиц независимо от сорта снаряда. При более высоких быстротах сечения меняются плавно и медленно, при быстротах менее 1 − плавно, но довольно быстро. Сходство поведения сечений рассеяния различных частиц здесь видно много лучше, чем на рисунках 2.1-2.6, где они были показаны в зависимости от полной энергии в системе центра масс или импульса снаряда в лабораторной системе.
Другая безразмерная, релятивистски инвариантная переменная, близко связанная с быстротой, была предложена А.М.Балдиным при изучении явления «кумулятивного» рождения частиц. Для пары частиц 1 и 2 он ввел переменную b12 = -( u1 − u2) 2 , где ui − 4-скорость*. Считая частицу 1 снарядом, а частицу 2 мишенью, можно вычислить квадрат разности 4-скоростей снаряда (projectile) и мишени (target). т. е. btp, и увидеть, что в системе покоя мишени γp = 1 + btp/2. Переменную btp можно также связать с быстротой снаряда (см. (1.16)).
2.3 Особенности разных энергетических областей.
Итак, говоря о физике элементарных частиц, можно выделить три характерных области энергий, в которых как предмет, так и экспериментальные и теоретические методы исследования заметно различаются. Именно:
- низкие энергии (ниже порога рождения пионов, как легчайших адронов), где разность быстрот снаряда и мишени заметно меньше 1; это более-менее хорошо определенная граница:
- промежуточные (переходные, или резонансные) энергии: выше порога образования мезонов (пионов, прежде всего), но ниже порога рождения частиц, содержащих тяжелые кварки второго и третьего поколений; эта (верхняя) граница довольно условна, но в терминах быстроты это область тех энергий, где разность быстрот снаряда и мишени лежит в интервале от 1 до (3-4).
- высокие энергии: все, что выше верхней границы переходной области. Здесь разность быстрот снаряда и мишени более (3-4) и может быть заметно выше. (Может быть, в недалеком будущем в этой области появится новый разделительный «маяк», которым может стать, например, порог рождения бозона Хиггса.)
2.3.1 Физика низких энергий.
В этой области физики частиц хорошо определено понятие потенциала взаимодействия, релятивистские эффекты имеют характер поправок, существует множество феноменологических констант но разработаны достаточно точные (в ряде случаев) методы расчетов. Машинные вычисления, необходимые для теоретических расчетов. нередко долгие и сложные.
Экспериментальные установки для измерений в этой области энергий обычно достаточно простые; жизненный цикл экспериментов (идея → установка → измерения → результат) относительно короткий (его характерная длительность исчисляется месяцами). Именно поэтому в этой области многое делается в университетах или исследовательских институтах при университетах.
2.3.2 Физика высоких энергий.
Характерные особенности физики высоких энергий: преобладает феноменологическое или даже качественное описание явлений, число каналов неупругих реакций очень велико, реакции отличаются высокой множественностью частиц в конечном состоянии.
Существует множество теоретических моделей одних и тех же явлений, степень разброса надежности теоретических предсказаний очень велика (от точных до совсем неопределенных). Теория постоянно нуждается в «подсказках» (зачастую качественного характера) от эксперимента для снятия неопределенностей и отбора жизнеспособных моделей. К счастью, уже создана единая схема описания и систематизации наблюдаемых фактов и явлений (электрослабая теория, Стандартная модель). Кварк-партонная картина сильных взаимодействий дает основу для анализа и интерпретации экспериментальных данных. В этой картине при рассмотрении внутренней структуры элементарных частиц вместо их волновой функции используется понятие структурных функций .
Благодаря свойству асимптотической свободы квантовой хромодинамики (КХД), ряд явлений, происходящих при больших переданных импульсах, допускает количественный анализ и интерпретацию наблюдений методами теории возмущений.
Вместе с тем, эксперименты в этой области требуют больших затрат как времени, так и материальных ресурсов и поэтому тоже нуждаются в «подсказках» от теории для выбора перспективных и актуальных направлений исследований. Экспериментальные установки обычно сложные и дорогие, имеют длинный (десяток лет или более) жизненный цикл, создаются и обслуживаются большими коллективами. И экспериментаторы, и теоретики предпочитают получать качественные результаты, особенно − не укладывающиеся в сложившуюся картину.
Характерными чертами исследований в этой области в последние десятилетия является то, что наиболее яркие экспериментальные результаты имеют, как правило, высокую статистическую и систематическую точность, а разработанные для экспериментов в физике высоких энергий методы и устройства довольно быстро находят широкое применение в самых разных областях человеческой деятельности, (причем не только в науке, технике и промышленности).
2.3.3 Физика переходной области энергий.
В переходной области энергий сталкиваются и сосуществуют два основных типа теоретических подходов и два языка:
- Язык потенциалов, представление о потенциальном рассеянии и волновых функциях составных объектов (ядер или элементарных частиц). Такой подход характерен при экстраполяции из области низких энергий в область промежуточных энергий вблизи ее нижней границы. При этом понятие потенциала теряет строгость и «размывается».
- Язык диаграмм Фейнмана, эффективные мезон-нуклонные полевые теории с феноменологическими формфакторами и эмпирическими константами. При экстраполяции из области высоких энергий в переходную область вблизи ее верхней границы структурными элементами при анализе элементарных частиц являются «конституентные» кварки, отличные от «токовых» кварков и глюонов кварк-партонной картины процессов при высоких энергиях.
Такая двойственность обусловлена тем, что при промежуточных (переходных) энергиях нельзя проводить КХД расчеты методами теории возмущений: характерные константы связи в квантовой хромодинамике растут с ростом характерных расстояний. Это свойство КХД называют свойством конфайнмента; оно отражает тот экспериментальный факт, что в свободном состоянии кварки не наблюдаются. Именно причины и механизм конфайнмента в настоящее время являются основными проблемами физики частиц и ядер в переходной области энергий.
Дополнительная трудность при теоретическом анализе явлений в рассматриваемой области энергий связана с тем, что здесь релятивистские эффекты уже существенны, но в кинематических расчетах. даже в приближенных, нельзя пренебрегать массами и (порой) даже энергиями связи частиц в ядерных системах.
Эксперименты в переходной области не так сложны и длительны, как в области высоких энергий, но все же требуют заметно больших затрат как времени, так и материальных ресурсов, чем при низких энергиях и поэтому тоже нуждаются в «подсказках» от теории для выбора перспективных и актуальных направлений исследований. Соответствующие экспериментальные установки умеренно сложные и дорогие, но их жизненный цикл все же измеряется годами (а не десятками лет). Слишком большие коллективы специалистов для создания и обслуживания этих установок не требуются.
2.4 Предмет современной физики промежуточных энергий.
В последние 2-3 десятилетия происходила постепенная смена тематики исследований в области физики промежуточных энергий, в результате чего сменился ее предмет. Вместо «охоты за резонансами», актуальной в 60-70-е годы, когда основная масса экспериментальных и теоретических работ была посвящена взаимодействиям элементарных частиц (нуклонов с нуклонами, мезонов с нуклонами), внимание физиков переместилось на проблемы взаимодействия частиц с ядрами и проблемы проявления кварковых степеней свободы в ядрах. Произошло сближение тем, считавшихся «чистой физикой элементарных частиц» и «чистой ядерной физикой»; ядерная физика «вошла» в область промежуточных энергий и стало возможным говорить о ядерной физике промежуточных энергий или релятивистской ядерной физике (правда, последний термин после ускорения ядер в ЦЕРН и запуска коллайдера RHIC в Брукхейвене включает в себя и ядерную физику высоких энергий).
Проблематика ядерной физики промежуточных энергий сформировалась как при движении из области низких энергий к более высоким при решении проблем традиционной ядерной физики, так и при движении от физики взаимодействия элементарных частиц друг с другом к рассмотрению их взаимодействия с ядрами. Большую роль здесь сыграл успех теории Глаубера-Ситенко в описании взаимодействия частиц с ядрами.
Основные направления (предмет) современных исследований по физике промежуточных энергий можно представить следующим образом (двигаясь от проблем традиционной ядерной физики к проблемам физики частиц в узком смысле).
- Структура ядер и ядерная материя (нуклонная):
- Распределение вещества в ядрах (протонов, нейтронов); распределение электрического заряда; распределение электрических токов.
- Механизмы возбуждения ядерных уровней. Функции отклика на разные типы возбуждений разными пробниками (селективное возбуждение ядерных уровней).
- Свойства ядерной материи при высоких плотностях вещества, высоких температурах и т. д. Создание условий для образования и исследования свойств барионной (не обязательно нуклонной) материи (обогащенной мезонами и ад-ронными резонансами в том числе). Уравнение состояния барионной материи, ее фазы и фазовые переходы.
2.4.1 Зачем ускорять ядра?
Ответ на этот вопрос неоднозначен. Он зависит от того, из какой области энергий начинается движение в переходную область. Если входить в нее из области высоких энергий, то можно сказать, что ускорение ядер дает возможность поставить и решать такие вопросы, которые ранее вообще не рассматривались. Некоторые из них обсуждаются в разделе 2.4.2.
Если же искать ответ на этот вопрос, отталкиваясь от проблематики, характерной для области низких энергий и проблем традиционной ядерной физики, т. е. двигаясь из области низких энергий, то этом случае бросаются в глаза новые инструментальные возможности, которые ускорение ядер дает для решения традиционных проблем. Эти возможности возникают благодаря следующим обстоятельствам.
Во-первых, благодаря релятивистскому эффекту «растяжения» времени, процессы внутреннего движения конституентов в ядрах и распада релятивистских нестабильных ядер (в частности, гипер-ядер), наблюдаемые из лабораторной системы отсчета, «замедляются». В частности, за время жизни нестабильного ядра τ0 в собственной системе отсчета, в установке оно пролетает путь порядка γβсτ0, вполне макроскопический и достаточно легко измеряемый. Иными словами, время жизни конвертируется в пройденный путь. В сущности, этот же эффект лежит как в основе кварк-партонной картины взаимодействия частиц, так и в основе фрагментационного метода изучения структуры легких ядер, краткое обсуждение которого будет дано позже.
Во-вторых, те частицы, которые появились при взаимодействии релятивистского ядра A с мишенью b и были «медленными» в системе покоя этого ядра, оказываются вполне релятивистскими в лабораторной системе, что в ряде случаев существенно облегчает их экспериментальное наблюдение. Иными словами, некоторые каналы реакций типа b + A гораздо удобнее изучать в т. н. «инверсной» кинематике, когда снарядом является ядро A, чем в «прямой», когда снарядом является частица b. Это бывает особенно важно при изучении класса явлений, запрещенных законами сохранения энергии-импульса для столкновений частица + (свободный нуклон), то есть для т. н. подпороговых реакций или кумулятивных реакций.
Итак, ускорение ядер открывает новые методические возможности в следующих направлениях:- исследования структуры ядер (легчайших в первую очередь) и проявлений ненуклонных степеней свободы ядер (здесь эксплуатируется релятивистское ”растяжение” времени);
- свойства гипер-ядер (конверсия «время жизни → пройденный путь»);
- исследование кумулятивных и подпороговых явлений;
- поиск эффектов многонуклонных (трехчастичных) сил в атомных ядрах.
Кроме того, пучки ускоренных тяжелых ионов необходимы для решения таких задач, как
- получение нейтронных пучков и пучков «экзотических» ядер (в первую очередь − вблизи границ области стабильности) а также ядер с протонным или нейтронным гало для исследования их свойств;
- прикладные исследования (радиационная стойкость микроэлектроники, радиобиология, астрофизические приложения).
Наконец, ряд традиционных задач физики частиц в переходной области либо вообще невозможны без использования пучков легких ядер, либо при выполнении измерений в «инверсной» кинематике легче поддаются экспериментальному решению. К ним относятся. например.
- изучение механизмов рождения и свойств адронных резонансов (∆, Роперовский резонанс, мезонные резонансы) при вариации квантовых чисел начальных состояний (это было реализовано при изучении реакций типа ( 3 He,t), (d,d’), (α, α’)):
- изучение свойств элементарных частиц и адронных резонансов в ядерной среде. Здесь особенно полезна «инверсная» кинематика, что довольно очевидно: ведь для наблюдения сигнала о влиянии среды на свойства появившихся в ней частиц необходимо создать условия, при которых эти частицы достаточно долго пребывают в ядерном окружении, т.е. движутся достаточно «медленно» относительно среды.
2.4.2 Физика релятивистских тяжелых ионов.
Изучение сильно взаимодействующей адронной (КХД) материи становится главным предметом исследования в физике тяжелых ионов высоких энергий, что отражается в общей тенденции последних десятилетий к унификации программ исследований в физике частиц и в ядерной физике.
Прежде всего, это подразумевает понимание диаграмм состояний (фазовых диаграмм) ядерной материи и установления границ, разделяющих разные фазы (т. е. границ, где происходят фазовые переходы − если они вообще происходят, что пока не установлено).
Согласно современным теоретическим представлениям, ожидается, что существуют следующие различные фазы сильно взаимодействующего КХД вещества: адронное вещество, плотное барионное вещество, кварк-глюонная плазма. Возможно, есть и другие фазы.
При низких энергиях исследуется обычная ядерная материя при нормальной (или низкой) плотностях и ее уравнение состояния.
Намного меньше исследована область больших плотностей и/или высоких температур. Именно эта область может быть прощупана с помощью тяжелых ионов высоких энергий. Особо интригующей темой сегодня является вопрос о том, существует ли критическая точка на диаграмме состояний сильно взаимодействующей адронной (КХД) материи (см. рис. 2.8), одна ли она, есть ли нечто вроде тройной точки на фазовой диаграмме.
Эволюция барионной (адронной) материи может заканчиваться на стадии появления «ароматизированного» барионного вещества, обогащенного гиперонами и странными мезонами. Здесь стоит отметить, что стабилизирующая роль странности в ядерной материи сегодня является одной из наиболее интересных и не слишком исследованных тем; яркий пример дают нейтроноизбыточные легчайшие гипер-ядра.
Главный, доступный ныне метод экспериментального изучения сильно взаимодействующей КХД материи — ее образование в процессах неупругого рассеяния ядер. Можно выделить три характерные стадии развития таких процессов во времени (см. рис. 2.10):- образование сильно взаимодействующей адронной (КХД) материи,
- ее эволюция (например, от горячего и плотного состояния к разреженному и холодному, где уже могут появиться адроны),
- адронизация кварков и конденсация КХД материи в адронную и/или ядерную материю.
Рис. 2.8. Эволюция представлений о фазовой диаграмме для сильно взаимодействующей КХД материи. Врезка слева вверху − представление теоретиками фазовой диаграммы в 2004 году; врезка справа вверху − та же диаграмма в конце 2005 года; основной рисунок − один из вариантов ожидаемой фазовой диаграммы в середине 2005 года. Абсцисса: чистая бари-онная плотность, ордината: температура системы (МэВ).
Рис. 2.9. Эволюция представлений о фазовой диаграмме для сильно взаимодействующей КХД материи: результаты расчетов на решетках для фазовой диаграммы (осень 2009 г.). Абсцисса: чистая барионная плотность в относительных единицах, ордината: температура системы в МэВ.
При смене стадий возможны различные фазовые переходы. Так например, многие теоретические модели, включая вычисления на решетке, указывают, что в области энергий (в системе центра масс, в расчете на нуклон) √ s NN = 4÷9 ГэВ для столкновений, например, Au-Au или U-U, может находиться критическая точка.
Общей для всех этих стадий особенностью является то, что при теоретическом рассмотрении каждой из них с неизбежностью приходится иметь дело с проблемами непертурбативного характера. В разных типах реакций приходится иметь дело с разными аспектами этих трех стадий.Например, в любом неупругом рассеянии, рождение частиц происходит в различном окружении. В столкновениях «частица-частица» образование новых частиц происходит в области, погруженной в физический вакуум, тогда как в ядро-ядерных столкновениях оно происходит в областях, погруженных в сильно взаимодействующую КХД среду (где, кстати, некоторые спонтанно нарушенные симметрии могут оказаться восстановленными). Поэтому изменение свойств частиц в сильно взаимодействующей среде становится в настоящее время «горячей» темой: в холодной и горячей, плотной и разреженной материи могут быть разными как структурные функции частиц, так и спектры частиц и/или ширины резонансов; адронизация кварков (рассматриваемая в терминах функций фрагментации) на конечной стадии эволюции КХД вещества также происходит в различном окружении, и т. д. и т. п.
Рис. 2.10. Возможный сценарий эволюции сильно взаимодействующей КХД материи при столкновении релятивистских тяжелых ионов. За начало отсчета времени (произвольно) принят момент, когда линия, соединяющая центры масс сталкивающихся ядер перпендикулярна линии, на которой лежит импульс одного из ядер; начало отсчета пространственных координат совпадает с координатами точки наибольшего сближения сталкивающихся ядер (для симметричного столкновения (одинаковые ядра) она совпадает с координатами центра масс системы двух ядер).
Важная особенность, присущая именно столкновениям релятивистских тяжелых ионов связана с тем, что из-за высокого электрического заряда ядер процессы взаимодействия на кварковом уровне разыгрываются в присутствии сильнейших электромагнитных полей. Теоретические оценки показывают, например, что при столкновениях релятивистских тяжелых ионов могут появляться сильнейшие магнитные поля (рис. 2.11), на несколько порядков превосходящие магнитные поля астрофизических объектов.
Поэтому вполне возможно, что к перечисленным выше стадиям развития во времени процессов неупругого взаимодействия ядер следует добавить стадию «предварительной подготовки» ядерной материи к собственно сильному взаимодействию (рис. 2.10), на которой протонная и нейтронная составляющие каждого из ядер, участвующих в столкновении, разделяются (из-за кулоновского расталкивания) и поляризуются (из-за появления сверхсильных магнитных полей и разного знака магнитных моментов нейтронов и протонов). Какие эффекты могут возникать при этом на начальной стадии образования сильно взаимодействующей КХД материи, равно как и при ее эволюции в присутствии сверхсильных электромагнитных полей, пока неясно. Более того, далеко не очевидно, что здесь применимы традиционные пертурбативные подходы к рассмотрению электромагнитных взаимодействий (см. в этой связи книгу [21]).Рис. 2.11. Характерные напряженности магнитного поля в природных объектах.
Рис. 2.12. Инструменты для релятивистской ядерной физики (или физики релятивистских тяжелых ионов): от Синхрофазотрона ОИЯИ до LHC (ЦЕРН), НИКА (ОИЯИ), FAIR (GSI).
Т. о. главные темы исследований в области тяжелых ионов высоких энергий в настоящее время представляются следующими:
- исследование свойств адронов в ядерной и плотной барионной (адронной) среде.
- определение уравнения состояния адронной материи.
- поиск фазовых переходов и возможной КХД-критической точки (или точек).
- свойства ядерной (адронной) материи при высоких плотностях вещества и энергии.
- поиск возможных сигналов деконфайнмента и/или восстановления киральной симметрии.
- исследование электродинамических явлений в сверхсильных электромагнитных полях, возникающих при столкновениях тяжелых ядер.
Можно с уверенностью утверждать, что экспериментальное изучение в ядро-ядерных столкновениях горячей и плотной, сильно взаимодействующей материи с поиском сигналов о смешанной фазе и критической точке (или точках) будет в ближайшие десятилетия главным стратегическим направлением в физике тяжелых ионов высоких энергий и физике элементарных частиц.
Это направление естественным образом выросло из исследований, начатых в ОИЯИ еще на Синхрофазотроне (рис. 2.12) и продолжающихся в других центрах.Что такое ж в физике?
срочно.У резервуарі нагрівача знаходиться 800 г гасу. Скільки води можна нагріти в алюмінієвій каструлі масою 12 кг цією кількістю гасу від 10 до 100 °С, якщ … о на нагрівання витрачається 50% енергії, що виділяється?
Антрацит якої маси потрібно спалити, щоб отримати 600 МДж теплоти
Лабораторная работа Помогите
Лабораторна робота №4 Дослідження електричного кола з послідовним з’єднанням провідників
Як змінюється вертикальна складова швидкості при русі тіла, кинутого горизонтально?