Глубоко неупругое рассеяние
В физике элементарных частиц глубоконеупругое рассеяние — это название процесса, используемого для исследования внутренностей адронов (особенно барионов , таких как протоны и нейтроны ) с использованием электронов , мюонов и нейтрино . [1] [2] Впервые это было предпринято в 1960-х и 1970-х годах и предоставило первые убедительные доказательства реальности кварков , которые до этого момента многие считали чисто математическим явлением. Это расширение резерфордовского рассеяния на гораздо более высокие энергии рассеивающей частицы и, следовательно, на гораздо более точное разрешение компонентов ядер .
Генри Уэй Кендалл , Джером Исаак Фридман и Ричард Э. Тейлор были совместно лауреатами Нобелевской премии 1990 года «за новаторские исследования глубоко неупругого рассеяния электронов на протонах и связанных нейтронах, которые имели существенное значение для развития кварков». модель в физике элементарных частиц». [3]
Описание [ править ]
Чтобы объяснить каждую часть терминологии, « рассеяние » относится к отклонению лептонов (электронов, мюонов и т. д.) от адронов. Измерение углов отклонения дает информацию о характере процесса. « Неэластичный » означает, что цель поглощает некоторую кинетическую энергию. Фактически, при очень высоких энергиях используемых лептонов мишень «разбивается» и испускает множество новых частиц. Эти частицы являются адронами, и, если сильно упростить, этот процесс интерпретируется как составляющий кварк мишени, который «выбивается» из целевого адрона, и из-за удержания кварков кварки фактически не наблюдаются, а вместо этого производят наблюдаемые частицы путем адронизация . «Глубокий» относится к высокой энергии лептона, что дает ему очень короткую длину волны и, следовательно, способность исследовать расстояния, малые по сравнению с размером целевого адрона, поэтому он может исследовать «глубоко внутри» адрона. Также обратите внимание, что в пертурбативном приближении именно виртуальный фотон высокой энергии , испускаемый лептоном и поглощаемый целевым адроном, передает энергию одному из составляющих его кварков, как на соседней диаграмме.
Пов и Розина отметили, что термин «глубоконеупругое рассеяние на нуклонах» был придуман, когда кварковая субструктура нуклонов была неизвестна. Они предпочитают термин « квазиупругое лептон-кварковое рассеяние».
История [ править ]
Стандартная модель физики, в частности работа Мюррея Гелл-Манна в 1960-х годах, успешно объединила многие из ранее разрозненных концепций физики элементарных частиц в одну, относительно простую схему. По сути, существовало три типа частиц:
- Лептоны — частицы малой массы, такие как электроны, нейтрино и их античастицы . Они имеют целый электрический заряд .
- Калибровочные бозоны — частицы, обменивающиеся силами. Они варьировались от безмассового, легко обнаруживаемого фотона (носителя электромагнитного взаимодействия) до экзотических (хотя и безмассовых) глюонов , несущих сильное ядерное взаимодействие.
- Кварки — массивные частицы, несущие дробные электрические заряды. Они являются «строительными блоками» адронов. Они также являются единственными частицами, на которых влияет сильное взаимодействие .
Лептоны были обнаружены с 1897 года, когда Дж. Дж. Томсон показал, что электрический ток представляет собой поток электронов. Некоторые бозоны обнаруживались регулярно, хотя W + , В − и З 0 частицы электрослабого взаимодействия были категорически замечены только в начале 1980-х годов, а глюоны были твердо зафиксированы только в DESY в Гамбурге примерно в то же время. Однако кварки все еще были неуловимы.
На основе новаторских экспериментов Резерфорда в первые годы 20 века были сформулированы идеи обнаружения кварков. Резерфорд доказал, что атомы имеют маленькое массивное заряженное ядро в центре, стреляя альфа-частицами в атомы золота. Большинство из них прошли с небольшим отклонением или вообще без него, но некоторые были отклонены на большие углы или вернулись обратно. Это предполагало, что атомы имеют внутреннюю структуру и много пустого пространства.
Чтобы исследовать внутреннюю часть барионов, необходимо было использовать небольшую, проникающую и легко производимую частицу. Электроны идеально подходили для этой роли, поскольку их много и они легко ускоряются до высоких энергий благодаря своему электрическому заряду. В 1968 году в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) электроны стреляли по протонам и нейтронам в атомных ядрах. [4] [5] [6] Более поздние эксперименты [2] проводились с мюонами и нейтрино , но применяются те же принципы. [1] [7]
Столкновение поглощает некоторую кинетическую энергию и поэтому является неупругим . Это отличие от резерфордовского рассеяния, которое является упругим : без потери кинетической энергии. Электрон выходит из ядра, и его траекторию и скорость можно определить. Анализ результатов привел к выводу, что адроны действительно имеют внутреннюю структуру. Эксперименты были важны, потому что они не только подтвердили физическую реальность кварков, но и еще раз доказали, что Стандартная модель была правильным направлением исследований для физиков элементарных частиц.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Девениш, Робин ; Купер-Саркар, Аманда (2003). Глубоконеупругое рассеяние . doi : 10.1093/acprof:oso/9780198506713.001.0001 . ISBN 9780198506713 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Фельтесс, Жоэль (март 2012 г.). Введение в глубоконеупругое рассеяние: прошлое и настоящее . XX Международный семинар по глубоконеупругому рассеянию и связанным с ним проблемам. Боннский университет. doi : 10.3204/DESY-PROC-2012-02/6 .
- ^ «Упоминание Нобелевской премии» . Нобелевская премия.org . Проверено 8 января 2011 г.
- ^ ЭД Блум; и др. (1969). «Высокоэнергетическое неупругое е - р- рассеяние на 6° и 10°» . Письма о физических отзывах . 23 (16): 930–934. Бибкод : 1969PhRvL..23..930B . дои : 10.1103/PhysRevLett.23.930 .
- ^ М. Брайденбах ; и др. (1969). «Наблюдаемое поведение высоконеупругого электрон-протонного рассеяния» (PDF) . Письма о физических отзывах . 23 (16): 935–939. Бибкод : 1969PhRvL..23..935B . дои : 10.1103/PhysRevLett.23.935 . ОСТИ 1444731 . S2CID 2575595 .
- ^ Дж. И. Фридман . «Путь к Нобелевской премии» . Университет Хюэ . Архивировано из оригинала 25 декабря 2008 г. Проверено 25 февраля 2012 г.
- ^ Яффе, Р.Л. (1985). «Глубоконеупругое рассеяние применительно к ядерным мишеням». arXiv : 2212.05616 [ hep-ph ].
Дальнейшее чтение [ править ]
- Амслер, Клод (2014). «Глубоконеупругое электрон-протонное рассеяние». Ядерная физика и физика элементарных частиц . дои : 10.1088/978-0-7503-1140-3ch18 . ISBN 978-0-7503-1140-3 .
- Повх, Богдан; Розина, Митя (2017). «2.1 Электрон-кварковое рассеяние, 2.4 Нейтрино-кварковое рассеяние». Рассеяние и структуры: основы и аналогии в квантовой физике . ISBN 978-3-66254513-3 .