webdonsk.ruЭлементарные частицы в ящике своими руками медуза
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 10.09.2024
В ядерной физике и физике элементарных частиц, а также в многочисленных областях науки, использующих в своей практике радиоактивные частицы (медицина, судебная экспертиза, промышленный контроль и т. п.), существенное место отводится вопросам обнаружения, идентификации, спектрального анализа заряженных частиц и фотонов высоких энергий (рентгеновских лучей и гамма-лучей).
Детекторы рентгеновского и гамма-излучения
Классический образ искателя урана предполагает седеющего, измученного жарой субъекта, который бродит по пустыне со счетчиком Гейгера в руке. В наши дни в отношении детекторов достигнут значительный прогресс. Во всех современных детекторах используется следующий эффект: энергия поступающего в детектор фотона используется для ионизации какого-либо атома, при этом благодаря фотоэлектрическому эффекту излучается электрон. С этим электроном поступают по-разному в различных типах датчиков.
Ионизационная камера, пропорциональный счетчик, счетчик Гейгера.
Когда в камере появляется квант излучения, он ионизирует атом, и тот испускает фотоэлектрон, последний затем отдает энергию, ионизируя атомы газа до тех пор, пока запас энергии не иссякнет. Оказывается, что электрон отдает около 20 эВ (электронвольт) энергии в расчете на создаваемую им пару электрон-ион, следовательно, полный заряд, высвобожденный фотоэлектроном, пропорционален энергии, которую первоначально несло излучение.
Электро?нво?льт — внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц и в близких и родственных областях науки. По определению, электронвольт — это энергия, необходимая для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В. 1 эВ примерно равен 1,6·10 –19 Дж.
В ионизационной камере этот заряд собирается и усиливается усилителем заряда (интегрирующим), который работает также как фотоумножитель. Итак, выходной импульс пропорционален энергии излучения.
Аналогичным образом работает пропорциональный счетчик, но на его центральном проводе поддерживается более высокое напряжение, следовательно, притягиваемые к нему электроны вызывают дополнительную ионизацию и результирующий сигнал получается большим. Эффект умножения заряда позволяет использовать пропорциональные счетчики при небольших значениях энергии излучения (порядка киловольт и ниже), когда ионизационные счетчики использовать невозможно.
В счетчике Гейгера на центральном проводе поддерживается достаточно высокое напряжение, при котором любая начальная ионизация порождает большой одиночный выходной импульс (фиксированной величины). В данном случае мы получаем хороший большой выходной импульс, но у нас нет никакой информации об энергии рентгеновского излучения.
Если ширина импульса является мерой энергии частицы, то с помощью анализатора ширины импульса (прибора, который позволяет преобразовать последовательность импульсов различной ширины в гистограмму) получим не что иное, как энергетический спектр! Итак, с помощью пропорционального счетчика (но не счетчика Гейгера) можно проводить спектрографический анализ излучения.
Подобные газонаполненные счетчики используют в диапазоне значений энергии от 1 кэВ до 100 кэВ. Пропорциональные счетчики обладают разрешающей способностью порядка 15% при значении энергии 5,9 кэВ (распространенная для излучения калибровка, которую обеспечивает распад железа-55). Они недороги и могут иметь как очень большие, так и очень маленькие габариты, но для них требуется высокостабильный источник питания (умножение растет по экспоненциальному закону с напряжением), и они не отличаются высоким быстродействием (максимальная практически достижимая скорость счета грубо определяется величиной 25 000 имп./с).
Сцинтилляторы
Сцинтилляторы преобразуют энергию фотоэлектрона, электрона Комптона или пары электро-позитрон в световой импульс, который воспринимается подключенным к прибору фотоумножителем. Распространенным сцинтиллятором является кристаллический иодид натрия (Nal) с примесью талия. Как и в пропорциональном счетчике, в этом датчике выходной импульс пропорционален поступающей энергии рентгеновского (или гамма) излучения, а это значит, что с помощью анализатора ширины импульсов можно производить спектрографический анализ.
Обычно кристалл Nal обеспечивает разрешение порядка 6% при значении энергии 1,5 МэВ (распространенная для гамма-излучения калибровка, которую обеспечивает распад кобальта-60) и используется в энергетическом диапазоне от 10 кэВ до нескольких ГэВ. Световой импульс имеет длительность порядка 1 мкс, следовательно, эти детекторы обладают достаточно высоким быстродействием. Кристаллы Nal могут иметь различные размеры, вплоть до нескольких сантиметров, однако они сильно поглощают воду, следовательно, хранить их следует в закрытом виде. В связи с тем, что свет нужно каким-то образом устранять, кристаллы обычно поставляют в металлическом корпусе. В корпусе имеется окошко, закрытое тонкой пластинкой алюминия или бериллия, в котором находится интегральный фотоумножитель.
Детекторы на твердом теле
Как и в других областях электроники, революцию в области обнаружения рентгеновского и гамма-излучения произвели достижения в технологии изготовления кремниевых и германиевых полупроводников. Детекторы на твердом теле работают точно так же, как классические ионизационные камеры, но активный объем камеры заполняется в данном случае непроводящим (чистым) полупроводником.
Приложенный потенциал порядка 1000 В вызывает ионизацию и генерирует импульс заряда. При использовании кремния электрон теряет всего около 2 эВ на пару электрон-ион. Значит, при той же энергии рентгеновского излучения создается гораздо больше ионов, чем в пропорциональном газонаполненном детекторе, и обеспечивается лучшее энергетическое разрешение благодаря более представительным статистическим данным. Некоторые другие, менее значительные эффекты также способствуют тому, что прибор имеет улучшенные характеристики.
Типовые детекторы на основе Si(Li) имеют диаметр от 4 до 16 мм и используются в энергетическом диапазоне от 1 до 50 кэВ. Детекторы на основе Ge(Li) и IG используют при работе с более высокими значениями энергии, от 10 кэВ до 10 МэВ. Хорошие детекторы на основе Si(Li) обладают разрешением 150 эВ при значении энергии 5,9 кэВ (2,5%, разрешение в 6-9 раз лучше, чем у пропорциональных счетчиков), германиевые детекторы обладают разрешением порядка 1,8 кэВ при значении энергии 1,5 МэВ (0,14%).
Для того чтобы проиллюстрировать, что дает такое высокое разрешение, придется пробомбардировать лист нержавеющей стали протонами с энергией 2 МэВ и проанализировать полученный рентгеновский спектр. Такое действие называют рентгеновской эмиссией за счет протонов, и оно является мощным средством анализа веществ, при котором используется взаимное расположение спектров элементов.
На рисунке показан энергетический спектр (полученный с помощью анализатора ширины импульсов).
Рентгеновский спектр листа нержавеющей стали, полученный с помощью аргонового пропорционального счетчика и детектора на основе Si(Li)
Сталкивая частицы в Большом адронном коллайдере, ученые обнаружили свидетельства существования экзотического мезона X(3872), который не вписывается в существующую кварковую модель. Его изучение поможет лучше понять процессы, происходившие в первые мгновения существования Вселенной.
Детектор CMS / © Mike Procario / Flickr
В ходе эксперимента Belle исследователи впервые измерили энергетическую зависимость эксклюзивных реакций рождения B-мезонов. Новые данные позволят выяснить природу группы экзотических Upsilon-мезон.
В новом исследовании измерения проводили на одном из двух детекторов элементарных частиц Большого адронного коллайдера — компактном мюонном соленоиде (англ. Compact Muon Solenoid — CMS). В коллаборацию CMS входят физики из десятков стран, включая специалистов из России.
Анализируя данные с детектора LHCb, установленного на Большом адронном коллайдере, ученые обнаружили надежные свидетельства существования уникальной частицы — дважды открыто очарованного тетракварк.
Учёные измерили разницу в массе мезонов D1 и D2. Эта разница контролирует скорость, с которой D-мезон колеблется между состояниями частицы и античастицы.
Иллюстрация CERN.
Физики из Оксфорда обнаружили в данных Большого адронного коллайдера "переключение" субатомной частицы между состоянием частицы и собственной античастицы. Также учёные указали на то, что "ничтожная" разница в массе между двумя частицами могла спасти Вселенную от полной аннигиляции незадолго после её возникновения.
Мы подробно писали о том, что такое вещество и антивещество и почему наблюдаемый дисбаланс их количества во Вселенной так волнует учёных.
Вкратце напомним, что антиматерию часто называют "злым двойником" материи. Для каждой частицы существует её античастица, которая имеет немного отличные характеристики.
В случае встречи частицы и античастицы они аннигилируют (уничтожают друг друга), высвободив огромное количество энергии.
Немного сложной физики
Для лучшего понимания того, как учёные получили новый важный результат, слегка углубимся в дебри квантовой физики. Если же вам лень читать про кварки и их очарование, то смело переходите к следующему абзацу.
Итак, некоторые частицы, к примеру, фотоны (они же частицы света), на деле являются своими собственными античастицами. Кроме того, некоторые частицы могут находиться в странной комбинации частицы и античастицы одновременно благодаря такой квантовой причуде как суперпозиция состояний (известной многим благодаря аналогии в виде кота Шрёдингера). Последнее означает, что такие частицы очень быстро колеблются между состояниями материи и антиматерии.
Теперь в этот "закрытый клуб" вступила ещё одна частица – так называемый очарованный мезон (он же D-мезон). Эта субатомная частица обычно состоит из очарованного кварка и верхнего антикварка. Её эквивалент из антиматерии состоит из очарованного антикварка и верхнего кварка.
Обычно эти два состояния "отделены" друг от друга. Однако в новой работе британских учёных описан процесс, в котором очарованные мезоны могут произвольно переключаться между ними.
Как учёные поймали перебежчика?
На всякий случай повторим, что частицей, которая то и дело пересекает границу "материя-антиматерия", оказался очарованный мезон.
Таких перебежчиков выдала масса. Два состояния отличаются по этому параметру. И хотя это отличие ничтожно мало, физики всё же умудрились его "увидеть" в данных эксперимента LHCb. Чтобы вы понимали, что значит "ничтожно мало": разница в массах частицы и античастицы составляет всего 0,00000000000000000000000000000000000001 грамма.
Учёные измерили разницу в массе мезонов D1 и D2. Эта разница контролирует скорость, с которой D-мезон колеблется между состояниями частицы и античастицы.
Это невероятно точное измерение было сделано в ходе анализа данных, собранных во время запуска Большого адронного коллайдера.
Очарованные мезоны рождаются во время фотон-фотонных столкновений на БАК. Обычно они существуют всего несколько секунд и успевают пролететь всего несколько миллиметров, прежде чем распасться на другие частицы.
Исследовательская группа из Оксфордского университета сравнила пути очарованных мезонов и обнаружила, что некоторые из них успевают пролететь чуть большее расстояние. Так физики определили, что основным фактором, отвечающим за то, станет ли очарованный мезон своей античастицей, является его масса.
Так как на БАКе физики создают огромное количество фотонов и проводят много их столкновений, они могут видеть подобные "переключения" много-много раз. Соответственно, растёт и уверенность учёных в получаемом результате.
В данном случае усовершенствованные компьютерные алгоритмы позволили получить статистический параметр, который физики называют "пять сигма". То есть в данном открытии сомневаться не приходится.
Какое значение этот результат имеет для Вселенной?
Эта "крохотная" находка может иметь огромные последствия для понимания устройства Вселенной. Ведь согласно Стандартной модели физики элементарных частиц Большой взрыв должен был породить одинаковое количество материи и антиматерии.
Аннигилировав друг с другом, они должны были оставить после себя пустоту (но очевидно, что этого не произошло). Ответ на вопрос "Почему?" до сих пор не известен науке.
Почему-то материи родилось или осталось больше, чем антиматерии. Но какие процессы за это отвечали? Физики-теоретики и их коллеги экспериментаторы до сих пор ищут ответ.
Новое открытие позволяет выдвинуть одну любопытную гипотезу. Возможно, частицы наподобие очарованных мезонов переходят из состояния антиматерии в материю чуть чаще, чем из состояния материи в антиматерию.
Новые данные позволят исследователям определить частоту переходов "материя-антиматерия" и обратно, а также выяснить, верна ли эта гипотеза, и если да, то почему.
Ответ на этот вопрос может скрывать ключ к одной из главных загадок науки, пишет издание New Atlas.
Напомним, ранее мы писали о другом явлении, которое может быть ответом на вопрос, почему мир ещё существует. Сообщали мы и о революционном эксперименте, в котором физики управляли антиматерией с помощью лазера.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".
Бозоны
В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие — то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано). Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие. Самый простой пример слабого взаимодействия — распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а распадается на электрон и нейтрино.
Остается последний бозон — бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.
Фермионы
Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.
Лептоны
Лептоны бывают трех поколений, в каждом поколении два лептона — один заряженный и один нейтральный. Первое поколение: электрон и электронное нейтрино, второе — мюон и мюонное нейтрино, третье — тау-лептон и . Лептоны очень похожи друг на друга, мюоны и (так же как и электроны) могут образовывать атомы, заменяя на орбиталях электроны. Главное их отличие — в массе: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а в 17 раз тяжелее мюона. С нейтрино должна быть похожая история, но их массы настолько малы, что до сих пор не измерены. Эти массы точно ненулевые, доказательство этого факта было отмечено Нобелевской премией в 2015 году. Мюон и нестабильны: время жизни мюона примерно 0,2 миллисекунды (что на самом деле довольно долго), тау-лептон распадается примерно в 17 раз быстрее. Особенности нейтрино состоят в том, что они участвуют только в слабом взаимодействии, из-за этого их очень трудно засечь. Также они могут произвольно менять свой сорт: к примеру, электронное нейтрино может внезапно превратиться в мюонное, или наоборот. В отличие от бозонов, у лептонов существуют античастицы. Таким образом, всего лептонов не 6, а 12.
Кварки
Конфайнмент
Хорошо — допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.
Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.
В поисках теории всего
Читайте также: