Piono polarizability: eksperimento testavimo teorija

Piono polarizability: eksperimento testavimo teorija

Aleksejus Guskovs
Katedra fizinių ir matematinių mokslų, Jungtinis branduolinių tyrimų institutas (Dubna)
"Mokslas ir gyvenimas" № 3, 2015

2012 m. "Large Hadron Collider" – Higso bosonas atrado naują dalelę. Po šio įvykio populiariosios mokslinės apklausos lavinos labai nedaug žmonių, domėjančių fizika, nežino, kad ši dalelė yra atsakinga už kitų pagrindinių dalelių, leptonų ir kvarkų masę. Vis dėlto iš šio visiškai teisingo fakto dažnai daroma visiškai klaidinga išvada, kad tai yra magija, kurią masė privalo prisiimti prie visų mūsų aplinkų, nuo mažų atomų iki didžiųjų dangaus kūnų.

CERN eksperimentinė salė, kurioje yra COMPASS įrenginys, yra universalus dalelių detektorius, galintis spręsti platų aukšto energijos fizikos problemų klasę. Nuotrauka: CERN

Kokia yra elementariųjų dalelių masė? Paimkite, pavyzdžiui, protoną, kuris, atsižvelgiant į šiuolaikines sąvokas, susideda iš trijų kvarkų. Bendra šių kvarkų masė, pateikta Higso mechanizme, yra tik apie 10 MeV, o protono masė yra 938 MeV. Pasirodo, kad praktiškai visa protonų masė yra dėl stiprios sąveikos lauko, kuris kartu palaiko kvarkus. Tas pats pasakytina ir apie neutroną.Taigi pasirodo, kad Higso mechanizmas suteikia tik apie vieną procentą aplink mus esančių objektų masės, o pagrindinis masės "šaltinis" yra stipri sąveika.

Stiprus sąveika yra viena iš keturių pagrindinių sąveikų, kurios pasireiškia dviem formomis. Viena vertus, jis susieja kvarkus, užtikrinant, kad egzistuoja adronai – dalelės, sudarytos iš kvarko-antikvarkų poros (mezono) arba iš trijų kvarkų (baryonų). Baryonų pavyzdys yra protonas ir neutronas. Kita vertus, stipri sąveika jungia адроны, pavyzdžiui, protonai ir neutronai – į branduolius. Jie vadina jį stipriu ne tik nieko: jis yra daugiau nei 100 kartų stipresnis už elektromagnetinę sąveiką ir 10 000 kartų stipresnis nei silpnas, kuris yra atsakingas, pavyzdžiui, už neutronų skilimą. Kalbant apie gravitacinę tarpusavio sąveiką tarp atskirų dalelių, ji yra tokia nereikšminga, kad ji neatrodo mikrografijoje.

Stiprios sąveikos savybių tyrimas susijęs su lauko teorijos padalijimu, vadinamą kvantine chromodinamika. Nepaisant to, kad buvo pasiekta Didžiojo Hadrono Collider'io sėkmė, plačiai paplitusi nuomonė, kad pagrindinis dalelių fizikos kraštas yra išskirtinai labai didelių energijos srityje.Iš tiesų, kvantinės chromodinamikos atveju situacija yra visiškai priešinga. Stiprių sąveikų specifiškumas yra toks, kad kuo didesnė sąveikaujančių dalelių energija, tuo lengviau aprašyti jų stiprią sąveiką tarpusavyje, naudojant standartinius teorijos pasipiktinimo metodus, pagrįstus Feynmano diagramos technika. Tačiau regionui, kuriame yra mažai energijos, lyginant su likusia protono energija, o visų pirma statinių ertmių charakteristikoms apibūdinti, matematiškai griežtam požiūriui sunku įvertinti kiekybinius skaičiavimus, reikalingus eksperimentinių dalelių fizikos poreikiams. Todėl mažo energijos šaltinio regione griežtas kvantinės chromodinamikos metodas pakeičiamas supaprastintais fenomenologiniais modeliais, kurie leidžia gauti skaitinius rezultatus su pakankamai aukštu tikslumu ir minimaliomis sąnaudomis. Tačiau už paprastumą turite sumokėti. Tokie modeliai, atsižvelgiant į naudojamas prielaidas, reikalauja kruopštaus jų taikomumo ribos patikrinimo.

Kaip žinoma, paprasčiausia mokymosi sistema, sukurta remiantis elektromagnetine sąveika, yra vandenilio atomas.Eksperimentinis jo savybių tyrimas ir jų supratimas leido praėjusio amžiaus pradžioje imtis pirmųjų žingsnių kvantinėje mechanikoje. Pi-mezonas ar pionas yra sistema, susidedanti iš lengviausio kvarko ir antikvarko, kuri yra lengviausia dalelė, pagaminta stiprios sąveikos pagrindu, užima tokią pačią svarbią vietą stiprių sąveikų teorijoje, kaip vandenilio atomas užima elektromagnetinių sąveikų teorijoje. Štai kodėl realus piono ypatybių aprašymas yra kritinis testas bet kokiam stipraus sąveikos fenomenologiniam modeliui, kuris teigia esąs sėkmingas mažo energijos šaltinio regione.

Atomas, susidedantis iš branduolio ir elektrono apvalkalo, ant kurio yra kito žymens elektriniai krūviai, pagrindinėje būsenoje neturi savo elektros dipolio momento. Išorinis elektrinis laukas linkęs išstumti šerdį ir elektroninę apvalkalą vienas nuo kito, todėl deformuotas atomas įgauna dipolio momentą d, proporcingą išorinio lauko E. intensyvumui. Proporcingumo koeficientas tarp jų yra vadinamas elektros poliarizuotumu.Panašiai jis elgiasi ir išoriniame lauke, ir pionas, sudarytas iš kvarko ir prieškarko, kuriame yra priešingos apkrovos

Piono egzistavimą 1935 m. Numatė japonų fizikas Hideki Yukawa kaip daleles – branduolio sąveiką tarp protonų ir neutronų atominiame branduolyje. 1947 m. Buvo aptiktos neigiamos ir teigiamos elektrinės krūvininkų peonijos, o po kelerių metų buvo nustatyta neutrali pikonija. Remiantis šiuolaikiniais duomenimis, įkraunamų pionų masė yra 139,6 MeV, o neutrali – 135,0 MeV. Šiek tiek vėliau nustatytas faktas, kad pats pionas susideda iš kvarko ir antikvarko. Kvantinės chromodinamikos struktūros viduje esančio piono (ir bet kurio kito hadono) vidinės struktūros lygmenyje kvarkso stiprios sąveikos nešiklio vaidmuo dabar priskiriamas be masės dalelėms-gluonams. Tačiau, apibūdindamas tarpusavio tarpusavio sąveiką, pionas vis dar yra būtinas.

Taigi, "peonija" yra paprasčiausias būdas, kai kvarkas ir antikvaras laikomi kartu stipria sąveika. Kadangi kvarkas ir antikvaras Pione nešioti elektros skambučius priešingą ženklą, galima daryti prielaidąkad naudojamas išorinis elektrinis laukas sukels piono deformaciją, o gebėjimas atsispirti piono deformacijai ar standumui bus nustatytas stipriai sąveikos tarp kvarko ir antikvarko savybių. Vertė, lemianti, kiek stipriai dalelė deformuojama išoriniame elektriniame lauke, vadinama elektrine poliarizacine galia. Klasikiniu atveju polarizability yra tiesiog proporcingumo koeficientas tarp taikomo išorinio lauko stiprumo dydžio ir jo sukeliamo dipolio momento, kuris turi apimties matmenį. Panašiai galima įvesti ir magnetinį polarizaciją. Elementarioji dalelė -adronas, turintis atskirą elektromagnetinio lauko kvantą, – fotoną, sąveikos lygis, polarizuojamumas be nulinio buvimo, lemia nereikšmingą fotonų komponečio skerspjūvio pasikeitimą šioje Hadronas. Būtent protoną ir deuteroną (vandenilio izotopo branduolį, kurį sudaro protonas ir neutronas) komptono skerspjūvis beveik prieš pusę šimtmečio buvo nustatytos protonų ir neutronų polarizacinės savybės, kurių vertės ilgai užėmė atitinkamas eilutes žinynuose.Su poniu padėtis buvo daug sudėtingesnė.

Užpildytas pionas, plaukiantis šalia branduolio, yra poliarizuotas jo elektriniame lauke. Jei šiuo metu jis išmeta stabdžių spindulių fotoną, toks toks fotonas "prisimins" piono deformaciją. Analizuojant tokių fotonų spektrą, galima nustatyti poliarizacinio piono vertę.

Faktas yra tas, kad peonija yra nestabili dalelė. Laisvas užpildytas pionas gyvena vidutiniškai 26 nanosekundes, po kurio jis suskaidomas į muuną ir miuoną antineutrino. Tai yra tai, kad sukurti piono tikslą, į kurį tiesiogiai būtų galima stebėti Comptono išsklaidymą, kaip buvo protono atveju, yra tiesiog neįmanoma. 1980 m. Jungtinio branduolinių tyrimų instituto (Dubna) fizikų grupė pasiūlė piono polarizacijos nustatymo metodą, išmatuojant kampinį ir energijos spektrą stabdžių fotonų, skleidžiamų užpildytų pionų elektrinio nukreipto branduolio lauke. Kvantinės elektrodinamikos požiūriu toks procesas gali būti pateikiamas kaip komptinio virtualiosios fotono, kuris yra branduolio skleidžiamas elektromagnetinis sąveikas, sklidimas į incidento pioną, dėl kurio fotonas tampa realus ir gali būti tiesiogiai užregistruotas.Šis požiūris gali būti laikomas garsaus amerikiečių fiziko Henry Primakovo idėjomis, kuris 1951 m. Pasiūlė naudoti "kulonų" branduolio lauką kaip "fotono" tikslą.

Matavimai buvo atlikti praėjusio amžiaus 80-ųjų pradžioje bendradarbiaujant SIGMA-AJAKS su neigiamais pionais, kurių energija yra 40 GeV, U-70 protonų sinchrotrono, High-Energy Physics instituto mieste Protvino. Rezultatas, gautas elektrinei poliarizaciniam pionui (6,8 ± 1,4stat±1,2Syst)×10-4 fm3nors jis labai nesiskyrė, jis sutapo su didžiausiu kiekiu, tuo tarpu tuo metu galimų teorinių modelių prognozes, kurių tikslumas taip pat buvo mažas. Tačiau net ir pirmasis eksperimentinis piono polarizacinio įvertinimo rezultatas parodė, kad pionas yra žymiai tvirtesnis objektas nei vandenilio atomas. Piono elektrinio polarizuojamumo santykis su jo tūriu buvo tris kartus didesnis nei vandenilio atomo.

Kitame praėjusio amžiaus ketvirtyje buvo dar keli originalūs bandymai įvertinti piono polarizability kitais būdais. 1980-ųjų viduryje Mokslų akademijos Pakhros fizinio instituto elektronų sinchrotonas atliko eksperimentą, skirtą tyrinėti piono fotoproduccijos procesą branduolyje,Į skerspjūvį, implicitine forma, taip pat įeina fotono sklaidos į pioną greitis. Tačiau gautas rezultatas tikslumu pasirodė esąs gerokai blogesnis nei Protvinsky. 2000 m. Viduryje tas pats metodas buvo taikomas bendradarbiaujant "A2 A2" MAMI mikrotronui Maincoje (Vokietija). Gauta vertė (5,8 ± 1,7) · 10-4 fm3, pritariant Protvino sukurtai vertei, tačiau neleido kalbėti apie reikšmingą tikslumo pagerėjimą. Be to, buvo atlikta visa eilė bandymų išgauti piono polarizacinį laipsnį iš skerspjūvio elgsenos, kai susidarė elektronų ir positronų poros teigiamų ir neigiamų pionų. Nors taip gautų rezultatų tikslumas polarizuojamumui buvo toks pat, kaip ir Protwino matavimų tikslumas, jų interpretavimas susidūrė su tam tikrais sunkumais. Galima sakyti, kad šio proceso pionas buvo deformuotas taip stipriai, kad jo deformaciją negalėjo visiškai apibūdinti tik dipolio elektrinių ir magnetinių polarizacinių savybių reikšmės. Taigi, praėjus trisdešimčiai metų po pirmojo poliarizuoto piono matavimo, nepaisant daugybės bandymų, matavimo tikslumas išliko to paties lygio.

Tačiau teoretikai nebeatitiko tokio tikslumo.Iki dešimtojo dešimtmečio pabaigos dominuojančio fenomenologinio stiprių sąveikų modelio vaidmenį mažai energijos regione užėmė vadinamoji veiksminga chiralinė teorija, kuri buvo grindžiama apytiksliu teisingos prielaidos, kad šviesos kvarkai be masės. Ši teorija įrodė save apibūdindama platų reiškinių spektrą ir prognozavo (2,8 ± 0,05) · 10 reikšmę piono elektriniam polarizuojamumui.-4 fm3. Eksperimentiniai rezultatai, gauti Protvino ir Mainc, nuo šio vertės skiriasi, nors ir ne radikaliai, bet žymiai, todėl sukėlė tam tikrą diskomfortą tiek teoretikams, tiek eksperimentams. Esant dabartinei situacijai, tapo akivaizdu naujų matavimų naujame lygyje poreikis. Ir COMPASS eksperimentas sutiko su iššūkiu.

Kompasas (bendras Muono ir protonų aparatas struktūroms ir spektroskopijai) yra didelis šiuolaikinis Europos branduolinių tyrimų centro (CERN) antrojo spindulio superprotono sinchrotrono eksperimentas, kurio užduotis yra ištirti Hadronų struktūrą naudojant aukšto intensyvumo miuono ir hadono sijas. Eksperimentas prasidėjo 1996 m., O dabar jame dalyvauja daugiau kaip 220 fizikų iš 13 šalių ir daugiau nei 20 mokslo institutų, įskaitant Rusijos institutas fizikos didelių energijos (Protvino), fizikos institutas mokslų akademijos.Lebedeva (Maskva) ir Jungtinis branduolinių tyrimų institutas (Dubna). "COMPASS" instaliacija, besitęsianti palei spindulių liniją daugiau nei 50 metrų, yra universalus detektorius, pagrįstas dviem spektrometriniais magnetais, kurie gali išspręsti daugybę problemų.

Superprotono sinchronograma, antras pagal dydį CERN greitis, yra COMPASS eksperimento dalelių šaltinis. Nuotrauka: CERN

Polarizuojamumui išmatuoti neigiamai įkrautų adronų (daugiausia pionų) spinduliai, kurių energija siekia 190 GeV, nukentėjo 4,2 mm storio nikelio disko pavidalo tikslui. Prieš tikslą spinduliuotės dalelių kelyje buvo įrengta Čerenkovo ​​spindulių detektorių sistema, leidžianti patikrinti, ar incidentinė dalelė iš tiesų yra pionas (nes spindulyje be pionų buvo nedidelis kitų адронов, каонов ir антипротонов). Tikslių pikselių silicio jutikliai, kurių koordinačių skiriamoji geba yra 0,01 mm, nustato nedidelį (apie 0,1 laipsnio) piono judėjimo kryptį, kai jis išmeta tikslinį stabdymo fotoną. Nustačius išsišakojusio pjano bangos nukrypimą magnetiniame lauke, jo momentas buvo nustatytas.Elektromagnetinis kalorimetras, turintis gerą energijos ir koordinačių skiriamąją gebą, nustatė stabdymo fotono energiją (kuri pasiekė 170 GeV, kuri atitinka tik 7 · 10 bangos ilgį-18 metras) ir jo atstumo nuo tikslinio kampo. Detektoriaus už kiekvieną įvykį įrašyta informacija buvo pakankama, kad būtų visiškai atkurta jo kinematika ir padaryta išvada, ar fotonų emisija registruojama pionu, ar registruotas įvykis neturi nieko bendra su juo. Iš viso duomenų, surinktų per keletą savaičių 2009 m. Rudens sesijoje, buvo atrinkta 63 000 įvykių, siekiant nustatyti polia rizacinį pjūvį. Tai yra beveik 10 kartų didesnė už statistiką, gautą per Protvino eksperimentą. Tačiau tai yra ne tik statistikos skirtumas, pagal kurį matavimai atliekami naujam lygiui. COMPASS įrenginyje yra unikali galimybė, kartu su piono spinduliu, naudoti tą patį ženklą ir tą pačią energiją pagamintą miuono spindulį. Muonas yra nestabili dalelė, kuri yra sunki elektrono analogė. Jos masė yra 207 karto didesnė už elektrono masę ir yra tik ketvirtadalis nuo piono masės.Remiantis šiuolaikinėmis sąvokomis, miuonas, kaip elektronas, neturi vidinės struktūros, bent jau šiandienos eksperimentuose esančioms svarstyklėms. Taigi, stebimas triukšmo spektras, skirtas munai, turi visiškai atitikti beprasmiška be struktūrinio dalmens spektrą.

Kompulso eksperimento metu buvo išmatuotas spinduliuotės spektras pionui ir miuonui, normalizuotam pagal spektrą, kurio laukiama be struktūrinių taškų pionai ir miuonai. Dydis xy horizontalioje ašyje stabdžių fotonų energija, padalyta iš spindulių pionų (190 GeV) energijos,

Fizikai palygino išmatuotas triukšmo spektras pionui ir mjonui su laukiamais atitinkamų taškelių dalelių spektrais. Paaiškėjo, kad realiojo piono struktūros elastingumas lemia tam tikrą labai sunkių fotonų emisijos tikimybės slopinimą, lyginant su hipotetiniu be struktūrinio piono. O muonui, gautas rezultatas neatitinka matavimo klaidos ribos. Kontroliniai matavimai su miuono spinduliu, nors jie negarantuoja visiško neegzistuojančių sisteminių efektų nebuvimo, tačiau nustato gana griežtus galimo tokio poveikio įmokų dydžio apribojimus.Piono elektrinė poliarizacinė vertė, atitinkanti išmatuotą spektrą, yra (2,0 ± 0,6).stat.±0,7Syst)×10-4 fm3, kuris puikiai sutinka su veiksmingos chiralinės teorijos prognozavimu. Šis rezultatas buvo gautas darant prielaidą, kad piono elektrinių ir magnetinių polarizacinių savybių suma yra lygi nuliui. Ši prielaida taip pat buvo naudojama "Protwyn" matavimuose, nes ji yra pakankamai pagrįsta teorijos požiūriu.

Iš COMPASS įrenginio atliekami matavimai uždarė klausimą dėl galimo neatitikimo tarp efektyvios chiralinės teorijos prognozės polia riniam pionui ir jo tikrosios vertės. Ar tai reiškia, kad darbas šia kryptimi buvo užbaigtas? Žinoma, ne. Šiuo metu apdorojamas žymiai didesnis duomenų kiekis, kuriame atsižvelgiama ne tik į energiją, bet ir į kampinį stabdžių fotonų pasiskirstymą. Tai leis jums atlikti nepriklausomus precizinius elektrinio ir magnetinio polarizavimo matavimus ir patikrinti, ar jie iš tiesų yra beveik vienodi, kaip teigiama teorijoje. Be to, gali būti daug duomenųtai leis išsamiai "liesti" įvairias nelinijines pasekmes, kurių pasireiškimas tikimasi didelės piono deformacijos vertės išoriniame lauke ir kurie yra apibūdinami kito tvarkos konstantomis – pagal kvadrupolines polarizacines savybes.

Nepaisant to, kad pionas yra paprasčiausias kvantinės chromatogramos struktūros, būtų įdomu išmatuoti kitų adronų polarizuotumą. Sunkumas yra tas, kad dalelių, skleidžiančių stabdžių fotoną, tikimybė yra atvirkščiai proporcinga dalelių masės kvadratui. Bandymo "COMPASS" hadono pluošte yra apie 2,5% kaons, kurias galima patikimai identifikuoti. Nepaisant fakto, kad stabdymo fotono emisijos tikimybė yra beveik 10 kartų mažesnė nei piono, tikėtinas duomenų kiekis turėtų būti pakankamas ne tik pirmą kartą pasaulyje, kad būtų įregistruotas kaon bremsstrahlung, bet ir pirmasis jo polarizuotumo įvertinimas, kurio chiralinis efektyvi teorija numato 0,6 x 10 vertę-4 fm3.

Dirbant su didelės energijos dalelėmis, saugumas yra svarbiausias. Eksperimento metu durelės, nukreiptos į jutiklio zoną, yra užrakintos.Jei nėra spindulio ir prieiga prie jutiklio yra atviras, kiekvienas gaunantis asmuo turi pasukti ir su juo pasiimti raktą. Užbaigus visus darbus su detektoriumi, šviesą neįmanoma įjungti, kol visi raktai grąžinami į vietą. Tai daroma taip, kad netyčia nepamirštų, kas yra detektoriaus srityje.

"COMPASS" bendradarbiavimas įkaitusio "peony" poliarizuotumo matavimui buvo paskelbtas 2015 m. Vasario mėn. Žurnale Fizinės peržiūros raidės.

Malonu atkreipti dėmesį į tai, kad lemiamą indėlį į šį darbą visuose etapuose, nuo matavimų planavimo iki duomenų rinkimo ir tvarkymo, atliko Dubno fizikos grupė. Tai puikus pavyzdys, kaip vietinių mokslininkų inicijuoti moksliniai tyrimai, pagrįsti galingu tarptautinio bendradarbiavimo pagrindu, buvo išvestas į naują lygmenį, aktyviai dalyvaujant mūsų fizikams.

Žodynas į straipsnį

Komptono efektas – fotonų sklaida laisvojoje dalelėje, kurioje fotonas perduoda dalį savo energijos į dalelę. Pirmą kartą toks energijos perdavimas 1923 m. Buvo stebimas Arthur Compton dėl rentgeno spinduliuotės elektronų. Komptono efektas įrodo kvantinį elektromagnetinės spinduliuotės pobūdį.

Virtuali dalelė – objektas su krūviu ir kvantu skaičiais, atitinkančiais realią dalelę, bet kurio santykis tarp masės, energijos ir impulso, numatytų specialioje reliatyvumo teorijoje, nesudaro. Kvantinės lauko teorijoje sąveikoms apibūdinti naudojamos virtualiosios dalelės. Pavyzdžiui, elektromagnetinė sąveika tarp krūvių atliekama keičiantis virtualiais fotonais.

Čerenkovo ​​radiacija (Vavilovo-Čerenkovo ​​spinduliuotė) – luminescencija, generuojama į terpę įkrautos dalelės, judančios greičiui, didesniam už šviesos greitį tam tikroje terpėje. Radiacija nukreipta į priekį išilgai kūgio formos, kurios ašis sutampa su dalelės judėjimo kryptimi, o kampas prie viršūnės yra nustatomas pagal jo greitį. Matuojant šį kampą, galite nustatyti dalelių greitį. Jei dalelė turi impulsą ar energiją, greičio žinojimas leidžia jį unikalią identifikuoti. Tai yra priežastis, dėl kurios plačiai paplitę Čerenkovo ​​radiacijos detektoriai eksperimentinėje fizikoje dalelių.

Elektromagnetinis kalorimetras – detektorius didelės energijos elektronų, positronų ar fotonų registracijai.Dėl šių dalelių sąveikos su medžiaga susidaro elektromagnetinis dušas – antrinių dalelių kaskados. Kalorimetrą veikiančioje medžiagoje išsiskiriantis energijos kiekis paverčiamas elektros signalu ir leidžia nustatyti pradinės dalelės energiją.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: