Основы ядерной физики Конспект лекции Елисеев В А

Основы ядерной физики Конспект лекции Елисеев В. А.

Содержание лекции 1. Опыты Резерфорда. Открытие ядра атома. 2. Строение ядер. Характеристики ядер. 3. Дефект массы. Энергия связи ядра. 4. Ядерные силы и модели ядра. 5. Ядерные реакции. 6. Реакция деления. 7. Цепная реакция. 8. Реакция синтеза. 9. Радиоактивность. 10. Закон радиоактивного распада. 11. α распад. 12. β распад. 13. Гамма излучение. 14. Характеристики радиоактивных излучений. 15. Методы регистрации радиоактивных излучений. 16. Энергия звезд. 17. Проблема управляемых термоядерных реакций 18. Виды фундаментальных взаимодействий. 19. Классы элементарных частиц. 20. Кварковая модель адронов.

Опыты Резерфорда Опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10– 14 – 10– 15 м. Это ядро занимает только 10– 12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99, 95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см 3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то положительный заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Характеристики ядра атома Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд q и масса m . Заряд ядра определяется количеством положительных элементарных зарядов сосредоточенных в аряд ядра ядре. Носителем положительного заряда +e = 1, 6021· 10 19 Кл в ядре является протон. Атом в целом нейтрален и заряд ядра определяет одновременно число электронов в атоме. Заряд ядра в значительной мере определяет распределение электронов по их состояниям в атоме и положение элемента в периодической системе Менделеева. Заряд ядра равен qя= Z·e, где Z зарядовое число ядра, равное порядковому номеру элемента в системе Таким образом, зная порядковый номер химического элемента в таблице Д. И. Менделеева, можно определить число положительных зарядов в ядре любого атома химического элемента. В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы атомных единицах массу ядер массы (а. е. м. ), за одну а. е. м. принимают 1/12 часть массы нуклида С 12 : 1 а. е. м. = 1, 6605655(86)· 10 27 кг. Целое число ближайшее к атомной массе, выраженной в а. е. м. называется массовым числом и обозначается буквой А. Радиус ядра Анализ распада тяжёлых ядер уточнил оценку Резерфорда и связал радиус ядра с Радиус ядра массовым числом простым соотношением: Rя= 1, 23. 10 15 A 1/3 м. Изотопами, называются разновидности атомов данного химического элемента, обладающие одинаковым зарядом, но различающееся массой.

Состав ядра атома С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин — протон. В 1932 году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном В том же году Иваненко и, независимо, Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон нейтронной структуре ядра. Эта гипотеза была полностью протон нейтронной подтверждена всем последующим ходом развития ядерной физики и её приложений.

Спин ядра Поскольку нуклоны обладают собственным механическим моментом, или спином, равным ½ħ (ħ = h/2π), то и ядра должны иметь механические моменты. Кроме того, нуклоны участвуют в ядре в орбитальном движении, которое также характеризуется определённым моментом количества движения каждого нуклона. Орбитальные моменты принимают только целочисленные значения ħ. Все механические моменты нуклонов, как спины, так и орбитальные, суммируются и составляют спин ядра. Несмотря на то, что число нуклонов в ядре может быть очень велико, спины ядер обычно невелики и составляют не более нескольких ħ, что объясняется особенностью взаимодействия одноимённых нуклонов. Все парные протоны и нейтроны взаимодействуют только так, что их спины взаимно компенсируются, то есть пары всегда взаимодействуют с антипараллельными спинами. Суммарный орбитальный момент пары также всегда равен нулю. В результате ядра, состоящие из чётного числа протонов и чётного числа нейтронов, не имеют механического момента. Отличные от нуля спины существуют только у ядер, имеющих в своём составе непарные нуклоны, спин такого нуклона суммируется с его же орбитальным моментом и имеет какое либо полуцелое значение ħ: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра нечётного состава имеют целочисленные спины ħ: 1, 2, 3 и т. д.

Дефект массы С помощью сильных магнитных полей удается определить относительные атомные массы с точностью до восьмого десятичного знака. Точные измерения масс атомных ядер показали, что сумма масс свободных нуклонов всегда больше массы составленного из них ядра. Возьмем для примера атом гелия. Его ядро состоит из двух нейтронов и двух протонов, а оболочка содержит два электрона. Сложим массы этих составных частей: 2 протона + 2 нейтрона + 2 электрона = 2. 1, 00727 + 2. 1, 00865 + 2. 0, 00055 = 4, 03294 (а. е. м. ) и сравним результат с табличным значением 4, 00261 а. е. м. для массы атома. Оказывается, что атомная масса гелия на величину D m = 0, 03033 а. е. м. меньше рассчитанного значения для суммы масс составляющих его частиц. Разница между суммарной массой свободных нуклонов и массой составленного из них ядра называется дефектом масс Соответствующие вычисления с другими атомами приводят к аналогичному результату.

Энергия связи ядра атома Для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны нужно затратить энергию, которая называется энергией связи ядра и определяется как Есв = Dm. с2. Эта энергия затрачивается на совершение работы против ядерных сил притяжения между нуклонами. Вычисленный для ядра гелия дефект масс соответствует энергии связи 28, 2 Мэ. В; он значительно выше среднего. По меньшей мере такую энергию нужно передать ядру, чтобы оно могло распасться. На практике удобно иметь дело с удельной энергией связи нуклонов в ядре, равной отношению энергии связи ядра Есв к массовому числу А, т. е энергия связи, приходящаяся на один нуклон. На рисунке показана зависимость удельной энергии связи ядер от массового числа. Видно, что наиболее устойчивыми являются ядра элементов средней части таблицы Менделеева; максимальной энергией связи обладает ядро изотопа железа (8, 8 Мэ. В на нуклон). Из зависимости удельной энергии связи от массовых чисел следует, что энергетически выгодны следующие процессы: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер в более тяжелые. При обоих процессах выделяется огромное количество энергии, что находит практическое применение.

Ядерные силы Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных). Ядерные силы • являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых короткодействующими расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10– 15 м. Длина (1, 5 – 2, 2)· 10– 15 м называется радиусом действия ядерных сил, • обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами зарядовую независимость одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов – протонного или нейтронного, • обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре свойством насыщения взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов, • зависят от ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Это подтверждается от ориентации спинов различным характером рассеяния нейтронов молекулами орто и пара водорода. В молекуле ортоводорода спины обоих протонов параллельны другу, а в молекуле пара водорода они антипараллельны. Опыты показали, что рассеяние нейтронов на пара водороде в 30 раз превышает рассеяние на орто водороде. Взаимодействие между нуклонами возникает в результате испускания и поглощения квантов ядерного поля – π мезонов. Они определяют ядерное поле по аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствие обмена фотонами.

Капельная модель ядра Ядерные силы детально не изучены до сих пор. Законченной теории ядерных сил не существует. Плодотворным методом изучения различных свойств атомного ядра является метод моделей ядра, основанной на внешней аналогии свойств атомных ядер со свойствами других систем, хорошо изученных в физике. Простейшая капельная модель ядра использует внешнюю аналогию свойств атомного ядра и заряженной положительно капли жидкости. В этой модели атомное ядро рассматривается как сферическая капля заряженной жидкости. Основанием для такой аналогии послужило то, что плотность ядерного вещества у всех ядер вблизи линии стабильности приблизительно одинакова, что говорит о его несжимаемости. Кроме того, с жидкостью ядерное вещество сближает и свойство насыщения ядерных сил (энергия связи ядер приблизительно пропорциональна массовому числу). В рамках капельной модели удалось объяснить многие свойства атомного ядра и получить полуэмпирическую формулу для энергии связи атомных ядер (формула Вайцзеккера), которая позволила понять некоторые закономерности в α и β распадах, делении ядер и грубо оценивать массы и энергии связи новых ядер. Экспериментальные исследования выявили некоторую периодичность в изменении индивидуальных характеристик основных и возбужденных состояний ядер (таких, как энергии связи, спины, магнитные моменты, четности, некоторые особенности α и β распада, размещение ядер изомеров среди остальных ядер и др. ). Эту периодичность капельная модель описать была не способна

Оболочечная модель ядра В модели оболочек предполагается, что нуклоны движутся независимо друг от друга в сферически симметричной потенциальной яме. Собственные состояния нуклона в такой яме находят, решая соответствующее уравнение Шредингера. Эти состояния характеризуются квантовыми числами, которые определяют физические величины, сохраняющиеся при движении в сферически симметричном поле. В оболочечной модели спин ядра складывается из суммы спинов и орбитальных моментов отдельных нуклонов. Принцип Паули и специфика ядерного взаимодействия приводят к тому, что все четно четные ядра имеют спин равный 0. Четность состояния определяется произведением внутренних четностей составляющих его частиц на четности волновых функций, описывающих их движение относительно общего центра инерции. Внутренняя четность нуклонов принята положительной. Отмеченная периодичность подобна периодичности свойств электронных оболочек атома и определяется магическими числами нейтронов и протонов: n: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184 p: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114 Магические числа нейтронов и протонов по аналогии с атомами соответствуют полностью заполненным оболочкам. Различие в магических числах 126 (для нейтронов) и 114 (для протонов) обусловлено кулоновским взаимодействием.

Ядерные реакции Ядерная реакция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма квантами и друг с другом. В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов и сумма массовых чисел ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов и сумме массовых чисел конечных продуктов реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. В отличие от радиоактивного распада который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии), так и эндотермическими (с поглощением энергии). Различают следующие, наиболее часто встречающиеся ядерные реакции. Реакция превращения. В этом случае налетевшая частица остается в ядре, но превращения. промежуточное ядро испускает какую либо другую частицу, поэто му дро продукт я отличается от ядра мишени Реакция радиационного захвата. Налетевшая частица застревает в ядре, но захвата. возбужденное ядро испускает избыточную энергию, излучая γ фотон (используется в работе ядерных реакторов) Пример реакции захвата нейтронов кадмием или фосфором.

Ядерные реакции Рассеяние. Промежуточное ядро испускает частицу, тождественную с Рассеяние. налетевшей, причем может быть: упругое рассеяние, при котором и неупругое рассеяние, при котором упругое рассеяние нейтронов углеродом (используется в реакторах для замедления нейтронов): неупругое рассеяние нейтронов: Реакция деления. Это реакция, идущая всегда с выделением энергии. Она является деления. основой для технического получения и использования ядерной энергии. При реакции деления возбуждение промежуточного составного ядра столь велико, что оно делится на два, примерно равных осколка, с выде лением нескольких нейтронов. Если энергия возбуждения невелика, то разделение ядра не происходит, а ядро, потеряв избыток энергии путем испускания γ фотона или нейтрона, возвратится в нормальное состояние (рис. 1). Но если вносимая нейтроном энергия велика, то возбужденное ядро начинает деформироваться, в нем образуется перетяжка и в результате оно делится на два осколка, разлетающихся с огромными скоростями, при этом испускается два нейтрона

Ядерные реакции Цепная реакция саморазвивающаяся реакция деления. Для осуществления её необходимо, чтобы из Цепная реакция вторичных нейтронов, образующихся при одном акте деления, хотя бы один смог вызвать следующий акт деления: (так как некоторые нейтроны могут участвовать в реакциях захвата не вызывая деления). Количественно условие существования цепной реакции выражает коэффициент размножения Если k < 1 цепная реакция невозможна, k = 1 (m = mкр) цепная реакция с постоянным количеством нейтронов (в ядерном реакторе}, k > 1 (m > mкр) ядерные бомбы.

Реакция синтеза атомных ядер Источником огромной энергии может служить реакция синтеза атомных ядер — образование из легких ядер более тяжелых. Удельная энергия связи ядер резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия 1 Н 2 и трития 1 Н 3) к литию 3 Li 6 и особенно к гелию 2 Не 4, т. е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны сопровождаться выделением большого количества энергии, что действительно подтверждается расчетами. В качестве примеров рассмотрим реакции синтеза: Реакции синтеза атомных ядер обладают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер. В самом деле, если при делении ядра U 238 выделяется энергия примерно 200 Мэ. В, что составляет на один нуклон примерно 0, 84 Мэ. В, то в реакциях синтеза эта величина равна 3, 5 Мэ. В. Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 107 К и выше), называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции являются, по видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в нашей стране (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, являющегося неуправляемой реакцией. Взрывчатым веществом служила смесь дейтерия и трития, а запалом — «обычная» атомная бомба, при взрыве которой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции температура.

Радиоактивное излучение ядер Лишь небольшая часть нуклидов являются стабильными. В большинстве случаев ядерные силы оказываются неспособны обеспечить их постоянную целостность, и ядра рано или поздно распадаются. Радиоактивностью называется способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных частиц. Радиоактивность, наблюдаемая у неустойчивых изотопов существующих в природе, называется естественной. Искусственная радиоактивность наблюдается у изотопов, синтезированных посредством ядерных реакций. Принципиального различия между естественной и искусственной радиоактивностью нет. В процессе радиоактивного распада выполняются законы сохранения электрического заряда, массовых чисел, энергии, импульса и д. р.

Закон радиоактивного распада ядер Радиоактивный распад имеет вероятностный характер, и, следовательно, подчиняется статистическим закономерностям. Уменьшение числа радиоактивных ядер d. N за промежуток времени dt определяется количеством радиоактивных ядер N в момент времени t и пропорционально промежутку времени dt : d. N = l. Ndt , где l постоянная радиоактивного распада. Интегрируя это выражение, и считая, что в начальный момент времени t = 0 число радиоактивных ядер N = Nо , получим закон радиоактивного распада: N = No. e-lt. Промежуток времени T , за который число нераспавшихся ядер уменьшается вдвое, называется периодом полураспада: ½ No = No. e l. T , откуда T = ln 2/l = 0, 693/l. Число распадов радиоактивных ядер за единицу времени называется активностью: A = d. N/dt. В системе СИ за единицу активности принимается Беккерель (Бк): 1 Бк – активность нуклида, при котором за 1 с происходит один акт распада. Внесистемной единицей активности является Кюри (Ки) – активность препарата, в котором за 1 с происходит 3, 7. 1010 распадов. 1 Ки = 3, 7. 1010 Бк.

Виды радиоактивного распада ядер a-распад Испускание ядрами некоторых химических элементов системы двух протонов и двух нейтронов, соединенных воедино частицы ядра атома гелия 2 He 4. радий 88 Ra 226 → 2 He 4 + 86 Rn 222 радон α-распад присущ тяжелым ядрам с А > 200 и Z > 82. α-распад При движении в веществе α частицы производят на своем пути сильную ионизацию атомов (ионизация отрыв электронов от атома), действуя на них своим электрическим полем. Расстояние, на которое пролетает α частица в веществе до полной её остановки, называется пробегом частицы или проникающей способностью. При нормальных условиях α частица образует в воздухе 30000 пар ионов на 1 см пути. Удельной ионизацией называется число пар ионов образующихся на 1 см длины пути. α частица оказывает сильное биологическое действие. Правило смещения для α распада:

Периодическая система элементов

Виды радиоактивного распада ядер b-распад а) электронный (β ): ядро испускает электрон и антинейтрино : 0 n 1 → 1 p 1 + 1 e 0 + 0ν 0 б) позитронный (β+): ядро испускает позитрон и нейтрино : 1 p 1 → 0 n 1 + +1 e 0 +0ν 0 Эта процессы происходят, путем превращения в ядре одного вида нуклона в другой: нейтрона в протон или протона в нейтрон. β распад происходит у естественных и искусственных радиоактивных ядер. β+ только при искусственной радиоактивности. Правило смещения для β распада: ZXA →Z 1 YA + 1 e 0 в) К захват (электронный захват) ядро поглощает один из электронов, находящихся на оболочке К ( реже L или М ) своего атома, в результате чего один из протонов превращается а нейтрон, испуская при этом нейтрино : 1 p 1 + 1 e 0 → 0 n 1 +0ν 0 . Схема К захвата: ZXA + 1 e 0 →Z 1 YA + ν . Место электрона электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи.

Виды радиоактивного распада ядер γ-излучение Гамма-излучение, представляющее собой коротковолновое электромагнитное Гамма-излучение, происходит без изменения массового и зарядового числа ядер, сопровождая a и b распады. Возникающие дочерние ядра оказываются в возбужденном состоянии, и снятие возбуждения ядер, т. е. переходы ядра из возбужденных состояний в основное состояние, приводит к излучению квантов. Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием γ лучей. γ лучи это электромагнитное излучение, обладающее длинами волн от одного до сотых долей ангстрем λ = ~1. . 0, 01 Å (10 -10 -10 -12 м). Энергия γ лучей достигает миллионов э. В. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием γ – фотона. При этом энергия γ фотона определяется условием hν = E 2 – E 1. Поглощение γ лучей веществом обусловлено тремя основными процессами: фотоэффектом (при hv < l Mэ. B) , образованием пар электрон – позитрон: 2γ→-1 e 0 + +1β 0 , рассеяние (эффект Комптона). γ лучи одно из наиболее проникающих излучений. Для наиболее жестких лучей (hνmax) толщина слоя половинного поглощения равна в свинце 1, 6 см, в железе 2, 4 см, в алюминии 12 см, в земле 15 см.

Характеристики радиоактивного излучения Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организм: альфа излучение считается при способность излучения данного вида повреждать ткани организм этом в двадцать раз опаснее других видов излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой; ее измеряют в системе СИ в единицах, называемых зивертами (Зв). эквивалентной дозой Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую эффективную эквивалентную дозу суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в зивертах.

Методы регистрации радиоактивных излучений Практически все методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений ( , , ) и частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Заряженные частицы вызывают эти процессы непосредственно, а кванты и нейтроны обнаруживаются по ионизации, вызываемой возникающими в результате их взаимодействия с электронами и ядрами атомов среды быстрыми заряженными частицами. Вторичные эффекты, сопровождающие рассмотренные процессы, такие, как вспышка света, электрический ток, потемнение фотопластинки, позволяют регистрировать пролетающие частицы, считать их, отличать друг от друга и измерять их энергию. Приборы, применяемые для регистрации радиоактивных излучений и частиц, делятся на две группы: 1) приборы, позволяющие регистрировать прохождение частицы через определенный участок пространства и в некоторых случаях определять ее характеристики, например энергию (сцинтилляционные счетчик, черенковский счетчик, импульсная ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик); 2) приборы, позволяющие наблюдать, регистрировать (например, фотографировать), следы (треки) частиц в веществе (камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая камера, ядерные фотоэмульсии).

Методы регистрации радиоактивных излучений Камера Вильсона прибор для наблюдения следов заряженных частиц, созданный Камера Вильсона Ч. Вильсоном в 1912. Действие камеры Вильсона основано на явлении конденсации пересыщенного пара, т. e. на образовании мелких капелек жидкости на каких либо центрах конденсации, например на ионах, образующихся вдоль следа быстрой заряженной частицы. Капельки достигают видимых размеров и могут быть сфотографированы. Исследуемые частицы могут либо испускаться помещаемым внутри камеры источником, либо попадать в камеру извне через прозрачное для них окно. Камеру обычно помещают в магнитное поле. Природу и свойства исследуемых частиц можно установить по величине пробега и импульса частиц. Величина импульса измеряется по искривлению следов частиц под действием магнитного поля. Для исследования частиц с малой энергией камеры заполняют газом при давлении меньше атмосферного; для исследования частиц высоких энергий камеру наполняют газом до давлений в десятки атм. Широко варьируются размеры и форма камер, материалы их стенок. Камера Вильсона сыграла важную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий камера Вильсона была практически единственным визуальным методом регистрации ядерных излучений. Однако в последние годы она уступила место пузырьковым камерам и искровым камерам. Образование пары позитрон—электрон в камере Вильсона. Видны следы позитрона и электрона, образовавшихся при взаимодействии γ кванта (не оставляющего видимого следа) с ядром свинца в свинцовом экране, перегораживающем камеру.

Методы регистрации радиоактивных излучений Газоразрядный счетчик обычно выполняется в виде наполненного газом металлического цилиндра (катод) с тонкой проволокой (анод), натянутой по его оси. Хотя газоразрядные счетчики по конструкции похожи на ионизационную камеру, однако в них основную роль играет вторичная ионизация, обусловленная столкновениями первичных ионов с атомами и молекулами газа и стенок. Можно говорить о двух типах газоразрядных счетчиков: пропорциональных (в них газовый разряд несамостоятельный, т. е. гаснет при прекращении действия внешнего ионизатора) , счетчик Гейгера — Мюллера (в них разряд самостоятельный, т. е. поддерживается после прекращения действия внешнего ионизатора). Счетчики Гейгера — Мюллера регистрируют частицу без измерения ее энергии. Для регистрации раздельных импульсов возникший разряд следует гасить. Для этого, например, последовательно с нитью включается такое сопротивление, чтобы возникший в счетчике разряд вызывал на сопротивлении падение напряже ния, достаточное для прерывания разряда.

Методы регистрации радиоактивных излучений Пузырьковая камера (1952; американский физик Д. Глезер (р. 1926)). В камера пузырьковой камере рабочим веществом является перегретая (находящаяся под давлением) прозрачная жидкость (жидкие водород, пропан, ксенон). Запускается камера, так же как и камера Вильсона, резким сбросом давления, переводящим жидкость в неустойчивое перегретое состояние. Пролетающая в это время через камеру заряженная частица вызывает резкое вскипание жидкости, и траектория частицы оказывается обозначенной цепочкой пузырьков пара образуется трек, который, как и в камере Вильсона, фотографируется. Пузырьковая камера работает циклами. Размеры пузырьковых камер примерно такие же, как камеры Вильсона (от десятков сантиметров до 2 м), но их объем на 2— 3 порядка больше, так как жидкости гораздо плотнее газов. Это позволяет использовать пузырьковые камеры для исследования длинных цепей рождений и распадов частиц высоких энергий.

Методы регистрации радиоактивных излучений В настоящее время методы наблюдения и регистрации заряженных частиц и излучений настолько разнообразны, что их полное описание выходит за рамки курса. Современные исследовательские установки – настоящие монстры. Например, один из блоков тяжелоионного синхротрона в Дармштадте (ФРГ) – инжектор – представляет собой туннель длиной 150 метров с вакуумом 10 11 мм. рт. ст. Понятно, что новые методики исследования в области ядерной физики – весьма дорогостоящие «забавы» . Так при попытке создания суперколлайдера в Эллис Каунте (Техас) Джордж Буш, тогдашний президент США, «выбил» из Японии 1 млрд. долл. США и только в одном 1992 году вложения составили 592 млн. долл. Можно представить масштабы стройки: площадь лаборатории разработки магнитов – 10000 м 2. На том месте, где должен быть второй главный детектор частиц выкопана шахта шириной 48 м и глубиной 80 м, с целью изучения грунта под фундамент…

Характеристики радиоактивных излучений Экспозиционная доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского и γ излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dq), образующихся в массе вещества (dm) dm при полном торможении всех заряженных частиц : X = dq/dm. dm Единица экспозиционной дозы Рентген это экспозиционная доза рентгеновского и γ излучения, создающая в 1 см 3 воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт. суммарный заряд 2. 08. 109 пар ионов. Экспозиционной дозе 1 Р в воздухе соответствует поглощенная энергия 1, 13. 10 8 Дж/см 3 или 8, 73. 10 6 Дж/г Поглощение энергии ионизирующего излучения является первичным процессом, дающим начало последовательности физико химических преобразований в облученной ткани, приводящей к наблюдаемому радиационному эффекту. Поэтому естественно сопоставить наблюдаемый эффект с количеством поглощенной энергии или поглощенной дозы. Поглощенная доза (D) основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии d. E, переданной ионизирующим излучением веществу в d. E элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме : D = d. E/dm dm Единица поглощенной дозы Грей (Гр).

Элементарные частицы Открытие элементарных частиц явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой к концу 19 в. Первой открытой частицей был электрон — носитель отрицательного электрического заряда в атомах (англ. физик Дж. Томсон, 1897). В 1919 англ. физик Э. Резерфорд обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны — частицы с единичным положит. зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в 1932 англ. физиком Дж. Чедвиком. Существование нейтрино как особой элементарной частицы впервые предположено B. Паули (1930); экспериментально электронное нейтрино открыто лишь в 1953 г. Позитрон — частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом, была обнаружена в составе космических лучей К. Андерсоном в 1932 г. В 1936 Андерсон и С. Неддермейер (США) обнаружили при исследовании космических лучей мюоны обоих знаков электрического заряда — частицы с массой около 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к электрону и позитрону. Существование подобных частиц было предположено японским физиком X. Юкавой в 1935 г. В конце 40 х начале 50 х гг. была открыта большая группа частиц с необычными свойствами, получивших название «странных» . Первые частицы этой группы К+ и К мезоны, L гипероны были обнаружены в космических лучах. В 1960 х гг. на ускорителях было обнаружено большое число крайне неустойчивых частиц, получивших название резонансов, составляющих основную часть элементарных частиц. За годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц. Мир элементарных частиц оказался очень сложно устроенным, а их свойства во многих отношениях неожиданными.

Элементарные частицы Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1, 6 • 10 27 кг (масса электрона: 9, 1 • 10 31 кг). Размеры протона, нейтрона, p мезона и других адронов порядка 10 13 см, а электрона и мюона не определены, но они меньше 10 16 см. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц, де бройлевские длины волн обусловливают квантовую специфику их поведения. Наиболее важное квант. свойство всех элементарных частиц — способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Все процессы с элементарными частицами (включая распады) протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Различные процессы с элементарными частицами при изученных энергиях заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все обладают гравитационным взаимодействием. Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессами, интенсивностью, и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. В основе электромагнитного взаимодействия лежит связь частиц с электромагнитным полем. Обусловленные им процессы менее интенсивны, чем процессы сильного взаимодействия, а порождаемая им связь частиц заметно слабее. Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах. Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц, времена жизни большинства которых лежат в диапазоне 10 6 10 14 с. Гравитационное взаимодействие на расстояниях порядка 10 13 см даст чрезвычайно малые эффекты из за малости масс частиц, но может быть существенным на расстояниях около 10 33 см.

Элементарные частицы В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны и лептоны. Адроны характеризуются наличием у них сильного взаимодействия наряду с электромагнитным и слабым, Лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. Наличие гравитационного взаимодействия у всех элементарных частиц, включая фотон, подразумевается. Каждая частица описывается набором дискретных значений определенных физических величин своими характеристиками (дискретные значения, которых образуют совокупность целых или дробных чисел, называемых квантовыми числами.

Кварковая модель адронов Еще в 40 х годах стало ясно, что нуклоны отнюдь не являются единственными частицами, обладающими сильными взаимодействиями. Они принадлежат к общему классу частиц, впоследствии названных адронами. По гречески “хадрос” массивный, сильный. С пуском мощных ускорителей новые адроны посыпались, как из рога изобилия, и в настоящее время известно более трехсот видов адронов. Главная идея, высказанная впервые в 60 х годах М. Гелл Манном и Дж. Цвейгом, состоит в том, что все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. Последующие исследования подтвердили правильность этой гипотезы. Все кварки имеют спин, равный ½ ђ. В настоящее время установлено существование пяти разновидностей кварков: u, d, s, с, b, t. Кварки u, с и t имеют электрический заряд, равный +⅔ , а кварки d, s и b заряд, равный ⅓. Кварки с зарядом +⅔ принято называть верхними, а с зарядом ⅓ нижними. Обозначения кварков происходят от английских слов up, down, strange, charm, bottom, top. Кварковая модель была предложена в то время, когда были известны лишь так называемые легкие адроны, т. е. адроны, состоящие только из легких кварков, и, d и s. Эта модель сразу привела в порядок всю систематику этих адронов. На ее основе не только была понята структура уже известных к тому времени частиц, но и предсказан ряд неизвестных в то время адронов. Все адроны можно разбить на два больших класса. Одни, называемые барионами, состоят из трех кварков. Барионы фермионы, у них полуцелый спин. Другие называемые мезонами, состоят из кварка и антикварка. Мезоны бозоны, у них целый спин.

Происхождение слова кварк связано с Гелл Манном, который взял это слово как напоминающее звук, издаваемый утками. Пытаясь подыскать подходящее слово, Гелл Манн нашёл его в романе Дж. Джойса «Поминки по Финнегану» , где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для мистера Марка!» ). Дж. Цвейг называл свои фундаментальные частицы тузами, но данное название не прижилось и забылось — возможно, потому, что тузов четыре, а кварков в первоначальной модели было три. Названия верхний (u кварк) и нижний (d кварк) кварки связаны с тем, что они образуют две компоненты изоспинового дублета, одна из которых направлена вверх, а другая вниз в изоспиновом пространстве. Странный кварк (s кварк) входит в состав странных частиц, особенностью которых является необычно большая длительность жизни. В отношении очарованного кварка Глэшоу сказал следующее: "Мы назвали нашу частицу 'очарованный кварк', так как были пленены симметрией мира фундаментальных частиц". Названия t кварк и b кварк произошли от английских слов top (верх, вершина) и bottom (низ), соответствуя по смыслу u кварку и d кварку, у которых up означает вверх, down вниз. Кроме этого, названия t кварк и b кварк ассоциируются с английскими словами "truth" (истинный) и "beauty" (прелестный, красивый) соответственно.

Причины того, что кварки считаются реально существующими объектами, таковы: Во первых, в 1960 е|1960 х годах стало ясно, что все многочисленные адроны подчиняются более менее простой классификации: они объединяются вмультиплеты и супермультиплеты. Иными словами, при описании всех этих мультиплетов требуется очень небольшое число свободных параметров. То есть, все адроны обладают небольшим числом степеней свободы: все барионы с одинаковым спином обладают тремя степенями свободы, а все мезоны — двумя. Первоначально гипотеза кварков как раз и заключалась в этом наблюдении, и слово «кварк» , по сути, было краткой формой фразы «субадроннаястепень свободы» . Далее, при учете спина оказалось, что каждой такой степени свободы можно приписать спин ½ и, кроме того, каждой паре кварков можно приписать орбитальный момент — словно они и есть частицы, которые могут вращаться друг относительно друга. Из этого предположения возникло объяснение всему разнообразию спинов и магнитных моментов адронов. С открытием новых частиц выяснилось, что никаких модификаций теории не требуется: каждый новый адрон удачно вписывался в кварковую конструкцию без особых перестроек (если не считать добавления новых кварков). Как проверить, что заряд у кварков действительно дробный? Кварковая модель предсказывала, что при аннигиляции высокоэнергетических электрона и позитрона будут рождаться не сами адроны, а сначала пары кварк антикварк, которые потом уже превращаются в адроны. Результаты расчёта течения такого процесса, а также глубоко неупругого рассеяния электронов на протонах зависят от того, каков заряд рождённых кварков. Данные экспериментов согласуются со стандартной теорией. [17] С наступлением эры ускорителей высокой энергии стало возможным изучать распределение импульса внутри, например, протона. Выяснилось, что импульс в протоне не распределён равномерно по нему, а частями сосредоточен в отдельных степенях свободы. Эти степени свободы назвали партонами (от англ. part — часть). Более того, оказалось, что партоны, в первом приближении, обладают спином ½ и теми же зарядами, что и кварки. С ростом энергии оказалось, что количество партонов растёт, но такой результат и ожидался в кварковой модели при сверхвысоких энергиях. [90] С повышением энергии ускорителей стало возможным также попытаться выбить отдельный кварк из адрона в высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория предсказывала, как должны были выглядеть результаты таких столкновений — в виде струй. Такие струи действительно наблюдались в эксперименте. При высокоэнергетических двухчастичных столкновениях адронов дифференциальные сечения рассеяния на фиксированный угол зависят степенным образом от квадрата энергии столкновений и квадрата переданного импульса. Если считать, что имеются кварки и они передают другу импульс, то показатель степени в дифференциальном сечении будет зависеть от числа кварков. Из сравнения с экспериментом для рассеяния протонов получается возможное количество кварков, не превышающее 3. [91] В целом можно сказать, что гипотеза кварков и всё, что из неё вытекает (в частности, квантовая хромодинамика), является не только попыткой применения волновой механики для так называемых фундаментальных частиц, способом описания многочисленных экспериментов, но и простейшей гипотезойотносительно строения адронов.

Кварковая модель адронов При первоначальной формулировке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы, открывающие возможность удобной классификации адронов. В результате экспериментов, проведённых в 60 — 70 гг. , выяснилось, что гипотеза кварков наиболее простым и естественным образом объясняет многие динамические закономерности взаимодействия с участием адронов. Именно это позволяет говорить о кварках как о реальных материальных образованиях внутри адронов. Эти эксперименты подтвердили наличие таких структурных единиц в адронах с приписываемыми им теорией квантовыми числами, включая «цвет» и дробный электрический заряд. Кварки фактически приобрели статус новых элементарных частиц и выступают в качестве претендентов на роль истинно элементарных частиц для адронной формы материи. До длин порядка 10 16 см кварки ведут себя как точечные, бесструктурные образования. Число известных видов кварков пока невелико, хотя не исключён некоторый рост их числа. Ненаблюдаемость кварков в свободном состоянии даёт дополнительные основания предполагать, что они являются теми частицами, которые замыкают цепь структурных составляющих вещества. Существуют теоретические и экспериментальные доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.

Характеристики кварков Тип кварка d u s c b t Электрический заряд Q 1/3 +2/3 1/3 +2/3 Барионное число B 1/3 1/3 Спин J ½ ½ ½ Четность P +1 +1 Изоспин I ½ 0 Проекция изоспина I 3 1/2 +1/2 0 Странность s 0 1 0 Charm c 0 0 +1 0 Bottomness b 0 0 1 0 Topness t 0 0 0 +1 Масса в составе адрона, Гэ. В 0. 33 0. 51 1. 8 5 174 Масса "свободного" кварка, Мэ. В 4. 8 2. 3 95 1. 3· 10³ (4. 2 4. 7)· 10³ 174· 10³

Основные характеристики кварков Обозначение Название сорта кварка [его аромат] Электрический заряд Барионный заряд d down вниз* 1/3 +1/3 u up вверх* +2/3 +1/3 s strange странный [странность, S= 1] 1/3 +1/3 c charm очарованный [очарование, C= +1] +2/3 +1/3 b beauty красивый ([красота , В =+1] 1/3 +1/3 t top верхний**, truth правдивый +2/3 +1/3

Кварковая модель адронов Основные характеристики кварковый состав некоторых адронов

Кварковая модель адронов

Стандартная модель физики элементарных частиц Стандартная модель описывает законы природы, свойства элементарных частиц, свойства взаимодействий вплоть до достигнутых сегодня в эксперименте энергий. Это полноценная теория, по которой можно все вычислять (по крайней мере, в принципе). Это энергии масштаба 100 Гэ. В, им соответствуют расстояния порядка 10 в минус шестнадцатой степени сантиметра. Для сравнения: радиус протона в тысячу раз больше, то есть расстояния, которые сегодня изучены – это примерно одна тысячная размера протона. Вот такой масштаб расстояний сегодня доступен экспериментальному изучению, и Стандартная модель прекрасно описывает практически всю совокупность экспериментальных данных. Она проверена в многочисленных экспериментах. Точность этой проверки, как правило, находится на уровне долей процента, часто гораздо лучше, чем доли процента, и вся совокупность экспериментальных данных прекрасно в нее укладывается. На самом деле это очень простая теория. В ней есть три семейства частиц. Одно из них включает в себя электрон. Это вполне знакомая нам частица. Его компаньон – электронное нейтрино, очень легкая частица. Есть аналоги электрона, более тяжелые – мюон, тау лептон, соответствующие нейтрино. Все эти частицы имеют, конечно, античастицы. Позитрон – наиболее известный из них. Но есть и антинейтрино. Это первый сектор Стандартной модели.

Стандартная модель физики элементарных частиц

Стандартная модель физики элементарных частиц Второй сектор Стандартной модели – это частицы, которые обеспечивают взаимодействие. Самое известное из них – электромагнитное взаимодействие. Им соответствует фотон. Фотоны отвечают за электромагнитное взаимодействие. Глюоны отвечают за силы между кварками. Кварки настолько сильно связаны между собой путем взаимодействия с этими глюонами, что они сидят внутри протона и никогда из этого протона не выскакивают. Их в свободном состоянии не бывает. Должен быть еще гравитон. Конечно, гравитона никто не видел, экспериментально не обнаружил, но сомнений, что такая частица должна существовать, нет. Есть другие частицы, отвечающие за взаимодействия, это W и Z бозоны – частицы открыты давно, с известными свойствами. Так вот, в Стандартной модели есть еще одно поле Энглера Браута Хиггса. Его главная задача – это обеспечить массы всем элементарным частицам, имея в виду электроны, другие лептоны, кварки, и W , Z бозоны – они все получают массы благодаря тому, что в природе есть такое поле. Это, конечно, особое свойство, и бозон Хиггса – это квант такого нового поля. Его открытие должно привести нас к представлению о том, какой механизм обеспечивает массы всем нашим элементарным частицам. Масса новой частицы около 125 Гэ. В. Эта частица – вторая по тяжести среди элементарных частиц. Из за того, что её масса очень большая, и для открытия этой частицы понадобился Большой адронный коллайдер.

Стандартная модель физики элементарных частиц Ну и, наконец, третий сектор – это сектор, связанный с бозоном Хиггса. До последнего времени это было единственное недостающее звено в Стандартной модели. Надо сказать, что все элементарные частицы и не только элементарные, но и протоны, и ядра – все они имеют собственный момент импульса. Они, немножко огрубляя, выглядят как волчки, они закручены. В квантовой теории этот момент импульса носит название спина, и если выражать его через постоянную Планка, он бывает целый (это фермионы) или полуцелый (бозоны). Он всегда либо ½ħ, либо 1ħ, либо 0. В принципе может быть 3/2ħ, 2ħ и так далее. Надо сказать, что бозоны и фермионы очень сильно отличаются друг от друга по своим свойствам. Для фермионов работает принцип Паули, который говорит, что на одном уровне в атоме могут оказаться только два электрона, и отсюда вся химия. Вся химия связана с тем, что электроны – это фермионы. Если бы они были бозонами, то была бы совершенно другая химия, а может быть и совсем никакой химии бы и не было. Для бозонов наоборот: принцип Паули не работает, и бозоны в отличие от фермионов ассоциируются с классическими полями. Например, электромагнитные волны, электромагнитные поля – это набор многих фотонов. Мы как то привыкли к электромагнитному излучению, которое существует здесь вокруг нас. На самом деле, это набор фотонов, причем их очень много в одном и том же состоянии, и из за этого электромагнитные волны выглядят как классические волны. Так что разница между бозонами и фермионами большая.

Стандартная модель физики элементарных частиц Открыли хиггсовский бозон, изучая распады бозона Хиггса на два фотона и распады бозона Хиггса на 4 частицы: либо две пары электрон позитрон, либо пары электрон позитрон плюс мюон антимюон, либо четыре мюона. Это редкие процессы. Предсказывается, что из тысячи распадов бозона Хиггса происходит всего два на 2 фотона, ну а процессы рождения четырех легких частиц – электронов или мюонов вообще очень редки: должен происходить один такой распад из десяти тысяч. Но другие распады гораздо труднее обнаружить экспериментально. Характерный пример – это распад бозона Хиггса на два фотона. Если на него повнимательнее посмотреть и воспользоваться законом сохранения энергии, законом сохранения импульса, то выясняется, что некая комбинация импульсов разлетающихся фотонов и угла разлета этих фотонов должна быть в точности равна массе этого бозона Хиггса. Конечно, на Большом адронном коллайдере происходит рождение фотонных пар и без всякого бозона Хиггса. Есть множество процессов, которые приводят к такому рождению, но ожидается, что таких фотонных пар, для которых эта комбинация импульсов и углов равна массе бозона Хиггса, должно быть больше, чем любых других. Это и видно.

Стандартная модель физики элементарных частиц Вот эта картинка, которую приводит коллаборация CMS, показывает, что у вас есть избыток фотонных пар. Отложено число событий как функция кинематической переменной и видно, что есть избыток. Такого типа наблюдения в физике элементарных частиц, такие графики – это и есть открытие новой частицы Почему это бозон? Это сразу следует из того, что имеется распад на два фотона. Из сохранения углового момента следует, что у этой частицы должен быть целый спин, потому что у фотона спин целый и суммарный угловой момент фотонной пары тоже целый, значит, суммарный спин у этого бозона Хиггса должен быть целым и равен он либо нулю, либо двойке в единицах постоянной Планка. Он не может быть равен единице, это известная теорема Ландау: частица со спином единица не может распадаться на два фотона

Большой адронный коллайдер Измеряется энергия, измеряются направления движения каждой частицы и как пример – здесь тоже не очень видно, но тем не менее, если приглядеться, то два протона столкнулись, образовалось множество частиц, в разные стороны сыплются осколки. Вот эти желтенькие – это осколки, не интересные в данном случае, а интересны вот эти линии – два мюона, которые полетели в разные стороны. Вот если измерить их импульсы и углы, под которыми они разлетаются, опять можно составить из них некую кинематическую величину и обнаружить, что она совпадает с массой Z бозона и отсюда можно заключить, что образовался и распался Z бозон. Так выглядит событие с рождением бозона Хиггса и его распадом на пару электрон позитрон плюс мюон антимюон. Эти усики – это электрон и позитрон, они оставляют свой характерный след, а два мюона летят далеко. Эти частицы пролетают весь детектор насквозь

Большой адронный коллайдер В квантовой физике есть еще одно фундаментальное соотношение – соотношение Гейзенберга, которое связывает импульс и координату. Отсюда следует, что если вы хотите открывать новые частицы и новые взаимодействия на сверхмалых расстояниях, то вам нужно иметь большие интенсивности пучков, вам нужно иметь много столкновений. В физике используется термин «светимость» – интенсивность пучков. До Большого адронного коллайдера максимальная энергия столкновений была достигнута в США на Тэватроне – это коллайдер протон антипротонный, где сталкивались протоны и антипротоны лоб в лоб, встречные пучки. Энергия одного пучка была 1 Тэ. В, суммарно, значит, 2 Тэ. Ва. И им не хватило энергии и светимости для того, чтобы обнаружить бозон Хиггса, хотя некоторые указания они тоже получили. Эта машина закончила работать в прошлом году, и связано это, в первую очередь, с тем, что заработал Большой адронный коллайдер. Что же это такое – Большой адронный коллайдер? Это протонный коллайдер, ускоритель со встречными пучками. Каждый из пучков протонов в проекте должен иметь энергию 7 Тэ. В. Значит суммарная энергия двух протонов – это 14 Тэ. В, в 7 раз больше, чем в Фермилабе, но начал он работать в 2010 году при половинной энергии. В 2011 году он проработал на этой энергии, а в 2012 он работает на энергии 4 на 4 Тэ. В, суммарная энергия 8 Тэ. В.

Большой адронный коллайдер (LHC) ускоряет два пучка протонов один навстречу другому (может также работать и как тяжелоионный коллайдер). Проектная энергия протонов в каждом из пучков составляет 7 Тэ. В, так что полная энергия столкновения — 14 Тэ. В. В 2011 году коллайдер работал на половине этой энергии, а в 2012 году — на полной энергии 8 Тэ. В. Большой адронный коллайдер представляет собой кольцо длиной 27 км, в котором протоны ускоряют электрические поля, а удерживают поля, которые создают 1600 сверхпроводящих магнита. Магниты охлаждают 96 тонн жидкого гелия при температуре 1, 9 К. Столкновения протонов происходят в четырёх местах, где расположены детекторы, регистрирующие частицы, рождающиеся в столкновениях. ATLAS и CMS предназначены для исследований в области физики элементарных частиц высокой энергии; LHC b — для изучения частиц, в составе которых имеются b кварки, а ALICE — для исследований горячей и плотной кварк глюонной материи.

Большой адронный коллайдер Завершая разговор о Большом адронном коллайдере, нужно сказать, что у него была тяжелая судьба. Начали его разрабатывать аж в 1984 году. Такой сегодня масштаб предприятия физики элементарных частиц. Официальное начало работы над проектом Большого адронного коллайдера – это 84 год. В 94 ом году было принято решение о том, чтобы этот коллайдер строить, и планируемый запуск – 2005 год. В 2001 году в ЦЕРНе произошел локальный финансовый кризис, когда выяснилось, что стоимость Большого адронного коллайдера сильно недооценена. Я бывал в ЦЕРНе в это время. Там на спичках экономили, ручку нельзя было раздобыть, потому что они считали, что все деньги, которые у них есть, надо использовать на затыкание этой финансовой дыры. Тем не менее, этот финансовый кризис удалось разрешить за счет сдвига начала работ, тогда планировали в 2007 году. Но случился ряд аварий. В 2007 году была авария в криогенной системе, в 2008 году наконец то появились первые протоны в кольце, а в сентябре 2008 года произошла крупная авария – взрыв из за того, что жидкий гелий вышел через дырку наружу, превратился в газ. Был большой взрыв, большая авария, и запуск снова сдвинулся на 2009 год. Чтобы предотвратить такие аварии в будущем, было принято решение о том, чтобы снизить магнитное поле в этих магнитах, и энергия протонов на первом этапе должна составлять половину планируемой энергии Большого адронного коллайдера. В 2009 году наконец произошли первые столкновения протонов. 2010 год был годом выхода на параметры, а в 2011 году уже пошел набор данных при энергии 3, 5 на 3, 5 – 7 Тэ. В в сумме. И в конце 2011 года уже появились некие указания на то, что новая частица – бозон Хиггса – вроде бы начинает проявляться. Было это в декабре 2011 года. Это было не очень громко, потому что тогда достоверность этих указаний была невысока, но, тем не менее, люди уже начали привыкать к мысли о том, что бозон Хиггса тут и есть.

Большой адронный коллайдер Ну и, наконец, кто открыл? Понятно, что такие сооружения создают, эксплуатируют, обрабатывают данные большие команды. Команда АТЛАС – около 3, 5 тысяч физиков. CMS – 3 тысячи физиков, не говоря об инженерах, техниках и т. д. Это люди, которые реально занимаются физикой. Российских физиков около двухсот в АТЛАСе и 150 в CMS – это вполне солидная цифра, учитывая, что там есть физики отовсюду – от Америки до Японии. Конечно, и из Европы и других стран. Интересно социологически, что эти коллаборации – самоуправляемые организации. Они сами себе выбирают лидера, находят правильную структуру, лидеров группы, подгруппы, встречи – это все в руках самой команды. Никто им сверху не говорит, как это надо делать. Удивительно, что справляются. Физики вроде бы в представлении публики народ безалаберный. Оказывается, ничего подобного. Они способны самоорганизовываться, причем так, что машины, детекторы работают лучше, чем ожидалось.

Большой адронный коллайдер

Раньше думали, что протоны и нейтроны – это элементарные частицы. Оказывается, нет, они состоят из кварков. Из этих кварков первого поколения u и d кварков – протоны и нейтроны и состоят. Есть аналоги электрона, более тяжелые – мюон, тау лептон, соответствующие нейтрино и более тяжелые кварки. Вот такие три семейства очень похожих друг на друга частиц, за исключением того, что у них между собой сильно различаются массы. Все эти частицы имеют, конечно, античастицы. Позитрон – наиболее известный из них. Но есть и антинейтрино и антикварки. Это один сектор Стандартной модели. Второй сектор Стандартной модели – это частицы, которые обеспечивают взаимодействие. Самое известное из них – электромагнитное взаимодействие (электричество и магнетизм в школе проходили). Им соответствует фотон. Есть другие частицы, отвечающие за взаимодействия, и мы особенно подробно будем говорить про W и Z бозоны – частицы открыты давно, с известными свойствами, они в разговоре про бозон Хиггса очень по существу. Должен быть гравитон. Конечно, гравитона никто не видел, экспериментально не обнаружил, но сомнений, что такая частица должна существовать, нет. Ну и, наконец, третий сектор – это сектор, связанный с бозоном Хиггса. До последнего времени это было единственное недостающее звено в Стандартной модели. Что такое хиггсовский бозон? Сначала должен напомнить, что такое бозон. Немножечко огрубляя ситуацию, но по другому не получается. Надо сказать, что все элементарные частицы и не только элементарные, но и протоны, и ядра – все они имеют внутреннее вращение. Они, немножко огрубляя, выглядят как волчки. У них есть угловой момент, они закручены. В квантовой теории этот угловой момент носит название спина, и он бывает целый или полуцелый, если выражать его через постоянную Планка. Это такой квантовый эффект, спин не бывает, скажем, 2/3 постоянной Планка. Он всегда либо 1/2, либо 1, либо 0. В принципе может быть 3/2, 2 и так далее. И вот в зависимости от того, полуцелый спин или целый, частицы носят свои названия. У фермионов полуцелый спин, у бозонов целый, а хиггсовский бозон – это бозон, у него должен быть целый спин. На самом деле, по теории – этот спин равен нулю. Надо сказать, что бозоны и фермионы очень сильно отличаются друг от друга по своим свойствам. Для фермионов работает принцип Паули, который говорит, что на одном уровне в атоме может сидеть ровно один электрон, если задать его направление спина. Ну а поскольку спин у электрона может быть вверх или вниз, значит, два электрона могут оказаться на одном уровне, и отсюда вся химия. Вся химия связана с тем, что электроны – это фермионы. Если бы они были бозонами, то была бы совершенно другая химия, а может быть и совсем никакой химии бы и не было.

Для бозонов наоборот: принцип Паули не работает, и бозоны в отличие от фермионов ассоциируются с классическими полями. Например, электромагнитные волны, электромагнитные поля – это набор многих фотонов. Мы как то привыкли к электромагнитному излучению, которое существует здесь вокруг нас. На самом деле, это набор фотонов, причем их очень много в одном и том же состоянии, и из за этого электромагнитные волны выглядят как классические волны. Так что разница между бозонами и фермионами большая. Говоря про бозоны… За взаимодействие отвечают известные бозоны. Фотоны отвечают за электромагнитное взаимодействие. Глюоны, которые я тоже упоминал, отвечают за силы между кварками. Кварки настолько сильно связаны между собой путем взаимодействия с этими глюонами, что они сидят внутри протона и никогда из этого протона не выскакивают. Их в свободном состоянии не бывает. Так вот, в Стандартной модели есть еще одно поле, которое я бы назвал полем Энглера Браута Хиггса (я скажу, почему тут тройное название). Его главная задача – это обеспечить массы всем элементарным частицам, имея в виду электроны, другие лептоны, кварки, и W , Z бозоны – они все получают массы благодаря тому, что в природе есть такое поле. Это, конечно, особое свойство, и бозон Хиггса – это квант такого нового поля. Его открытие должно привести нас к представлению о том, какой механизм обеспечивает массы всем нашим элементарным частицам.

В теории спин бозона Хиггса должен быть равен нулю, и я попытаюсь пояснить, почему так оно и есть. Что сейчас известно про бозон Хиггса? Он – тяжелый. В физике элементарных частиц принятая единица измерения энергии – гигаэлектронвольт. Неважно, что это такое. Важно что, вспоминая, что E=mc², можно мерить массу в энергетических единицах, считая, что c (скорость света) равна единице. Тогда масса и энергия – это одно и то же, и один Гэ. В – это приблизительно масса протона. Мы будем говорить и о Тэ. Вах – это, соответственно, тысяча Гэ. В, энергии в тысячу раз больше. Что значит тяжелая частица? Наиболее тяжелая известная на сегодня частица – это t кварк, один из тех кварков, которые я показывал. Его масса – 172 Гэ. В, то есть он в 172 раза тяжелее, чем протон. Такие бывают тяжелые частицы. А масса новой частицы (ее принято обозначать буквой h от слова Хиггс) около 125 Гэ. В. Точность измерения массы сегодня пока не очень высокая – 125 126 Гэ. В. Эта частица – вторая по тяжести среди элементарных частиц. Из за того, что её масса очень большая, и понадобился Большой адронный коллайдер для открытия этой частицы. Об этом мы еще скажем несколько слов.

Открыли хиггсовский бозон, изучая распады бозона Хиггса на два фотона и распады бозона Хиггса на 4 частицы: либо две пары электрон позитрон, либо пары электрон позитрон плюс мюон антимюон, либо четыре мюона. Это редкие процессы. Предсказывается, что из тысячи распадов бозона Хиггса происходит всего два на 2 фотона, ну а процессы рождения четырех легких частиц – электронов или мюонов вообще очень редки: должен происходить один такой распад из десяти тысяч. Но другие распады гораздо труднее обнаружить экспериментально. Характерный пример – это распад бозона Хиггса на два фотона. Если на него повнимательнее посмотреть и воспользоваться законом сохранения энергии, законом сохранения импульса, то выясняется, что некая комбинация импульсов разлетающихся фотонов и угла разлета этих фотонов должна быть в точности равна массе этого бозона Хиггса. Опять же считаем, что с (скорость света) =1. Конечно, на Большом адронном коллайдере происходит рождение фотонных пар и без всякого бозона Хиггса. Есть множество процессов, которые приводят к такому рождению, но ожидается, что таких фотонных пар, для которых эта комбинация импульсов и углов равна массе бозона Хиггса, должно быть больше, чем любых других. Это и видно. Вот эта картинка, которую приводит коллаборация CMS, показывает, что у вас есть избыток фотонных пар. Отложено число событий как функция кинематической переменной и видно, что есть избыток. Такого типа наблюдения в физике элементарных частиц, такие графики – это и есть открытие новой частицы Почему это бозон? Это сразу следует из того, что имеется распад на два фотона. Из сохранения углового момента следует, что у этой частицы должен быть целый спин, потому что у фотона спин целый и суммарный угловой момент фотонной пары тоже целый, значит, суммарный спин у этого бозона Хиггса должен быть целым и равен он либо нулю, либо двойке в единицах постоянной Планка. Он не может быть равен единице, это известная теорема Ландау: частица со спином единица не может распадаться на два фотона В принципе разрешен, конечно, спин двойка, тройка, четверка или больше, но это крайне маловероятно. Скорее всего, спин новой частицы, действительно, равен нулю и это то, что предсказывается теорией. Так что в этом месте согласие с теорией есть. Ожидается, что спин бозона Хиггса будет рано или поздно на Большом адронном коллайдере прямо измерен, но у теоретиков нет сомнений, что он равен нулю.

Почему не открыли раньше? Опять надо вспомнить, что E=mc², это факт жизни и это означает, что для того, чтобы рождать новую частицу, нужно иметь достаточно большие запасы энергии. Нужно сталкивать частицы с большой энергией, тогда у вас может родиться тяжелая частица, это понятно. Кроме энергии играет роль и интенсивность пучков. Почему? Потому что в квантовой физике есть еще одно фундаментальное соотношение – соотношение Гейзенберга, которое связывает импульс и координату. Если у вас есть характерные масштабы расстояний или характерные масштабы импульсов или энергий (при высоких энергиях это одно и то же), то характерный масштаб энергии E соответствует характерному масштабу расстояний, маленькому, обратно пропорциональному этой энергии. Например, энергии 100 Гэ. В как раз и соответствует длина 10 в минус 16 й сантиметра. Понятно, что взаимодействие на маленьких расстояниях происходит с маленькой вероятностью. У вас размер R² (площадь) и вам надо попасть в эту площадь для того, чтобы произошел интересующий вас процесс. Поэтому есть такая цепочка соотношений, что если у вас есть энергия, то вы можете образовывать частицы с массой порядка этой энергии, но все это происходит на расстояниях, обратно пропорциональных энергии, и интенсивность взаимодействия обратно пропорциональна квадрату энергии. Отсюда следует, что если вы хотите открывать новые частицы и новые взаимодействия на сверхмалых расстояниях, то вам нужно перешибить малую интенсивность взаимодействия. Вам нужно иметь большие интенсивности пучков, вам нужно иметь много столкновений. В физике используется термин «светимость» – интенсивность пучков. До Большого адронного коллайдера максимальная энергия столкновений была достигнута в США на Тэватроне – это коллайдер протон антипротонный, где сталкивались протоны и антипротоны лоб в лоб, встречные пучки. Энергия одного пучка была 1 Тэ. В, суммарно, значит, 2 Тэ. Ва. И им не хватило энергии и светимости для того, чтобы обнаружить бозон Хиггса, хотя некоторые указания они тоже получили, я о них скажу пару слов. Эта машина закончила работать в прошлом году, и связано это, в первую очередь, с тем, что заработал Большой адронный коллайдер. Что же это такое – Большой адронный коллайдер? Это протонный коллайдер, ускоритель со встречными пучками. Каждый из пучков протонов в проекте должен иметь энергию 7 Тэ. В. Значит суммарная энергия двух протонов – это 14 Тэ. В, в 7 раз больше, чем в Фермилабе, но начал он работать в 2010 году при половинной энергии. В 2011 году он проработал на этой энергии, а в 2012 он работает на энергии 4 на 4 Тэ. В, суммарная энергия 8 Тэ. В.