Элементарные частицы
advertisement
ТЕМА 13. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ 13.1. Уровни элементарных частиц Физические системы и процессы, в них протекающие, можно классифицировать по различным признакам. Один из них – характерные масштабы, т.е. типичные размеры исследуемых объектов и расстояния между ними. Тела, окружающие нас в повседневной жизни, обладают «обычными» размерами и составляют макромир, изучаемый классической физикой. В том случае, когда характерные масштабы очень велики, порядка миллионов световых лет, речь идет о мегамире, который исследуется астрофизикой и космологией. Если же характерные масштабы не превышают 10-8 м, то физические системы относятся к области микромира, законы которого устанавливаются квантовой физикой. Далее мы рассмотрим уровни микромира, т.е. уровни строения вещества, известные в настоящее время. В девятнадцатом веке было окончательно установлено, что вещество состоит из атомов и молекул. В соответствии с этим выделяется первый уровень микромира (атомно-молекулярный) с характерным масштабом 10-10…10-8 м. Опыты по рассеянию альфачастиц позволили Резерфорду в 1911 г. установить, что в состав атома с порядковым номером Z входит массивное ядро с положительным зарядом Ze ( e 1,6 10 19 Кл - элементарный заряд). Атомные ядра относительно устойчивы и определяют химическую индивидуальность элементов. Они составляют следующий – ядерный уровень микромира, для которого характерны масштабы 10-15…10-14 м. Ядро атома с порядковым номером Z и массовым числом A содержит Z протонов и A Z нейтронов. Протоны и нейтроны объединяются общим названием «нуклоны»; они являются представителями целого класса микрообъектов – класса адронов. Атомное ядро окружено сравнительно рыхлой и легко перестраиваемой оболочкой из Z электронов. Именно электронные оболочки ответственны за химические и многие физические свойства вещества. Это обусловлено тем, что электроны могут сравнительно легко теряться атомом или присоединяться к нему, образуя положительно и отрицательно заряженные ионы. Кроме того, в составе атома они могут переходить с одного энергетического уровня на другой, в результате чего атом будет испускать или поглощать квант электромагнитного излучения – фотон. Электрон входит в класс лептонов, который содержит и другие частицы. В классической физике считается, что электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля, в квантовой электродинамике оно рассматривается как результат обмена заряженных частиц виртуальными фотонами. В связи с этим фотон 1 является представителем еще одного класса микрообъектов – переносчиков взаимодействия. В этот класс входят и другие частицы, которые служат переносчиками других фундаментальных взаимодействий (сильного, слабого и гравитационного). Сравнительно недавно нуклоны, электроны и фотоны рассматривались на одном и том же уровне микромира и назывались элементарными частицами. Однако постепенно выяснилось, что протон и нейтрон, как и все адроны, являются составными микрообъектами. Они построены из некоторых более мелких частиц, относящихся к классу кварков. В настоящее время, по традиции, продолжают говорить об элементарных частицах, включая сюда адроны, лептоны, переносчики взаимодействий и кварки. При этом игнорируется то обстоятельство, что многие из них фактически не являются элементарными, т.е. неделимыми. Согласно современным представлениям, ранее единый уровень элементарных частиц на самом деле оказывается расщепленным на два уровня. На верхнем из них (адронном) расположены составные частицы, в том числе нейтрон и протон. Нижний уровень – это уровень истинно элементарных частиц, часто называемых фундаментальными частицами. Именно на нем находятся электроны (лептоны), фотон (переносчики взаимодействий) и кварки. Существуют ли еще более глубокие уровни строения материи – в настоящее время неизвестно; определенный ответ на этот важнейший вопрос может быть получен только в ходе экспериментов. Из соотношения неопределенностей rp h / 2 следует, что для выявления деталей структуры частицы размером порядка r ее импульс должен иметь величину порядка h / 2r , т.е. энергия частицы должна быть очень большой. Пучки заряженных частиц с высокой энергией, необходимые для постановки соответствующих экспериментов, формируются ускорителями. Максимальные значения энергии, достигнутые в настоящее время, составляют примерно 1012 эВ; это соответствует частицам, размеры которых порядка 10-19 м. Этого еще недостаточно для выявления структуры электрона, однако в настоящее время проектируются и строятся новые, более мощные ускорители. С их помощью можно будет еще глубже проникнуть в строение материи и выяснить, столь ли фундаментальны на самом деле т.н. фундаментальные частицы, например – обладает электрон какой-то структурой или не обладает. 12.2. Общие свойства элементарных частиц В настоящее время общее количество известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Пока мы встречались только с электроном ( e ), позитроном ( e ), протоном ( p ), нейтроном ( n ), фотоном ( ), электронным нейтрино ( e ) и электронным 2 ~ антинейтрино ( e ). Эти частицы стабильны (за исключением нейтрона); они существую в свободном или в связанном состоянии. Почти все остальные частицы крайне нестабильны; они входят в состав космического излучения или получаются в ускорителях. Быстро распадаясь, они превращаются в конечном счете в стабильные частицы. Для описания свойств элементарных частиц используется ряд физических величин; наиболее распространенными являются масса, среднее время жизни, электрический заряд и спиновые моменты. Массу частиц принято выражать в энергетических единицах (МэВ или ГэВ) в соответствии с формулой Эйнштейна W0 mc 2 . Иначе говоря, вместо массы частицы, выраженной в килограммах, приводится ее энергия покоя. Например, m 0 , me 0,51 МэВ, mP = 938,3 МэВ и т.п. Наиболее массивная среди известных в настоящее время частиц (промежуточный бозон) почти в сто раз тяжелее протона. Среднее время жизни ( ) служит мерой стабильности частицы и выражается в секундах. Электрон, протон, фотон и нейтрино считаются абсолютно стабильными, во всяком случае их распад пока не зарегистрирован. Нейтрон – квазистабильная частица; его среднее время жизни составляет около 20 мин.Существуют группы частиц со средним временем жизни порядка 10-6, 10-8, 10-10, 10-13 с. У наиболее короткоживущих частиц (резонансов) среднее время жизни составляет 10-24…10-23 с. Спиновый момент импульса – это собственный момент импульса частицы (в собственной системе отсчета). Он не имеет классического аналога, т.е. элементарную частицу нельзя представить себе в виде вращающегося шарика. Величина спинового момента импульса частицы определяется его спиновым квантовым числом s : M S (h / 2 ) s(s 1) . Спиновое квантовое число принимает только целые либо полуцелые значения. Например, у электрона, протона и нейтрона s 1/ 2 , у фотона s 1 . Известны частицы со спиновым числом от 1 до 6. Значения s однозначно определяют тип статистики, которой подчиняются те или иные частицы. Все микрочастицы с нулевым и целым спиновым числом подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, поэтому они объединяются общим названием «бозоны». Все частицы с полуцелым спиновым числом подчиняются статистике Ферми-Дирака, поэтому их называют фермионами. Собственный магнитный момент Pms (спиновый магнитный момент) характеризует способность частицы взаимодействовать с магнитным полем и выражается в единицах соответствующих магнетонов 0 eh / 4m . Если m me , 0 – это магнетон Бора ( Á ), выражающий магнитный момент электрона. Если же m m p , 0 – это ядерный магнетон ( ß ). Для фотона и нейтрино Pms 0 ; для электрона, протона и нейтрона соответствующие значения спинового магнитного 3 момента равны Á , 2,79 ß , -1,91 ß . Векторы спиновых моментов импульса и магнитного момента коллинеарны, т.е. они могут быть сонаправлены либо направлены в противоположные стороны. Электрический заряд характеризует способность частицы участвовать в электромагнитном взаимодействии и выражается в единицах элементарного заряда. Для всех частиц, существующих в свободном состоянии, заряд имеет целочисленные значения – обычно 0 или 1 , для некоторых резонансов 2 . Правило квантования электрического заряда выполняется с огромной точностью; согласно результатам последних измерений, q p qn 10 21 e , qn 10 21 e . Исследования показывают, что практически у каждой элементарной частицы есть античастица; их существование предсказал П.Дирак в 1930 г. Из теории следует, что масса, среднее время жизни и спиновый момент импульса частицы и ее античастицы должны быть одинаковы, и это с огромной точностью подтверждается на опыте. Остальные характеристики, в том числе электрический заряд и спиновый магнитный момент, у частицы и античастицы равны по модулю, но противоположны по знаку. Первая античастица – позитрон – была зарегистрирована в 1932 г. в космических лучах. Часто позитроны образуются совместно с электронами при столкновении гамма-квантов с заряженными частицами: X X e e . Частица X (обычно атомное ядро) необходима для того, чтобы в этой реакции выполнялся закон сохранения импульса. Понятно, что именно этот закон запрещает самопроизвольный (в отсутствие частицы X ) распад фотона на электрон и позитрон. Сталкиваясь друг с другом, электрон и позитрон аннигилируют, порождая обычно два (реже три) гамма-кванта: e e 2 . 12.3. Основные типы элементарных частиц В 1932 году были известны лишь электрон, фотон, протон и нейтрон. Кроме того, В. Паули высказал гипотезу о существовании нейтрино. На первый взгляд, и этих немногих частиц почти хватало для создания довольно стройной картины строения материи. Действительно, вещество состоит, вообще говоря, из молекул, молекулы – из атомов, всякий атом представляет собой ядро, окруженное электронной оболочкой. В состав ядра входят протоны и нейтроны, процессы перестройки электронной оболочки сопровождаются испусканием и поглощением фотонов. Необходимость введения нейтрино диктовалась законами сохранения энергии и импульса в процессах -распада атомных ядер. Невыясненной оставалась лишь природа ядерных сил, связывающих протоны и нейтроны. 4 В 1934 г. российские физики Тамм и Иваненко предположили, что ядерное (сильное) взаимодействие имеет обменную природу: один из нуклонов испускает какую-то частицу, которая поглощается вторым нуклоном. Аналогично второй нуклон испускает такую же частицу, поглощаемую первым нуклоном. Вскоре японский физик Юкава показал, что масса этих частиц должна быть примерно в 200…300 раз больше массы электрона и, соответственно, в 10 раз меньше массы протона. Именно поэтому они были названы мезонами (mesos в переводе с греческого – средний). В 1937 г. в космическом излучении были зарегистрированы заряженные частицы с массой примерно в 200 электронных масс, которые на первых порах отождествлялись с гипотетическими мезонами Юкавы. Впоследствии оказалось, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с атомными ядрами, и поэтому не могут быть переносчиками взаимодействий между нуклонами. Эти частицы по своим свойствам весьма похожи на электрон, поэтому их стали называть мюонами ( ). Кроме отрицательно заряженного мюона существует и его античастица - положительный мюон ( ) . Мюоны – нестабильные частицы со средним временем жизни около 1 мкс; они распадаются по следующим схемам: ~ ~ e e , e e ~ (здесь и - мюонное нейтрино и антинейтрино; их существование было установлено в 1962 г.). Настоящими переносчиками сильного взаимодействия оказались -мезоны (пионы), обнаруженные в конце 40-х годов в космических лучах. Положительно заряженные ( ) и отрицательно заряженные ( ) пионы – античастицы; они нестабильны со средним временем жизни около 10 нс и распадаются по следующим схемам: ~ , . Незаряженный пион ( 0 ) менее стабилен и распадается примерно за 1016 с на два гамма-кванта. В пятидесятые годы прошлого столетия на ускорителях и в космическом излучении была зарегистрирована довольно большая группа новых частиц: K -мезоны ( K , K 0 ), названные каонами, лямбдагиперон (Λ0), сигма-гипероны ( , 0 , ), кси-гипероны ( , 0 ), омегагиперон ( ). Массы всех гиперонов больше массы протона, именно поэтому они получили такое название. Следует отметить, что существование K -мезонов и гиперонов было большой неожиданностью для физиков. Кроме того, их поведение было весьма необычным: они рождались всегда парами и очень быстро (за время порядка 10 -23 с), а распадались по одиночке сравнительно медленно, примерно в течение 10 нс. Поэтому K -мезоны и все гипероны стали называться странными частицами. 5 В шестидесятые годы было открыто более сотни короткоживущих частиц со средним временем жизни примерно 10-24…10-23 с. Длина их пробега за такой промежуток времени составляет около 10-15 м, поэтому их невозможно зарегистрировать с помощью обычных приборов, применяемых в ядерной физике. Эти частицы идентифицируются либо по продуктам их распада, либо по характерным пикам на графиках зависимости сечения рассеяния от энергии; именно поэтому такие частицы называются резонансами. Несмотря на чрезвычайно малое время жизни, резонансы – это реально существующие частицы, обладающие определенной массой, электрическим зарядом, спиновыми моментами и прочими характеристиками. Они составляют самый многочисленный класс элементарных частиц. В 1974 г. были обнаружены массивные (втрое тяжелее протона) относительно устойчивые (среднее время жизни около 10 -20 с) резонансы, получившие название джи-пси-мезоны ( J / -мезоны). Они образовали новую группу «очарованных» частиц. В 1977 г. были зарегистрированы мезоны с массой, более чем в десять раз превышающей массу протона. Они послужили родоначальниками новой группы т.н. «прелестных» частиц. Наконец, в 1983 г. были обнаружены промежуточные бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Их масса примерно в 100 раз больше массы протона, среднее время жизни – около 10-25 с. Это самые массивные и нестабильные элементарные частицы. Предсказывается также существование совершенно нового семейства т.н. «истинных» частиц и еще более экзотических объектов, например – монополя Дирака, обладающего магнитным зарядом. 12.4. Методы регистрации Приборы, применяемые для регистрации элементарных частиц (иногда их называют детекторами), делятся на две группы. Первую группу образуют т.н. регистрирующие устройства, которые фиксируют факт пролета частицы и в некоторых случаях позволяют судить об их энергии. Ко второй группе относятся т.н. трековые приборы, фиксирующие траекторию движения частицы. Действие приборов обеих групп основано на том, что заряженные частицы ионизируют атомы и молекулы среды, в которой они движутся. Нейтральные частицы не оказывают ионизирующего действия, однако они обнаруживают себя в момент распада на заряженные фрагменты. Их можно зарегистрировать также по заряженным частицам, которые возникают в результате их взаимодействия с атомами и молекулами вещества. В число регистрирующих устройств входят ионизационные приборы (ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера, полупроводниковые детекторы), стинцилляционные счетчики и счетчики Черенкова. 6 Ионизационная камера представляет собой воздушный или газонаполненный электрический конденсатор, на электроды которого подана разность потенциалов. При попадании ионизирующих частиц в пространство между электродами там образуются электроны и ионы газа; перемещаясь в электрическом поле, они фиксируются регистрирующей аппаратурой. Наиболее простой является ионизационная камера с параллельными плоскими электродами (дисками); диаметр дисков в несколько раз превышает расстояние между ними. В цилиндрической камере электроды представляют собой два коаксиальных цилиндра, один из которых заземлен и служит корпусом. Соответственно сферическая ионизационная камера состоит из двух концентрических сфер (иногда внутренний электрод – просто стержень). В зависимости от режима работы различают токовые и импульсные камеры. В токовых камерах измеряется сила тока, создаваемого ионами и электронами (рис. 12.1,а). а) б) камера I A O U Рис. 12.1 Соответствующая вольт-амперная характеристика, изображенная на рис. 12.1,б, имеет горизонтальный участок, где ток не зависит от напряжения между электродами; это соответствует собиранию на электродах камеры всех образующихся ионов и электронов. Токовые ионизационные камеры, работающие в таком режиме, дают сведения об общем количестве пар заряженных частиц, образующихся за 1 с. В импульсных ионизационных камерах регистрируются и измеряются импульсы напряжения, которые возникают на резисторе при протекании по нему ионизационного тока, вызванного попаданием в камеру отдельной частицы (рис. 12.2). Амплитуду и длительность импульса можно регулировать, изменяя величины R и C . Если камера работает в режиме насыщения (все заряженные частицы достигают электродов), амплитуда импульса пропорциональна энергии, теряемой частицей. Обычно объектами исследований в импульсных камерах являются сильно ионизирующие короткопробежные частицы, способные полностью затормозиться в межэлектродном пространстве. В 7 этом случае величина импульса напряжения пропорциональна полной энергии частицы. камера C R V Рис. 12.2 Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера. Серьезным недостатком импульсных ионизационных камер является малый ток, создаваемый в них ионизирующими частицами. Он настолько мал, что для его измерения необходимы электронные усилители с большим коэффициентом усиления. Если же значительно увеличить разность потенциалов на электродах камеры, то электроны, возникающие при первичной ионизации, будут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приведет к увеличению амплитуды импульса напряжения (сигнала). Детекторы, работающие в таком режиме, называются пропорциональными счетчиками, поскольку амплитуда выходного сигнала пропорциональна количеству первоначально возникших электронов. Число вторичных пар, создаваемых в среднем каждым первичным электроном, зависит от напряженности электрического поля. В плоскопараллельной камере, где электрическое поле однородно, трудно достичь большой напряженности, необходимой для вторичной ионизации. Если же анод камеры представляет тонкую проводящую нить, а катод – коаксиальный цилиндр, напряженность поля возрастает по мере приближения к аноду, что значительно упрощает получение необходимого значения напряженности. В таких камерах возможно усиление сигнала в тысячи раз. Вместе с тем усиление сигнала за счет повышения напряжения на камере не может быть сколь угодно большим, поскольку начиная с некоторого значения напряжения уровень сигнала уже не пропорционален числу первичных электронов. Прибор, работающий в таком «непропорциональном» режиме, называется счетчиком Гейгера. Полупроводниковый детектор представляет собой диод, на который подано запирающее напряжение. Пролетая через двойной электрический слой p n перехода, заряженная частица ионизирует атомы полупроводникового кристалла. Возникающие при этом электроны и 8 дырки (неосновные носители тока) проникают через p n переход, вызывая импульс тока. Один из широко распространенных детекторов (поверхностно-барьерный) изготавливается путем нанесения тонкого слоя золота на кристалл кремния или германия. Детектор имеет форму круглой пластины диаметром около 1 см; толщина p n перехода в нем менее 1 мм. Такие устройства применяются для измерения полной энергии сильно ионизирующих частиц. Благодаря большому сигналу, соответствующему ионизации среды одной частицей, полупроводниковые детекторы измеряют ее энергию точнее других приборов. Небольшие размеры и простота в обращении делают их незаменимыми для исследований в космосе. Литий-дрейфовый детектор изготавливается методом имплантации ионов лития в германий или кремний. В таких приборах толщина p n перехода достигает нескольких сантиметров; они применяются для регистрации частиц с большими энергиями, а также рентгеновского и гамма-излучения, сравнительно слабо взаимодействующих с веществом. Стинцилляционные счетчики. Стинцилляцией называется испускание света некоторыми веществами при прохождении через них быстрых заряженных частиц. При этом энергия света может достигать 5-10% всей энергии, теряемой частицей. Действие стинцилляционных счетчиков основано на регистрации света, испускаемого веществом. В современных приборах такого типа для регистрации используются т.н. фотоэлектронные умножители, преобразующие световую вспышку в электрический сигнал и одновременно усиливающие его. В связи с этим возникает проблема сбора света на умножителе, обусловленная резонансным поглощением рабочей средой счетчика. Для того чтобы минимизировать такого рода потери световой энергии, в рабочее вещество вводятся специальные примеси, называемые активаторами. Атомы примесей поглощают свет стинцилляций и излучают его на другой, обычно меньшей частоте, что позволяет устранить резонансное поглощение. Из числа неорганических кристаллов в качестве рабочего вещества обычно используются иодиды натрия и цезия; успешно применяются также активированные пластмассы и органические жидкости. Стинцилляционные счетчики имеют ряд преимуществ перед другими детекторами заряженных частиц. В частности, твердые и жидкие стинцилляционные материалы в тысячи раз плотнее газов, используемых в ионизационных приборах. Соответственно этому значительно возрастают потери энергии ионизирующей частицы на единицу длины и уровень сигнала. Длительность сигнала на выходе стинцилляционного счетчика может быть не более 1 нс, тогда как от ионизационной камеры в лучшем случае можно получить сигнал длительностью не короче 0,1 мкс. Это особенно существенно в том случае, когда стинцилляционные счетчики используются для 9 исследования пучков частиц в ускорителях. Обычно такие пучки состоят из множества различных частиц; для того чтобы выделить нужные частицы, необходимо высокое временное разрешение регистрирующей системы. Иначе говоря, необходимо по возможности минимальное время отклика системы регистрации на различные частицы. Используя в качестве стинцилляционных материалов легкодоступные органические пластмассы и жидкости, можно изготавливать счетчики практически любых размеров и форм. Это особенно существенно в экспериментах с космическими лучами, где поток частиц крайне невелик и поэтому для их обнаружения изготавливаются гигантские регистрирующие системы, содержащие тонны чувствительных материалов. Столь огромное количество вещества используется также для регистрации нейтрино и прочих незаряженных частиц, вероятность взаимодействия которых с веществом весьма мала. Черенковский счетчик представляет собой детектор, внешне сходный со стинцилляционным прибором. Он регистрирует т.н. черенковское излучение (излучение Вавилова-Черенкова) - свечение, испускаемое заряженной частицей, если она движется со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде. Следует подчеркнуть, что это явление не противоречит постулату СТО, согласно которому скорость частицы в любой среде не может превышать скорость света в вакууме. Оно аналогично ударной волне, возникающей в воздухе, когда, например, снаряд или самолет летит со скоростью, большей скорости звуковой волны. Как известно, в любой оптически прозрачной среде фазовая скорость света равна c / n , где n - показатель преломления. Поэтому черенковский счетчик, рабочее вещество которого имеет показатель преломления n , будет реагировать на частицы, скорость которых больше c / n . Интенсивность свечения пропорциональна величине 2 1 c / n , которая равна нулю при пороговой скорости c / n и быстро возрастает до максимального значения, когда скорость частицы приближается к c . Еще одна особенность излучения ВавиловаЧеренкова состоит в том, что оно сосредоточено в переднем конусе относительно направления движения частицы; угол при вершине конуса определяется равенством cos c / n . Используя эту зависимость, можно сконструировать счетчик, который будет реагировать на частицы, движущиеся с определенной скоростью. Световая вспышка черенковского излучения по интенсивности примерно в 100 раз слабее стинцилляций. Поэтому при выборе рабочего вещества приходится ограничиваться материалами, в которых не возникает стинцилляций (обычно это вода или оргстекло). Для регистрации частиц со скоростями, приближающимися к c , используются газы, показатель преломления которых близок к 10 единице. Например, черенковский счетчик с воздухом при нормальном атмосферном давлении будет реагировать лишь на частицы со скоростями не менее 0,9997c . Детекторы нейтронов и гамма-квантов. Ионизационные приборы, стинцилляционные и черенковские счетчики непосредственно реагируют только на заряженные частицы. Нейтральные частицы, например – нейтроны и гамма-кванты, должны вначале как-то подействовать на вещество с тем, чтобы возникли заряженные частицы, которые зарегистрирует счетчик. При взаимодействии гамма-излучения с веществом возникают электроны за счет внешнего фотоэффекта, комптон-эффекта и в результате рождения электронно-позитронных пар. Главная задача при регистрации гамма-квантов состоит в том, чтобы найти вещество, которое хорошо поглощало бы их и при этом было бы чувствительно к испускаемым электронам. Ионизационные камеры имеют слабую чувствительность к гамма-квантам из-за низкой плотности газового наполнения, хотя небольшое количество электронов все же возникает за счет взаимодействия гамма-излучения со стенками камеры. Наиболее подходящими приборами для регистрации гамма-квантов и измерения их энергии оказались стинцилляционные счетчики с кристаллами высокой плотности. Сравнительно небольшие кристаллы иодида натрия обеспечивают почти 100% регистрацию гамма-квантов в широком диапазоне энергий. Черенковские счетчики также применяются для регистрации гамма-квантов, особенно в области высоких энергий. При этом в качестве излучающего вещества используется свинцовое стекло и бромоформ. Нейтроны – электронейтральные частицы, поэтому они взаимодействуют с веществом лишь в результате прямых столкновений с ядрами его атомов. При столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон может передать ему всю свою энергию; протон же, как заряженная частица, может быть зарегистрирован обычными методами. Такой процесс, называемый упругим рассеянием, широко используется для регистрации нейтронов с энергиями, превышающими примерно 0,1 МэВ. Благодаря высокому содержанию водорода стинцилляционные пластмассы и жидкости обеспечивают регистрацию протонов с эффективностью 10-20 %. Иногда под действием нейтронов происходят ядерные реакции с испусканием заряженных частиц или гамма-квантов. Некоторые из таких реакций отличаются исключительно высокой вероятностью, особенно при энергиях порядка 1 эВ. Примером может служить реакция с бором, сопровождающаяся испусканием альфачастиц. Поэтому высокую эффективность регистрации нейтронов обеспечивает счетчик Гейгера, наполненный трифторидом бора. Еще один пример такой реакции - деление ядер. В связи с этим для регистрации нейтронов применяются ионизационные камеры, 11 внутренние стенки которых покрыты слоем делящегося вещества, например – урана. В группу трековых приборов входит камера Вильсона, пузырьковая и эмульсионная камеры. Камера Вильсона создана в 1912 г. Дорожка из ионов, проложенная летящей заряженной частицей, становится видимой в камере Вильсона, поскольку именно на ионах происходит в первую очередь конденсация пересыщенных паров какой-либо летучей жидкости. Сравнительно короткое время чувствительности камеры ( 0,1…1 с) чередуется с т.н. мертвым промежутком, в течение которого камера приводится в рабочее состояние ( 2...3 мин.). Пересыщение достигается за счет резкого переохлаждения, вызванного адиабатическим расширением рабочей смеси, состоящей из неконденсирующегося газа и паров летучей жидкости, например – этилового спирта. В этот момент рабочий объем камеры фотографируется; если в этот же момент через камеру пролетает заряженная частица, на фотоснимке получается ее трек. Поместив камеру Вильсона между полюсами электромагнита, ее возможности можно значительно расширить: по искривлению траектории, вызванному действием магнитного поля, удается определить знак заряда частицы, удельный заряд и энергию. В пузырьковой камере, изобретенной в 1952 г, вместо пересыщенных паров используется перегретая жидкость (давление насыщенных паров в мельчайших пузырьках пара внутри жидкости больше внешнего давления). Пролетая через камеру, заряженная частица создает трек из ионизированных атомов и молекул. Именно на них происходит в первую очередь вскипание жидкости, т.е. образование видимых глазом пузырьков пара. Подобно камере Вильсона, пузырьковая камера работает циклами. Прибор приводится в рабочее состояние резким снижением внешнего давления; в результате этого жидкость переходит в перегретое состояние, длительность которого примерно 0,1…1 с. В качестве рабочей среды используется сжиженный водород, пропан и т.п. Эмульсионные камеры. Российские физики Мысовский и Жданов впервые применили для регистрации заряженных частиц фотопластинки. Эти частицы оказывают на фотоэмульсионный слой такое же действие, как и кванты света; поэтому после проявления в эмульсии образуется видимый трек пролетевшей частицы. Недостатком этого метода в начальный период его использования была малая толщина слоя. В эмульсионных камерах облучению подвергаются толстые пачки эмульсионных слоев массой в десятки килограмм и толщиной в десятки сантиметров. После облучения пачки разбираются на слои, каждый из которых проявляется и просматривается под микроскопом. Для того чтобы можно было проследить траекторию частицы при переходе из одного слоя в другой, перед разборкой пачки 12 на все слои наносится с помощью рентгеновского излучения координатная сетка. 12.5. Ускорители заряженных частиц В связи с развитием физики атомного ядра и элементарных частиц возникла необходимость в создании устройств, с помощью которых можно было бы получать в лабораторных условиях направленные пучки заряженных частиц высокой энергии. Такие устройства получили название ускорителей заряженных частиц. Первые ускорители, которые позволяли сообщить электронам и протонам энергию порядка нескольких МэВ, были созданы в начале тридцатых годов. В последующие десятилетия ускорительная техника развивалась бурными темпами: были созданы ускорители различных типов, обеспечивающие энергию частиц до 500 МэВ. В зависимости от формы траектории движения ускоряемой частицы, существующие устройства делятся на линейные и циклические. В первом случае траектория частиц представляет собой прямую линию, во втором случае – окружность или раскручивающуюся спираль. В ускорителях любого типа энергия частицы увеличивается под действием электрического поля. В электростатическом линейном ускорителе заряженная частица проходит через электрическое поле однократно. Если q - заряд частицы, 1 2 - разность потенциалов поля в начале и конце траектории, то энергия, приобретаемая частицей, W q( 1 2 ). Максимальная энергия, достигаемая в линейных ускорителях, составляет не более 15 МэВ. Наиболее мощными современными ускорителями заряженных частиц являются т.н. циклические ускорители. В устройствах такого типа частица многократно проходит через электрическое поле, каждый раз увеличивая свою энергию. Первый циклический ускоритель был построен в 1931 г. в США под руководством Э. Лоуренса и получил название «циклотрон». В работе циклотрона используется то обстоятельство, что период движения нерелятивистской заряженной частицы в магнитном поле не зависит от ее скорости: T 2 B m q (здесь m - масса частицы, q - ее заряд, B - магнитная индукция). Циклотрон состоит из двух полых металлических электродов, называемых дуантами (моделью дуантов может служить плоская круглая жестяная коробка, разрезанная вдоль диаметра на две половинки). Дуанты, между которыми имеется узкая щель, заключены в вакумированную камеру. Она находится между полюсами электромагнита, создающего однородное магнитное поле; линии индукции перпендикулярны плоскости дуантов. С помощью электродов 13 оба дуанта присоединены к клеммам генератора, создающего в щелевом промежутке синусоидальное электрическое поле. Если ввести в щель между дуантами положительно заряженную частицу в тот момент, когда напряженность поля максимальна и вектор E направлен, например, вниз q ~E Рис. 12.3 (рис. 12.3), то под действием поля частица также будет двигаться вниз. Как только она попадает из щели в нижний дуант, ускоряющее действие электрического поля прекращается, поскольку его напряженность в дуанте равна нулю вследствие электростатической индукции. Внутри дуанта частица опишет полуокружность радиуса r m . qB К тому моменту, когда частица, описав полуокружность, вновь попадет в щелевое пространство, направление вектора напряженности изменится на противоположное, и поле вновь будет ускорять частицу. Внутри верхнего дуанта частица опять опишет полуокружность, но уже большего радиуса, соответствующего возросшей скорости. В результате многократного прохождения частицы через щель между дуантами ее кинетическая энергия может достигать очень больших значений. Вместе с тем такой циклический процесс ускорения возможен лишь в том случае, когда движение частицы и изменение направления вектора напряженности в щелевом пространстве происходит синхронно. В противном случае частица, проходя через щель, будет то ускоряться, то замедляться. Иначе говоря, для нормальной работы циклотрона необходимо, чтобы период колебаний электрического поля и период обращения частицы были одинаковы. Выше уже отмечалось, что период обращения нерелятивистской частицы не зависит от скорости; поэтому условие синхронности легко достигается путем изменения магнитной индукции или частоты электрического поля. По мере увеличения скорости частицы до релятивистских значений ее период все же увеличивается: 14 T 2 m qB 1 2 / c 2 . (12.1) Это приводит к нарушению условия синхронности и, казалось бы, ограничивает возможности увеличения энергии частицы в ускорителе. Тем не менее опыт показывает, что дальнейшее увеличение энергии возможно благодаря открытому в 1944 г. явлению автофазировки. Чаще это явление называют принципом автофазировки: всякое отклонение периода обращения релятивистской частицы в магнитном поле ускорителя от резонансного значения, равного периоду изменения электрического поля, приводит к такому изменению энергии частицы, что период обращения колеблется около резонансного значения, оставаясь в среднем равным ему. Из принципа автофазировки следует, что при достаточно медленном увеличении периода изменения электрического поля должно соответственно возрастать среднее значение периода обращения релятивистской частицы в магнитном поле ускорителя; при этом будет увеличиваться и среднее значение энергии. Действительно, умножив равенство (12.1) на c 2 , получим, что энергия частицы пропорциональна периоду и индукции: c 2T 2 B mc 2 q 1 2 / c2 mc 2 qc 2 W BT W ~ BT . 2 2 2 1 / c (12.2) Циклический ускоритель, работающий на основе принципа автофазировки, в настоящее время называется синхроциклотроном (фазотроном). Его магнитное поле неизменно, частота электрического поля медленно изменяется. Заряженные частицы вводятся в ускоритель в тот момент, когда частота максимальна и равна частоте обращения частиц в магнитном поле. При минимальном значении частоты электрического поля энергия частиц становится максимальной, и они выводятся из ускорителя. Затем частота электрического поля вновь увеличивается до максимального значения, и цикл ускорения частиц повторяется. Таким образом синхроциклотрон позволяет получить пульсирующий пучок частиц большой энергии. Поскольку по мере ускорения частиц радиус их орбиты возрастает, предельное значение энергии, достижимой в ускорителе, определяется диаметром полюсных наконечников электромагнита и величиной магнитной индукции (см. (12.2)). В качестве примера можно привести данные о параметрах действующего синхроциклотрона, ускоряющего протоны до энергии в 680 МэВ: его масса составляет 7000 тонн, диаметр полюсов электромагнита – 6 метров. Опыт показывает, что синхроциклотрон мало пригоден для ускорения электронов. Это обусловлено тем, что вследствие малой 15 массы радиус орбиты электрона быстро увеличивается и достигает размеров полюсных наконечников. Для разгона электронов используется ускоритель, который называется синхротроном. В этом устройстве частота электрического поля постоянна, а изменяется магнитная индукция (выше уже отмечалось, что W ~ B ). При энергиях порядка нескольких МэВ скорость электрона достигает примерно 0,99c и больше не увеличивается. В соответствии с этим электроны движутся по орбитам, радиус которых также не изменяется. Поэтому магнитное поле синхротрона создается не двумя торцевыми наконечниками большого диаметра, а небольшими электромагнитами, расположенными вдоль круговой траектории электрона. Наиболее мощным циклическим ускорителем протонов является синхрофазотрон; в нем сочетаются принципы работы фазотрона и синхротрона. В синхрофазотроне можно варьировать как частоту электрического поля, так и магнитную индукцию. Опыт показывает, что при согласованном уменьшении периода изменения электрического поля и увеличении индукции можно добиться такого состояния, при котором протоны будут двигаться по круговой орбите строго постоянного радиуса. Поэтому в синхрофазотроне магнитное поле создается таким же способом, как и в синхротроне – с помощью небольших электромагнитов вдоль траектории движения протонов. 16
