Физика ядра и элементарные частицы Булеков О В

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Физика ядра и элементарные частицы Булеков О. В.

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Тема 1. Экзотические атомы. 1 неделя. Необычные атомы, ядра, адроны. Мюонные, пионные, каонные атомы. Позитроний, мюоний, двухпионные атомы, кварковые атомы, чармоний. Гиперядра, кластеры в ядрах, флуктоны, дибарионы, кварк-глюонная среда. Постановка эксперимента по исследованию необычных (экзотических) атомов. 2 неделя. Определение характеристик элементарных частиц с помощью экзотических атомов. Мюонные атомы. Волновые функции водородоподобных атомов. Поправки к уровням энергии мюонных атомов. Измерение размеров атомных ядер и размеров протона. Мюоний. Мюонный катализ термоядерного синтеза. 3 неделя. Измерение размера пиона. Пионные атомы. Сдвиг и уширение уровней пионных атомов из-за сильного взаимодействия. Прецизионное измерение масс заряженных пионов и заряженных каонов. Эксперименты по изучению атомов, состоящих из двух заряженных пионов (эксперимент “ДИмезонный Релятивистский Атомный Комплекс” в CERN).

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Тема 2. Поглощение мюонов, пионов, каонов ядрами. 4 неделя. Поглощение мюонов ядрами, Z – зависимость вероятности поглощения мюонов ядрами. Постановка эксперимента по поглощению пионов ядрами. Экспериментальное доказательство двухнуклонного поглощения пионов ядрами. Поглощение пиона ядром дейтерия. Измерение чётности пиона. Определение квантовых состояний пар нуклонов, образующихся при поглощении пионов ядрами. Парные корреляции нуклонов в ядрах. Поиск сверхтяжелых изотопов водорода и других нейтроноизбыточных ядерных состояний. Поиск многонейтронных состояний. 5 неделя. Поглощение каонов ядрами. Гиперядра. Двойные гиперядра. Параметры гиперон-гиперонного рассеяния. Реакции двойной перезарядки пионов и каонов на ядрах. Возможные механизмы. Изобарная модель механизма двойной перезарядки. Реакции типа двойной перезарядки. Двойная перезарядка с изменением странности. Использование реакции двойной перезарядки каонов для изучения параметров гиперон-гиперонного рассеяния.

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Тема 3. Глубоконеупругие ядерные реакции. 6 неделя. Особенности кинематики соударений элементарных частиц и ядер с ядрами при высоких энергиях. Множественные процессы. Рождение частиц на свободных нуклонах и на ядрах. Влияние ядерной среды. Кинематические переменные. Инклюзивные реакции. Инвариантное инклюзивное сечение. Масса адронной струи. 7 неделя. Глубоконеупругое рассеяние лептонов на нуклонах и на ядрах. Переменная Бьёркена. Критерий глубокой неупругости реакции. Структурные функции. EMCэффект. 8 неделя. Кумулятивные частицы. Постановка эксперимента по изучению кумулятивных частиц. Минимальная масса мишени. Кумулятивная переменная. Ядерный скейлинг. Кумулятивное число. Описание спектров кумулятивных частиц. Испарительные протоны. Универсальность спектров. Механизмы кумулятивного эффекта. Каскадная модель. Локальный нагрев. Модель трубки. Парные корреляции нуклонов в ядрах (квазидейтронная модель). Модель файерболов.

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Тема 4. Поиск многокварковых состояний. 9 неделя. Кварки в ядрах. Флуктоны. Подпороговое рождение адронов. Экзотические адроны. Многокварковые состояния. Гибриды. Глюболы. Дибарионы. Проблема нестранных дибарионов. Предсказание стабильных дибарионов со странностью -2. Гипотеза А. М. Балдина и А. Б. Кайдалова и поиск нестранных дибарионов с изотопическим спином 2. Эксперименты по двойной перезарядке пионов на дейтронах на ускорителе САТУРН. Радиационные распады дибарионов. Пентакварки. Теоретические предсказания. Антидекуплет барионов. Эксперименты по поиску пентакварков.

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Тема 5. Основы методики корреляционной фемтоскопии. 10 неделя. Методы исследования пространственно-временных характеристик области генерации частиц. Корреляционные эксперименты. GGLP – эффект. HBT – корреляции. Интерферометрия адронов. Пионная фемтоскопия. Теоретические основы корреляционной фемтоскопии. Описание механизма испускания адронов. Предположение о точечности адронов. Корреляционная функция для бозонов. Факторы, влияющие на корреляционную функцию. Методы получения опорного распределения. Метод перемешивания. Распределение для нетождественных частиц с близкими массами. Моделирование. Двойное отношение. Поправки Гамова на кулоновское взаимодействие. Описание корреляционной функции распределением Гольдхабера с одним усреднённым параметром, характеризующим размер области генерации пионов. Трёхпараметрическое описание корреляционной функции. 11 неделя. Протонная фемтоскопия. Корреляционная функция для фермионов со спином 1/2. Интерференция кулоновского и ядерного взаимодействия. Эксперименты с протонами, выбитыми из ядер. 12 неделя. Особенности исследования парных корреляций заряженных каонов, нейтральных каонов, гиперонов, антипротонов с малым относительным импульсом. Эксперименты на лептонном коллайдере LEP в CERN. Трудности интерпретации полученных результатов. Измерение спиновых корреляций двух гиперонов, образованных в распадах Z 0 -бозонов. Измерение взаимодействия двух гиперонов, образующихся в реакциях двойной перезарядки каонов на ядрах углерода. Корреляции нетождественных частиц. Взаимодействие в конечном состоянии.

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Тема 6. Ядро-ядерные взаимодействия. 13 неделя. Постановка экспериментов по исследованию взаимодействий ядер с ядрами. Центральные, периферические и ультрапериферические соударения. Горячие и холодные источники частиц. Температура источника. Ядерные коллайдеры. Фазовый переход адроны - кварк-глюонная плазма. Фазовая диаграмма. Число степеней свободы в кварк-глюонной плазме и в адронном газе. Критическая температура. Смешаная фаза. 14 неделя. Пространственно-временная эволюция кварк-глюонной материи. Диагностика кварк-глюонной плазмы. Прямые лептоны и фотоны. Странность как возможный сигнал кварк-глюонной материи. Результаты экспериментов и перспективы исследований на Большом Адронном Коллайдере и других действующих и проектируемых ускорителях.

ЛИТЕРАТУРА Основная Конспекты лекций. В. Г. Кириллов-Угрюмов, Ф. М. Cергеев, Ю. П. Никитин. Атомы и мезоны. М. : Энергоатомиздат, 1980. В. Г. Кириллов-Угрюмов, Ф. М. Сергеев. Элементарные частицы в физике ядра. М. : МИФИ, 1984. В. И. Гольданский, Ю. П. Никитин, И. Л. Розенталь. Кинематические методы в физике высоких энергий. М. : Наука, 1987. Дополнительная Т. Эриксон, В. Вайзе. Пионы и ядра. М. : Hаука, 1991. Обзорные статьи в журнале ЭЧАЯ

Экзотические адроны

Типы экзотических адронов

Предсказания теоретических моделей Предсказания сильно отличаются в разных моделях. Если экзотические частицы состоят из готовых адронов и распадаются на бесцветные компоненты без образования из вакуума дополнительных qqbar. Распады такого типа, если нет кинематического подавления могут иметь очень большую ширину (сверхразрешенные переходы). Соответствующие частицы поэтому являются практически ненаблюдаемыми. В приближении большого числа цветных степеней свободы (1/Nc -разложение) также было показано, что ширины четырехкварковых экзотических мезонов больше, чем обычных. Если экзотический адрон состоит из двух цветных частей, пространственно разделенных между собой (например благодаря центробежному барьеру), то его распад с образованием синглетных по цвету конечных состояний будет подавлен. Такие экзотические частицы могут иметь нормальные или даже аномально узкие распадные ширины - в зависимости от степени подавления, связанной с механизмом обесцвечивания распадных состояний. Поиски различных типов экзотических частиц представляют значительный интерес. Следует, однако, ожидать, что сечения образования этих новых объектов со сложной внутренней цветовой структурой и связанными с ней аномально малыми ширинами должны быть подавлены по сравнению с характерными сечениями для адронов с обычным кварковым составом.

Массовый спектр глюболов полученный в КХД расчётах на решётках

Типы экзотических адронов 1. ЭКЗОТИКА ПЕРВОГО РОДА. Это состояния с явно экзотическими значениями таких основных квантовых чисел, как электрический заряд, странность, изотопический спин (мезоны с |Q|> 2 , или |S|>2 , или I>1; барионы с |Q | >2, или I>3/2, или S>0). Такие частицы просто не могут иметь обычную кварковую структуру типа qqbar или qqq и обязательно должны быть экзотическим многокварковыми стояниями. 2. ЭКЗОТИКА ВТОРОГО РОДА. Это частицы, имеющие экзотические сочетания таких квантовых чисел, как спин J, четность Р и зарядовая четность С, которых не может быть у адронов с обычной кварковой структурой. Так, для нейтральных (qqbar )-мезонов с суммарным спином кварков s и их орбитальным моментом l четность и зарядовая четность, как известно, определяются соотношениями Р=(-1)l, С=(-1)l+s. Отсюда следует, что у таких мезонов возможны лишь сочетания квантовых чисел C=P=(-1) J или (-1)J+1 , а также С =(-1)J, Р= (-1)J+1. Не может быть (qqbar )-состояний с С=(-1)J+1 и Р =(-1)J или c J=0 и С=-1 (если J=0, то s=l=0, 1, С=+1). Таким образом, экзотическими наборами квантовых чисел мезонов являются комбинации JPC=0+-, 0 --, 1 -+, 2+-, 3 -+ и т. д. Такими значениями JPC могут обладать все виды экзотических мезонов (многокварковые состояния, гибриды и глюболы).

Типы экзотических адронов (2) 3. ЭКЗОТИКА ТРЕТЬЕГО РОДА. Это адронные состояния со скрытой экзотикой (криптоэкзотические адроны). У таких частиц нет внешних экзотических признаков, и их сложное внутреннее строение может быть установлено лишь косвенным образом - по каким-то специфическим особенностям в их характеристиках (аномально малые ширины, аномальные распадные каналы, специальные механизмы образования и т. д. ) К экзотике третьего рода могут принадлежать экзотические адроны всех видов.

Гиперядра

Введение Однако изучение взаимодействий гиперонов с нуклонами представляет собой непростую задачу. Прежде всего, времена жизни гиперонов (табл. 1) слишком малы, чтобы сформировать вторичный пучок небольшой энергии. Взаимодействия свободных гиперонов, образовавшихся в столкновениях первичного пучка (например, протонного) с ядрами мишени, с протонами или ядрами в той же мишени можно наблюдать только "поштучно", и, соответственно, такая методика ограничена весьма малой статистикой. На сегодня общее число наблюдавшихся за несколько десятилетий столкновений Λ- и Σ-гиперонов с нуклонами не превышает тысячи событий. Достоверных данных о взаимодействиях свободных Ξ- и Ωгиперонов с нуклонами, а также гиперонов между собой, сейчас нет. Таблица 1. Основные характеристики гиперонов Λ Σ+ Σ 0 ΣΞ 0 ΞΩ- Время Cтранность Масса, Мэ. В жизни, сек -1 -1 -2 -2 -3 1115. 7 1189. 4 1192. 6 1197. 4 1314. 8 1321. 3 1672. 5 2. 6· 10 -10 0. 8· 10 -10 7. 4· 10 -20 1. 5· 10 -10 2. 9· 10 -10 1. 6· 10 -10 0. 8· 10 -10 Распад (основная мода) Спин четность Nπ Nπ Λγ Nπ Λπ Λπ ΛK 1/2+ 1/2+ 3/2+ Изоспин 0 1 1/2 0

. Определения и обозначения

Гиперонные взаимодействия Наиболее распространенным методом описания гиперонных взаимодействий являются, как и в случае нуклонных взаимодействий, модели мезонного обмена. В рамках этой картины сразу проявляется существенное отличие Λ-нуклонного взаимодействия от нуклон-нуклонного. Поскольку Λ-гиперон имеет изоспин 0, однопионный обмен в системе ΛN невозможен (рис. 1), т. к. в вершине ΛΛπ не сохраняется изоспин. Также запрещены обмены другими мезонами с изоспином 1 (например, ρ-мезоном). Возможен обмен мезонами с изоспином 0 (рис. 2), а также обмен странными мезонами (рис. 3). Последний случай соответствует майорановскому взаимодействию (взаимодействию с обменом пространственными координатами). Рис. 1. Однопионный обмен в системе ΛN запрещен по изоспину Рис. 2. Обмен мезонами с нулевым изоспином в системе ΛN Рис. 3. Обмен странными мезонами в системе ΛN приводит к майорановскому взаимодействию Рис. 4. Двухпионный обмен в системе ΛN Поскольку пион - легчайший из мезонов, запрет однопионного обмена означает, что радиус ΛN-взаимодействия меньше, чем нуклон-нуклонного. Кроме того, возрастает роль двухпионного обмена (рис. 4) с виртуальным Σ-гипероном в промежуточном состоянии. В вершине ΛΣπ изоспин сохраняется, т. к. изоспин Λ- и Σ-гиперона равен 1.

Гиперонные взаимодействия В гиперядерной системе двухпионный обмен может происходить также с участием двух нуклонов (рис. 5). Последняя диаграмма соответствует трехчастичным ΛNN-силам. При взаимодействии Σ-гиперонов с нуклонами однопионный обмен разрешен. Также возможны и диаграммы типа показанных на рис. 2 -5. Одномезонный обмен между двумя Λ-гиперонами возможен только для нестранных мезонов с изоспином 0 (аналогично рис. 2). Кроме того, возможен двухпионный обмен с двумя Σ-гиперонами в промежуточном состоянии, а также двухкаонный обмен, при котором в промежуточном состоянии возникает виртуальная пара ΞN (рис. 6). Рис. 5. Двухпионный обмен, приводящий к трехчастичному взаимодействию ΛNN Рис. 6. Двухкаонный обмен в системе ΛΛ Рис. 7. Майорановское взаимодействие в системе ΞN в рамках одномезонного обмена невозможно Рис. 4. Двухкаонный обмен ΞN, приводящий к майорановскому взаимодействию Диаграммы на рис. 4 -6 показывают, что в Λ-гиперядре имеется небольшая примесь состояний, содержащих виртуальный Σ-гиперон, а в гиперядре, содержащем два Λгиперона, присутствуют также виртуальные Ξ-гипероны.

Сверхтяжёлые изотопы водорода

Образование нейтронно-избыточных изотопов в реакции остановившихся пионов

Результаты поиска изотопа 4 H.

Кумулятивные частицы

Кумулятивные частицы Ядра состоят из протонов и нейтронов, а они – из кварков, следовательно, ядра состоят из кварков. Вопрос в том, собираются ли сначала кварки в ядерной материи в нуклоны, из которых и состоит ядро. Рис. 1. Зависимость инвариантной функции кумулятивных нейтронов от их кинетической энергии: 1 – испарительные, 2 – кумулятивные нейтроны. Шкала ординат логарифмическая. На рис. 1 показан спектр нейтронов, вылетающих из ядер под действием протонов с энергией 7, 5 Гэ. В под углом 119° в лабораторной системе. На рисунке по оси ординат отложена величина f, которая имеет смысл сечения, отнесенного к единице доступного фазового объема реакции. По оси абсцисс отложена кинетическая энергия T нейтрона. Видна большая вероятность испускания ядром относительно медленных нейтронов с энергией порядка 10 Мэ. В (нейтроны рассматриваются здесь потому, что нейтрон с энергией менее 10 Мэ. В легче измерять, чем протоны такой же энергии, которые быстро замедляются в веществе. Но все замечания, которые будут сделаны относительно спектра на рис. 1, будут, конечно, относиться и к протону).

Кумулятивные частицы

Кумулятивные частицы Раньше было дано строгое определение кумулятивной частицы: это такая частица, которая не могла образоваться в силу законов сохранения энергии и импульса при взаимодействии налетающей частицы со свободным нуклоном. Латинский глагол cumulo в основе слова (накапливать) означает накопление энергии объекта на какой-то части объекта. В тяжелом снаряде его часть после столкновения имеет энергию большую, чем эта часть имела в движущемся снаряде, соответственно она имеет и большую скорость, чем снаряд. А это значит, что в системе координат, где покоится снаряд, появится частица, летящая в сторону, противоположную движению мишени. В рассматриваемом случае роль снаряда выполняет ядро, а движущийся назад в системе координат, где ядро покоится, нейтрон выполняет роль кумулятивной частицы.

Скачать презентацию Физика ядра и элементарные частицы Булеков О В

introduction.pptx

Количество слайдов: 29