При дальнейшем повышении энергии электронов во встречных пучках в «продуктах столкновений» также не удалось обнаружить частицы, которые можно было бы интерпретировать как части электрона или позитрона. Наоборот, чем выше становилась энергия сталкивающихся электронов, тем все более массивные частицы обнаруживались среди продуктов столкновения. При энергиях встречных электронов и позитронов, превышающих примерно 1000 МэВ, в числе вновь возникающих частиц появляется и хорошо нам знакомый протон, притом в паре с частицей той же массы, но имеющей отрицательный заряд,— с антипротоном. Энергия 1000 МэВ (точнее, 938,21 МэВ) точно соответствует массе покоя протона. Электрон, ускоренный до такой энергии, имеет скорость, равную 99,999985 % скорости света, а масса его равна массе протона. Очевидно, при столкновении столь быстрых частиц (а значит, электронов с такой большой массой) происходит процесс, подобный рождению пары электрон — позитрон: электрон и позитрон, сталкиваясь образуют пару протон — антипротон.
Как и позитрон, антипротон — вполне стабильная частица, которая не встречается в земных условиях по той причине, что и позитрон: при торможении в веществе антипротон соединяется с ближайшим протоном (который присутствует в любом атомном ядре), и эти частицы аннигилируют, создавая фотоны гамма-излучения с суммарной энергией 1876 МэВ, соответствующей массе покоя двух протонов.
Впрочем, антипротоны (как и другие вновь обнаруженные частицы — мезоны, которые по величине своей массы покоя занимают промежуточное положение между электроном и протоном) возникают не только во встречных пучках электронов и позитронов высокой энергии. Впервые антипротоны и мезоны были обнаружены в космическом излучении, где они возникают при столкновениях протонов высокой энергии (приходящих из космического пространства) с ядрами азота и кислорода земной атмосферы. Мезоны можно получать в ускорителях при столкновениях протонов высокой энергии с атомными ядрами определенных мишеней. Аналогично и антипротоны возникают в гораздо большем количестве при столкновениях ускоренных до достаточной энергии протонов с ядрами мишени или с протонами в водородной пузырьковой камере. Затем с помощь магнитного поля из антипротонов формируют пучок, а при необходимости ускоряют их до еще больших энергий с целью изучения результатов их столкновений с «нормальными» частицами — протонами и ядрами. Анализ возможности возникновения новых элементарных частиц мы начали в данной главе с экспериментов со встречными пучками электронов и позитронов (ускорители на встречных пучках относятся к числу новейших типов ускорителей). Мы стремились показать, что протоны, входящие в состав атомных ядер, могут возникать и в отсутствие ядерных частиц — лишь благодаря взаимодействиям быстрых электронов.
Позитроны, мезоны, антипротоны и следующие все новые типы элементарных частиц физики открывали постепенно. Пока не было мощных ускорителей, обеспечивающих энергию частиц, достаточную для образования мезонов, ученые использовали частицы высокой энергии, существующие в природе, прежде всего в (вторичном) космическом излучении. Сегодня известно, что оно возникает при взаимодействии высокоэнергичных протонов космического происхождения с атомными ядрами земной атмосферы. Энергия протонов в космическом излучении может достигать 10 эВ; соответственно их масса равна т = Е/с2 = 1,7827 ×10-18 кг, т. е. в миллиард раз больше массы покоя протона. К сожалению (для науки!), на Землю попадает мало таких высокоэнергетических протонов, и к тому же не известно, как высоко в атмосфере они возникают. Поэтому экспериментировать с космическими лучами трудно, и — всюду, где это возможно,— физики предпочитают иметь дело с ускорителями. В современных ускорителях энергия протонов достигает примерно 500 тыс. МэВ (500 ГэВ). Масса таких протонов приблизительно в 500 раз превышает их массу покоя, а скорость составляет 99,9998 % скорости света. Пучок протонов высокой энергии направляют на мишень или непосредственно в пузырьковую камеру. Поскольку мишень неподвижна, новые, элементарные частицы, возникающие при столкновении с ней протонов, вылетают приблизительно в направлении первоначального протонного пучка. Траектории частиц искривляются в магнитном поле в зависимости от величины их удельного заряда (q/m) и скорости. Затем путем точного измерения и анализа кривизны, длины и плотности следов, которые создают вновь возникающие частицы в пузырьковой или конденсационной камере либо в чувствительном слое фотопластинки, исследуют свойства этих частиц.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.