Элементарные частицы. Ускорители

Исторически термин элементарные частицы был введен для тех частиц, которые считались неделимыми и бесструктурными, и из которых построена вся материя.

В современной физике этот термин употребляется менее строго - для обозначения большой группы "мельчайших частичек материи", не являющихся атомами и атомными ядрами (единственным исключением является протон.)

В группу элементарных частиц помимо протона входят нейтрон, электрон, фотон, а также пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны , нейтрино трех типов (электронное, мюонное и - нейтрино), странные частицы (K - мезоны, гипероны ), огромное количество разнообразных резонансов, мезоны со скрытым очарованием (J/, ) и др. "очарованные" частицы, ипсилон-частицы (), "красивые" частицы, промежуточные векторные бозоны (W, Z0) - число таких частиц продолжает расти - (открыто 1000) и, скорее всего, неограниченно велико.

Большинство перечисленных частиц, строго говоря, не удовлетворяют критерию элементарности, т.к. являются составными объектами. В соответствии со сложившейся практикой термин "элементарные частицы" употребляется для обозначения всех субъядерных частиц. При обсуждении частиц, претендующих на роль первичных элементов материи, используют термин истинно элементарные или фундаментальные частицы. При этом, наряду с уже известными частицами, такими как электрон, фотон и нейтрино, теоретики вынуждены вводить новые частицы, которые еще только предстоит обнаружить. Часть же требуемых частиц (например, кварки) оказалось необходимым наделить такими свойствами, что они никогда не будут обнаружены в свободном состоянии (вне составных элементарных частиц).

Изучение элементарных частиц и их взаимодействий представляет прямой (возможно единственный) путь к пониманию фундаментальных законов природы.

Информация об элементарных частицах получается либо в результате экспериментов с космическими лучами, либо с помощью построенных ускорителей.

В зависимости от типа ускоряемых частиц различают протонные и электронные ускорители. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные.

В кольцевых ускорителях, вдоль всего кольца, в котором, движутся разгоняемые заряженные частицы и из которых откачан воздух, стоят электромагниты. Чем сильнее магнитное поле, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри кольца (камеры). Разгоняются частицы при помощи электрического поля в ускоряющих промежутках, которые расположены вдоль кольца. В кольцевом ускорителе, где частица может многократно пролететь вдоль кольца. пока не наберет нужную энергию, электрическое поле может быть не очень сильным. В линейном ускорителе (принципиальная схема которого приведена на Рис. 7), напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. (Линейные ускорители используются также и для получения высокоэнергичных пучков ионов и ядер.)

Один из самых больших действующих линейных ускорителей (SLAC) расположен в Станфорде (вблизи Сан-Франциско, США). На Рис. 8 показан один из рабочих моментов в туннеле этого ускорителя в подготовительной стадии эксперимента.