Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

  

 

 

                        Реферат

                                               на  тему :

           «Методы   наблюдения и регистрации   элементарных   

       частиц»     

 

                           

                                   

                                                                      Выполнил:

                                                                               Проверила:

 

 

                                             

                                       Содержание

  Введение                                                                                                            стр. 3

   §1 .Основные свойства элементарных частиц                                         стр. 3 

  §2. Классификация элементарных частиц                                                стр. 4       

   § 3. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц        стр. 6

   § 3.1. Камера Вильсона                                                                                  стр. 7

   § 3.2. Диффузионная камера                                                                        стр. 8

  § 3.3. Пузырьковая камера                                                                            стр. 8

   § 3.4. Искровая камера                                                                                   стр. 9

   § 3.5. Эмульсионная камера                                                                         стр. 10

  Список используемой литературы и интернет- ресурсов                     стр. 11

 

 

 

                                                               

                                                               

                                       

                                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Введение

   Элементарные частицы – в точном значении этого термина – первичные , далее неразложимые частицы , из которых , по предположению , состоит вся материя . В современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется не в своём точном значении , а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи , подчинённых условию , что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон). В эту группу помимо протона входят : нейтрон , электрон, фотон , пи-мезоны , мюоны , тяжёлые лептоны (Ϯ) , нейтрино трёх типов (электронное , мюонное и Ϯ-нейтринное ) , странные частицы (К-мезоны , гипероны) – всего более 350 частиц , в основном нестабильных.  Их число продолжает расти (и , скорее всего , неограниченно велико).

    Также   термину «элементарные частицы» можно дать следующее определение :

                       «элементарные частицы – это частицы, у которых на данный  

                       момент не обнаружено внутренней  структуры».

 

                      

                            §1 .Основные свойства элементарных частиц

   Все  элементарные частицы являются объектом исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок массы протона, равной  1,6·10ˉ ⁴г. Размеры протона , нейтрона , π-мезона и др. адронов порядка 10   см, а электрона и мюона не определены , но они меньше 10˗ˉⁱ⁶  см. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обуславливают квантовую специфику  их поведения.

   Наиболее важное квантовое 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 :

     1.Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 10. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r ) ,составляет примерно 10ˉⁱ   см.

 

      2. Электромагнитное взаимодействие. Константа взаимодействия равна 1/137. Радиус действия неограничен.

 

     3.Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за все виды β-распада ядер (включая е-захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Константа взаимодействия равна порядку величины 10ˉⁱ⁴. Слабое взаимодействие, как и сильное является короткодействующим.

 

     4.Гравитационное взаимодействие. Константа взаимодействия имеет значение порядка 10  . Радиус действия неограничен. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако, в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет.

 

               Таблица. Константы разных видов  взаимодействия

Вид взаимодействия	Константа взаимодействия	Время жизни, с
сильное	10	10
электромагнитное	10	10
слабое	10	10
гравитационное	10

 

 

 

                           §2. Классификация элементарных частиц

 

По  величине спина:

Все элементарные частицы  делятся на два класса:

• бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны).
• фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

По  видам взаимодействий

Элементарные частицы  делятся на следующие группы:

Составные частицы

• адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
• мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;
• барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

 

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

• лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10⁻¹⁸ м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
• кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
• калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
• фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
• восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;
• три промежуточных векторных бозона W⁺, W⁻ и Z⁰, переносящие слабое взаимодействие;
• гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.

Кроме того, в Стандартной  модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

 

         § 3. Методы наблюдения и регистрации  элементарных частиц

 

   Элементарные частицы , а также сложные микрочастицы, удаётся наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своём прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, её энергии, импульсе и т.п. Заряженные частицы вызываю ионизацию молекул на своём пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счёте нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порождёнными ими заряженными частицами.

   Приборы, применяемые для регистрации  ионизирующих частиц, подразделяются на две группы. Первую группу образуют устройства, регистрирующие факт пролёта частицы и позволяющие в некоторых случаях судить об её энергии. Ко второй группе относятся трековые приборы, т.е. приборы, позволяющие наблюдать следы (треки) частиц в веществе.

   К  числу регистрирующих приборов  относятся ионизационные камеры и газоразрядные счётчики, а также черенковские счётчики, сцинтилляционные счётчики о полупроводниковые счётчики.

   Действие сцинтилляционных счётчиков основано на том, что заряженная частица, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет. Вещества, в которых заряженные частицы возбуждаю заметную световую вспышку (сцинтилляцию), называют фосфорами. Сцинтилляционный счётчик состоит из фосфора, от которого свет подаётся по специальному  светопроводу к фотоумножителю. Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету. Определяется также амплитуда импульсов (которая пропорциональна интенсивности световых вспышек), что дает дополнительную информацию о регистрируемых  частицах.

    Полупроводниковый счётчик представляет собой полупроводниковый диод, на который подаётся напряжение такого знака, что основные носители тока оттягиваются от переходного слоя. Следовательно, в нормальном состоянии диод заперт. При прохождении через переходный слой быстрая заряженная частица порождает электроны и дырки, которые отсасываются к электродам. В результате возникает электрический импульс, пропорциональный количеству порожденных частицей носителе тока.

   Счетчики  часто объединяют в группы  и включают так, чтобы регистрировались  такие события, которые отмечаются  одновременно несколькими приборами,  либо напротив, только одним из  них.

   К числу трековых приборов относят камеры Вильсона, диффузионные камеры, пузырьковые камеры, искровые и эмульсионные камеры.

 

 

   § 3.1. Камера Вильсона. Этот прибор создан английским физиком Ч.Вильсоном в 1912 г. Дорожка из ионов, проложенная летящей заряженной частицей, становится видимой в камере Вильсона, потому что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой-либо жидкости. Прибор работает не непрерывно, а циклами. Сравнительно короткое (≈0.1-1 с) время чувствительности камеры чередуется с мертвым временем (в 100-1000 раз большим), в течение которого камера готовится к следующему рабочему циклу. Пересыщение достигается за счёт внезапного охлаждения, вызываемого резким (адиабатическим) расширением рабочей смеси, состоящей   из неконденсирующегося газа(гелия, азота, аргона)   и паров                   

Фотография треков от ионизирующего излучения в камере Вильсона (короткие: от α-частиц, длинные: от β-частиц). Анимационная версия.  

воды , этилового спирта и т.п. В этот же момент производится стереоскопическое (т.е. с нескольких точек) фотографирование рабочего объёма камеры. Стереофотографии позволяют воссоздать пространственную картину зафиксированного явления. Так как отношение времени чувствительности к мертвому времени очень мало, приходится иногда делать десятки тысяч снимков, прежде чем будет зафиксировано какое –либо событие, обладающее небольшой вероятностью. Чтобы увеличить вероятность наблюдения редких явлений, используются управляемые камеры Вильсона, у которых работой расширительного механизма управляют счетчики частиц, включенные в электронную схему, выделяющую нужное событие.

   Если  поместить камеру Вильсона между  полюсами электромагнита, ее возможности  сильно расширяются. По искривлению  траектории, вызываемому действием  магнитного поля, удаётся определить  знак заряда частицы и ее  импульс.

 

      § 3.2.Диффузионная камера. Как и в камере Вильсона, рабочим веществом в диффузионной камере является пересыщенный пар. Однако состояние пересыщения создаётся не адиабатическим расширением, а в результате диффузии паров спирта от находящейся при температуре приблизительно 10 °C крышки камеры к охлаждаемому твёрдой углекислотой (температура  -70°С) дну. Недалеко от дна возникает слой пересыщенного пара, имеющий толщину в несколько сантиметров. В этом слое и образуются треки. В отличие от камеры Вильсона, диффузионная камера работает непрерывно.

 

     § 3.3. Пузырьковая камера. В изобретенной  Д.А.Глезером в 1952 г. пузырьковой камере пересыщенные пары заменены прозрачной перегретой жидкостью  (т.е. жидкостью, находящуюся под внешним давлением, меньшим давления ее насыщенных паров).                                                                     Пролетевшая через камеру  ионизирующая частица вызывает бурное вскипание жидкости, вследствие чего след частицы оказывается обозначенным цепочкой пузырьков пара- образуется трек. Пузырьковая камера, как и камера Вильсона, работает циклами.                               Первые треки, обнаруженные  в