Частицы и взаимодействия. Ускорители частиц. Элементарные частицы. Экспериментальное исследование структуры частиц. (Лекция 9)

Июль 26, 2022

Главная
Физика
Частицы и взаимодействия. Ускорители частиц. Элементарные частицы. Экспериментальное исследование структуры частиц. (Лекция 9)

Содержание

2. Лекция 9 Частицы и взаимодействия. Ускорители частиц. Элементарные частицы. 4. Экспериментальное исследование структуры частиц. 5. Типы,
3. Введение Элементарные частицы – это мир объектов ~ 1 Фм. В настоящее время установлено существование кварков
4. 2. Ускорители. Изменение энергии частиц осуществляется в ускорителях на встречных пучках (коллайде-рах). Это позволяет исключить потери
6. Заадача 1. Получим формулу , связывающую Та и Та‘ в эквивалентных ускорителях, исходя из понятия минимального
7. Задача 2. Далее, найдем максимальную массу частицы (М), которую можно получить на ускорителе на встречных пучках,
9. В ускорителях, заряженные частицы движутся по кольцу, проходя промежутки с ускоряющим переменным полем. Частицы увеличивают свою
10. 3. Элементарные частицы.
12. Их можно рассматривать как возбужденные состояния стабильных или квазистабильных частиц. Резонансы распадаются за счет сильных взаимодействий
13. Квазистабильные частицы распадаются медленно,.Трасп>10 -20c , вследствие элек-тромагнитных или слабых взаимодей-ствий. Большинство (~450) известных частиц (адроны)
15. 4. Экспериментальное исследование структуры частиц. Для изучения формы, размеров, распределе-ния электрического заряда и магнитного момента частиц
16. В 1951г. Ферми обнаружил возбужденное состояние протона в реакции:
17. γ + p→p*
18. Таким образом, в первом возбужденном состоянии происходит переворот спина кварка относительно исходного состояния. Энергия этого переворота
19. 5. Типы, радиусы и константы взаимодействий частиц. В физике фундаментальных взаимодей-ствий наиболее существенны сильные, электромагнитные и
20. Нобелевские премии: В 1965 г. Фейман, Швингер, Томонага разрабо-тали вариант этой теории для описания элек-тромагнитных взаимодействий
21. 1965 г. – Фейман, Швингер, Томонага – КЭД. 1979г. Глэшоу, Салам, Вайнберг -ЭСМ ( КЭД) ЭСМ
22. ЭСМ и КХД совместно описывают сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие кварков и лептонов и образуют схему,
23. Удобной иллюстрацией процессов в мире частиц являются диаграммы Фейнмана, которые позволяют оценить вероятности этих процессов взаимодействия.
24. 6. Диаграммы Фейнмана для Е-H взаимодействий. Рис. 3 Рассеяние электронов
25. На рис. 3 представлена типичная диаграмма в осях (x,t). Внешним незамкнутым линиям отвечают волновые функции реальных
26. Согласно квантовой теории поля взаимо-действие между частицами осуществляется путем обмена некоторой третьей частицей, которая является квантом
27. В т. B виртуальный γ-квант поглощается и баланс по энергии восстанавливается.
28. С помощью таких диаграмм можно рассчи-тать амплитуду вероятности, А~α½, выделен-ного процесса и, просуммировав эти ампли-туды для
29. 2. Степенью нарушения соотношения при рождении виртуальной частицы: 3. Полной энергией процесса; чем выше энергия, тем
30. Пример: Рассеяние фотона на электроне - эффект Комптона.
31. Рис.8.4 Рассеяние фотона на электроне - эффект Комптона.
32. Здесь возможны две двухузловые диаграм-мы. В обоих случаях виртуальной частицей является электрон, однако в первом случае
34. рис. 5 Рассеяние электрона на ядре с зарядом Ze
35. Увеличение числа узлов на диаграмме на два, уменьшает вероятность процесса в 104 раз. Следовательно, в электромагнитных
36. Рис.8.6 Диаграммы для е-е рассеяния.
37. Для слабых взаимодействий подход аналоги-чен. В сильных взаимодействиях необходимо учитывать множество диаграмм, что осложняет расчеты. В
38. 7. Кванты других полей.
40. Скачать презентацию

Слайд 2

Лекция 9
Частицы и взаимодействия.
Ускорители частиц.
Элементарные частицы.
4. Экспериментальное

исследование
структуры частиц.
5. Типы, радиусы и константы взаимодей-
ствий частиц.
6. Диаграммы Фейнмана для электромаг-
нитных взаимодействий.
7. Кванты других полей.

Слайд 3

Введение
Элементарные частицы – это мир объектов
~ 1 Фм.
В

настоящее время установлено существование кварков и лептонов, размеры которых ~ 10-3 Фм. и считается, что все сильно взаимодействующие частицы состоят из кварков. Исследование малых областей пространства требует концентрации энергии, поскольку лишь при λ < RЯ возможно проникновение во внутрь ядра:

Слайд 4

2. Ускорители.
Изменение энергии частиц осуществляется в ускорителях на встречных пучках (коллайде-рах).

Это позволяет исключить потери энергии на движение центра масс, что происходит в линейных ускорителях. Оба типа ускорителей эквивалентны, если mа =mb =m и одинакова энергия, вкладываемая в полезную часть реакции.

Слайд 5

Слайд 6

Заадача 1. Получим формулу , связывающую Та и Та‘ в эквивалентных

ускорителях, исходя из понятия минимального порога реакции:

Слайд 7

Задача 2. Далее, найдем максимальную массу частицы (М), которую можно получить

на ускорителе на встречных пучках, если:
Та ≠ Тb. Запишем закон сохранения энергии и импульса:

Слайд 8

Слайд 9

В ускорителях, заряженные частицы движутся по кольцу, проходя промежутки с ускоряющим

переменным полем. Частицы увеличивают свою энергию и удерживаются на орбите нарастающим магнитным полем. По достижению Hmax , частицы направляют-ся на неподвижную мишень или во встреч-ный поток частиц.

Слайд 10

3. Элементарные частицы.

Слайд 11

Слайд 12

Их можно рассматривать как возбужденные состояния стабильных или квазистабильных частиц. Резонансы

распадаются за счет сильных взаимодействий и время
Трасп = 10 -22 -10 -24 с.

Слайд 13

Квазистабильные частицы распадаются медленно,.Трасп>10 -20c , вследствие элек-тромагнитных или слабых взаимодей-ствий.

Большинство (~450) известных частиц (адроны) состоят из двух кварков (мезоны) или трех кварков (барионы):
адроны↔ мезоны и барионы.

Слайд 14

Слайд 15

4. Экспериментальное исследование структуры частиц.
Для изучения формы, размеров, распределе-ния электрического заряда

и магнитного момента частиц используют метод упругого рассеяния электронов. Сечение упругого рассеяния электрона на протоне:

Слайд 16

В 1951г. Ферми обнаружил возбужденное состояние протона в реакции:

Слайд 17

γ + p→p*

Слайд 18

Таким образом, в первом возбужденном состоянии происходит переворот спина кварка относительно

исходного состояния. Энергия этого переворота около 300МэВ.

Слайд 19

5. Типы, радиусы и константы взаимодействий частиц.
В физике фундаментальных взаимодей-ствий наиболее

существенны сильные, электромагнитные и слабые взаимодей-ствия. При экстремально больших массах
(>1019 ГэВ) необходимо учитывать грави-тационные силы. Для описания процессов в мире частиц служит релятивистская кван-товая теория или квантовая теория поля.

Слайд 20

Нобелевские премии:
В 1965 г. Фейман, Швингер, Томонага разрабо-тали вариант этой теории

для описания элек-тромагнитных взаимодействий – квантовую электродинамику (КЭД). В 1979 г. Глэшоу, Салам, Вайнберг создали теорию взаимодей-ствия кварков и лептонов, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействие – электрослабая модель (ЭСМ), которая включа-ет КЭД. Для описания сильных взаимодействий разработана квантовая хромодинамика (КХД).

Слайд 21

1965 г. – Фейман, Швингер, Томонага – КЭД.
1979г. Глэшоу, Салам, Вайнберг

-ЭСМ ( КЭД)

ЭСМ и КХД совместно описывают сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие кварков и лептонов и образуют схему, называемую
стандартной моделью.

Слайд 22

ЭСМ и КХД совместно описывают сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие кварков

и лептонов и образуют схему, назы-ваемую стандартной моделью.

Слайд 23

Удобной иллюстрацией процессов в мире частиц являются диаграммы Фейнмана, которые позволяют

оценить вероятности этих процессов взаимодействия. С помощью этих диаграмм можно записать амплитуду вероятности взаимодействия частиц (А) и, просуммировав амплитуды для всех возможных диаграмм процесса, получить эффективное сечение dσ/dΩ.

Слайд 24

6. Диаграммы Фейнмана для Е-H
взаимодействий.
Рис. 3 Рассеяние электронов

Слайд 25

На рис. 3 представлена типичная диаграмма в осях (x,t). Внешним незамкнутым

линиям отвечают волновые функции реальных частиц до и после взаимодействия.
Внутренним линиям отвечают виртуальные частицы, распространяющиеся от точки испускания до точки поглощения. Функция распространения в этом случае называется пропагатором.
В каждом узле выполняются все законы сохране-ния, присущие данному взаимодействию.

Слайд 26

Согласно квантовой теории поля взаимо-действие между частицами осуществляется путем обмена некоторой

третьей частицей, которая является квантом поля или пере-носчиком взаимодействия. Например, для электрона взаимодействие осуществляется путем обмена фотоном.
В т.А –узел, вершина диаграммы, испуска-ется γ-квант и электрон испытывает отдачу. При этом нарушается закон сохранения полной энергии, поэтому испускаемый фотон является виртуальным и существует в течение времени

Слайд 27

В т. B виртуальный γ-квант поглощается и баланс по энергии восстанавливается.

Слайд 28

С помощью таких диаграмм можно рассчи-тать амплитуду вероятности, А~α½, выделен-ного процесса

и, просуммировав эти ампли-туды для всех возможных диаграмм, рассчитать эффективное сечение процесса А2. Вероятность процесса взаимодействия зависит от трех факторов:
1. Значения константы α для процесса.

Слайд 29

2. Степенью нарушения соотношения при рождении виртуальной частицы:
3. Полной энергией процесса;

чем выше
энергия, тем выше вероятность.

Если узел диаграммы состоит из трех линий, то амплитуда вероятности А процесса:

Слайд 30

Пример: Рассеяние фотона на электроне - эффект Комптона.

Слайд 31

Рис.8.4 Рассеяние фотона на электроне -
эффект Комптона.

Слайд 32

Здесь возможны две двухузловые диаграм-мы. В обоих случаях виртуальной частицей является

электрон, однако в первом случае происходит поглощение фотона, а во втором –сначала испускание и затем поглощение. Поэтому амплитуда вероятности Комптон-эффекта есть сумма амплитуд соответству-ющих диаграмм:

Слайд 33

Слайд 34

рис. 5 Рассеяние электрона на ядре с
зарядом Ze

Слайд 35

Увеличение числа узлов на диаграмме на два, уменьшает вероятность процесса в

104 раз. Следовательно, в электромагнитных процессах можно обойтись двухузловыми диаграммами.
Пример: Диаграммы для е-е рассеяния.

Слайд 36

Рис.8.6 Диаграммы для е-е рассеяния.

Слайд 37

Для слабых взаимодействий подход аналоги-чен. В сильных взаимодействиях необходимо учитывать множество

диаграмм, что осложняет расчеты.
В заключение отметим, что каждому взаимо-действию присущ свой заряд: сильный, элек-трический, слабый, гравитационный, соответ-ственно:

Слайд 38