Измерение

    В значительной степени успехам в познании законов мироздания мы обязаны уникальным установкам и методам, которые используют экспериментаторы в поисках новых частиц и изучении их свойств. Сама идеология эксперимента принципиально мало изменилась со времен Резерфорда. Идея метода изучения строения атома, предложенная Резерфордом, заключалась в том, чтобы, направив на атом пучок aльфа-частиц, исследовать получающийся эффект. Опыты Резерфорда показали, что при прохождении через плёнку толщиной несколько тысяч межатомных расстояний некоторые частицы резко изменяли направление своего первоначального движения. В среднем одна aльфа-частица из десятка тысяч рассеивалась на угол больше 90^о. Предположив, что вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, имеющем ничтожно малые размеры, Резерфорд сумел объяснить полученный результат. Так была создана планетарная модель атома. Единственным источником пробных частиц во времена Резерфорда были препараты естественных радиоактивных изотопов. Сейчас для исследования явлений микромира используются ускорители частиц, которые позволяют, получив пучки частиц с энергией несколько ТэВ (1 ТэВ = 10¹² эВ), наблюдать процессы, происходящие необычайно редко, и уникальные детекторы, способные регистрировать и идентифицировать «нужные» частицы на фоне многих миллионов других частиц, — все это существенно изменило постановку и анализ результатов эксперимента.
    Схема проведения типичного эксперимента показана на рисунке. В опытах обычно направляют на мишень из исследуемого вещества пучок частиц.

Схема эксперимента в физике ядра и частиц

    В результате взаимодействия частиц пучка с частицами мишени из мишени вылетают различные частицы, которые регистрируются с помощью детектора. Если в результате взаимодействия изменяются только импульсы взаимодействующих частиц, то такой процесс называется упругим рассеянием. Если наряду с изменением импульсов взаимодействующих частиц изменяются и их внутренние состояния или образуются другие частицы, то такой процесс называется неупругим рассеянием или реакцией.
    Пучки падающих на мишень частиц обычно получают на ускорителях, что позволяет сформировать частицы определенного типа и энергии необходимые по условиям эксперимента. Современные ускорители позволяют формировать пучки различных частиц (p, e, , K, и др.) от нескольких десятков кэВ до нескольких ТэВ. В некоторых экспериментах в качестве первичных частиц используют частицы, образующиеся в космическом пространстве, или частицы, образующиеся в ядерных реакциях. В экспериментах по исследованию солнечных нейтрино регистрируют нейтрино, образующиеся на Солнце. Нередко мишень является одновременно и детектором частиц.
При взаимодействии падающей частицы с веществом мишени наряду с исследуемыми реакциями могут происходить и другие реакции, которые являются фоновыми и затрудняют наблюдение нужного процесса. Поэтому подбор детектирующих устройств, которые используются в экспериментах, представляет сложную проблему. Так, например, в экспериментах по поиску антипротонов один антипротон образовывался на 10⁶ фоновых частиц, среди которых основное число составляли p- и K-мезоны, и детектор должен был надежно выделить антипротоны из большого числа фоновых частиц. Для этого использовались различные комбинации счетчиков, включенных в схемы совпадений и антисовпадений (электронные схемы, позволяющие определить, возникли ли два сигнала от анализируемых событий одновременно, т. е. совпали ли они по времени, или нет).
    В физике высоких энергий часто используют детекторы, которые позволяют регистрировать все частицы, вылетающие из мишени. Так, например, в пузырьковых камерах заряженные частицы, возникшие в результате реакции, образуют видимые треки. Поиск интересующего события происходит в результате последующего анализа кинематики и динамики событий. Использование пузырьковой камеры позволило обнаружить странные и очарованные частицы, о существовании которых при подготовке экспериментов не было известно. Подбор мишени и детектора — один из главных этапов подготовки эксперимента.
    При обработке результатов экспериментов обычно исходят из определенных моделей, описывающих исследуемую реакцию. Согласие экспериментальных данных с предсказаниями модели служит ее подтверждением. Расхождения в случае правильно выполненного эксперимента свидетельствуют о том, что нет достаточного понимания механизма исследуемого процесса, и теоретическая модель нуждается в дальнейшем уточнении, либо должна быть радикально изменена. Так, например, результаты анализа экспериментов по рассеянию альфа-частиц на атомах золота показали, что модель атома Томсона должна быть заменена на принципиально другую модель - планетарную модель атома.

25.05.2017