Измерения

    Схема проведения типичного эксперимента показана на рисунке. В основе любого эксперимента – источник частиц. Это могут быть ускорители, на которых получают пучки частиц от нескольких кэВ до десятков ТэВ. Физики также используют частицы, ускоренные до энергии 10²⁰ эВ в космическом пространстве.

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 столкновения изменяются только импульсы сталкивающихся частиц, то такой процесс называется упругим рассеянием. Если наряду с изменением импульсов сталкивающихся 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, π, K, ν 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 очень сложную проблему. Так, например, в экспериментах по поиску антипротонов один антипротон образовывался на 10⁶ фоновых частиц, среди которых основное число составляли π- 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.

[Эксперимент]