что можно отследить по кривизне трека в пузырьковой камере
Лабораторная работа №6 Изучение видов треков заряженных частиц по фотографиям треков
Урок 59. Физика 9 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Лабораторная работа №6 Изучение видов треков заряженных частиц по фотографиям треков»
Цель работы – это объяснить характер движения заряженных частиц по готовым фотографиям.
Оборудование—фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона, пузырьковой камере и фотоэмульсии.
Известно, атомы и микрочастицы настолько малы, что не только не поддаются восприятию ни одним из наших органов чувств, но их не различить даже в электронный микроскоп. Откуда же у нас подробная информация о микромире?
Ученый – экспериментатор с помощью тонкой чувствительной аппаратуры, не видя саму микрочастицу, по ее следам, оставленным в веществе, определяет как факт прохождения частицы через вещество, так и параметры и свойства (заряд, массу, энергию; как двигалась, происходило ли столкновение и каков его результат и т.д.) микрочастиц. Принцип действия разных приборов различен, но общее для всех них – это усиление эффектов, производимых микрочастицей при прохождении через вещество (ее следов) до величин, способных влиять на наши органы чувств.
Вспомним, как работают такие приборы.
Камера Вильсона. В ней используется способность частиц больших энергий ионизировать атомы газа. Камера Вильсона представляет собой цилиндрический сосуд с поршнем. Верхняя часть цилиндра сделана из прозрачного материала, в камеру вводится небольшое количество воды или спирта, для чего снизу сосуд покрыт слоем влажного бархата или сукна. Внутри камеры образуется смесь пересыщенных паров и воздуха.
Если воздух очищен от пылинок, то конденсация пара в жидкость затруднена из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому если через камеру (впускают через окошко) пролетает заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры благодаря осевшим маленьким капелькам жидкости становится видимой. Цепочка образовавшихся капель жидкости образует трек частицы.
Советские физики Петр Леонидович Капица и Дмитрий Владимирович Скобельцын предложили размещать камеру в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. По радиусу кривизны траектории и интенсивности треков определяют энергию и массу частицы.
Одной из разновидностей камеры Вильсона является изобретенная в 1952 году пузырьковая камера. Она действует примерно по тому же принципу, что и камера Вильсона, но вместо пересыщенного пара в ней используется перегретая выше точки кипения жидкость (например, жидкий водород).
Рабочий объем в пузырьковой камере заполнен жидкостью под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени находится в неустойчивом состоянии. Если через такую жидкость пролетит заряженная частица, то вдоль ее траектории жидкость закипит, поскольку образовавшиеся в жидкости ионы служат центрами парообразования. При этом траектория частицы отмечается цепочкой пузырьков пара, т.е. делается видимой.
Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества, вследствие чего частица теряет больше энергии, чем в газе. Пробеги частиц оказываются более короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет гораздо точнее определить направление движения частицы и ее энергию, наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.
Еще одним методом регистрации заряженных частиц служит так называемый метод фотоэмульсий, разработанный Мысовским и Ждановым в 1939 году.
Он основан на использовании почернения фотографического слоя под действием проходящих через фотоэмульсию быстрых заряженных частиц. Такая частица вызывает распад молекул бромистого серебра на ионы серебра и брома и почернение фотоэмульсий вдоль траектории движения, образуя скрытое изображение. По длине и толщине трека судят об энергии и массе частицы.
При выполнении данной работы необходимо помнить, что:
– длина трека тем больше, чем больше энергия частицы (и чем меньше плотность среды);
– толщина трека тем больше заряд частицы и чем меньше её скорость;
– при движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривленным, причем радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше её заряд и модуль индукции магнитного поля;
– частица двигалась от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшим радиусом кривизны (радиус уменьшается так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы).
Первое задание: на двух из трех представленных фотографий изображены треки заряженных частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите на каких. И не забываем обосновывать свой ответ.
Второе задание: Внимательно рассмотрите фотографию треков a-частиц, двигавшихся в камере Вильсона и ответьте на следующие вопросы:
В каком направлении двигались альфа-частицы?
Почему длина треков альфа-частиц примерно одинакова?
Как менялась толщина трека по мере движения частиц и что из этого следует?
Третье задание: По представленной фотографии определите и объясните:
Почему менялся радиус кривизны и толщина треков по мере движения a -частиц?
А также в какую сторону двигались a-частицы?
Четвёртое задание: Рассмотрим фотографию трека электрона в пузырьковой камере, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:
Почему трек имеет форму спирали?
В каком направлении двигался электрон?
Что могло послужить причиной того, что трек электрона гораздо длиннее треков альфа-частиц?
В конце работы не забудьте сделать общий вывод о проделанной работе.
Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц».
бюджетное профессиональное образовательное учреждение Вологодской области «Череповецкий металлургический колледж имени академика И.П. Бардина»
Для всех специальностей
Изучение треков заряженных частиц
Методические рекомендации и лабораторная работа по дисциплине «Физика» для студентов I курса
Разработчик Изотова Е.А.,
на заседании цикловой комиссии
«Математические и естественнонаучные дисциплины»
Теоретические сведения и методические рекомендации по выполнению лабораторной работы ………………………………………………………..
Ход выполнения лабораторной работы ……………………………………
Рекомендации по оформлению отчета по лабораторной работе ……….
Изучение треков заряженных частиц
Цель работы
Получить элементарные навыки в чтении фотографий движения заряженных частиц, сфотографированных в камере Вильсона.
лабораторное оборудование: фотографии треков заряженных частиц, прозрачная бумага, линейка;
методические рекомендации по выполнению лабораторной работы, учебник, калькулятор.
Теоретические сведения и методические рекомендации по выполнению лабораторной работы
В начале ХХ века были разработаны методы исследования явлений атомной физики и созданы приборы, позволившие не только выяснить основные вопросы строения атомов, но и наблюдать превращения химических элементов. В 1911 г. английский ученый Ч. Вильсон построил прибор, с помощью которого можно видеть и фотографировать траектории заряженных частиц. Этот прибор можно назвать «окном» в микромир, т.е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем. Камера Вильсона представляет собой геометрически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта близкими к насыщению.
Треки дают богатую информацию о частице:
трек толще у той частицы, которая имеет больший заряд;
треки показывают траекторию движения заряженной частицы.
если частицы имеют одинаковые заряды, то трек толще у той, которая имеет меньшую скорость. Отсюда очевидно, что к концу движения трек частицы толще, чем в начале, так как скорость частицы уменьшается вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды;
пробег частицы зависит от ее энергии и плотности среды.
треки заряженных частиц в камере Вильсона представляют собой цепочки микроскопических капелек жидкости (воды или спирта), образовавшиеся вследствие конденсации пересыщенного пара этой жидкости на ионах, расположенных вдоль траектории заряженной частицы; в пузырьковой камере – цепочки микроскопических пузырьков пара перегретой жидкости, образовавшихся на ионах; в фотоэмульсии – цепочки зерен металлического серебра, образовавшиеся на ионах.
длина трека зависит от начальной энергии заряженной частицы и плотности окружающей среды: она тем больше, чем больше энергия частицы и чем меньше плотность среды.
толщина трека зависит от заряда и скорости частицы: она тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость.
при движении частицы в магнитном поле трек ее получается искривленным.радиус кривизны трека зависит от массы, заряда, скорости частицы и модуля индукции магнитного поля: он тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше ее заряд и модуль индукции магнитного поля.
по изменению радиуса кривизны трека можно определить направление движения частицы и изменение ее скорости: начало ее движения и скорость больше там, где больше радиус кривизны трека.
треки частиц в фотоэмульсии короче и толще, чем треки в камере вильсона и пузырьковой камере, и имеют неровные края.
Если камера Вильсона помещена в магнитное поле, то на движущиеся в ней заряженные частицы действует сила Лоренца:
Используя формулы 1 и 2 можно определить радиус кривизны трека частицы:
Если частица имеет скорость много меньше скорости света, то кинетическая энергия определяется по формуле 4:
Из полученных формул можно сделать выводы, которые можно использовать для анализа фотографий треков частиц:
радиус кривизны трека зависит от массы, скорости, заряда частицы. Радиус тем меньше, чем меньше масса и скорость частицы и чем больше ее заряд, отклонения от прямолинейного движения больше в том случае, когда энергия частицы меньше;
так как скорость частицы к концу пробега уменьшается, то уменьшается и радиус кривизны трека. По изменению радиуса кривизны можно определить направление движение частицы, начало ее движения там, где кривизна трека меньше;
эти отношения служат важнейшей характеристикой частицы, и позволяют идентифицировать частицу, т.е. установить идентичность известной частицы;
4.1 По фотографии заряженных частиц ( рисунок 1) определить радиусы треков I в начале и в конце его и III в начале трека.
4.2 Ответить на систему вопросов к трекам частиц по рисунку 1.
Ход выполнения лабораторной работы
5.3 Объясните почему траектории частиц представляют собой дуги окружностей?
5.4 Какова причина различия в кривизне траекторий разных ядер?
5.5 Почему кривизна каждой траектории изменятся от начал а к концу пробега частицы?
5.6 Объясните причины различия в толщине треков разных ядер. Почему трек каждой частицы толще в конце пробега, чем в начале его?
5.7 Измерьте радиусы кривизны трека частицы I примерно в начале и в конце пробега.
5.8 Определите на сколько изменилась энергия частицы за время пробега по формуле 5. Известно, что частица I идентифицирована, как протон:
В – магнитная индукция, Кл;
q – заряд протона, Кл;
m – масса протона, кг;
Рисунок 2-Определение радиуса кривизны трека
Измерьте радиус кривизны река частицы III вначале ее пробега. Вычислите для частицы III отношение заряда к ее массе по формуле 6:
По полученному отношению определите, какая частица оставила след.
Результаты вычислений и измерений занесите в таблицу.
Таблица 1- Результаты измерений и вычислений
Радиус кривизны трека 1 частицы в начале пробега
Радиус кривизны 1частицы в конце пробега
модуль магнитной индукции
Изменение энергии 1 частицы
Отношение заряда 3 частицы к ее массе
Радиус кривизны трека 3 частицы в начале пробега
Лабораторная работа №6 Изучение видов треков заряженных частиц по фотографиям треков
Урок 59. Физика 9 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Лабораторная работа №6 Изучение видов треков заряженных частиц по фотографиям треков»
Цель работы – это объяснить характер движения заряженных частиц по готовым фотографиям.
Оборудование—фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона, пузырьковой камере и фотоэмульсии.
Известно, атомы и микрочастицы настолько малы, что не только не поддаются восприятию ни одним из наших органов чувств, но их не различить даже в электронный микроскоп. Откуда же у нас подробная информация о микромире?
Ученый – экспериментатор с помощью тонкой чувствительной аппаратуры, не видя саму микрочастицу, по ее следам, оставленным в веществе, определяет как факт прохождения частицы через вещество, так и параметры и свойства (заряд, массу, энергию; как двигалась, происходило ли столкновение и каков его результат и т.д.) микрочастиц. Принцип действия разных приборов различен, но общее для всех них – это усиление эффектов, производимых микрочастицей при прохождении через вещество (ее следов) до величин, способных влиять на наши органы чувств.
Вспомним, как работают такие приборы.
Камера Вильсона. В ней используется способность частиц больших энергий ионизировать атомы газа. Камера Вильсона представляет собой цилиндрический сосуд с поршнем. Верхняя часть цилиндра сделана из прозрачного материала, в камеру вводится небольшое количество воды или спирта, для чего снизу сосуд покрыт слоем влажного бархата или сукна. Внутри камеры образуется смесь пересыщенных паров и воздуха.
Если воздух очищен от пылинок, то конденсация пара в жидкость затруднена из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому если через камеру (впускают через окошко) пролетает заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры благодаря осевшим маленьким капелькам жидкости становится видимой. Цепочка образовавшихся капель жидкости образует трек частицы.
Советские физики Петр Леонидович Капица и Дмитрий Владимирович Скобельцын предложили размещать камеру в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. По радиусу кривизны траектории и интенсивности треков определяют энергию и массу частицы.
Одной из разновидностей камеры Вильсона является изобретенная в 1952 году пузырьковая камера. Она действует примерно по тому же принципу, что и камера Вильсона, но вместо пересыщенного пара в ней используется перегретая выше точки кипения жидкость (например, жидкий водород).
Рабочий объем в пузырьковой камере заполнен жидкостью под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени находится в неустойчивом состоянии. Если через такую жидкость пролетит заряженная частица, то вдоль ее траектории жидкость закипит, поскольку образовавшиеся в жидкости ионы служат центрами парообразования. При этом траектория частицы отмечается цепочкой пузырьков пара, т.е. делается видимой.
Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества, вследствие чего частица теряет больше энергии, чем в газе. Пробеги частиц оказываются более короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет гораздо точнее определить направление движения частицы и ее энергию, наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.
Еще одним методом регистрации заряженных частиц служит так называемый метод фотоэмульсий, разработанный Мысовским и Ждановым в 1939 году.
Он основан на использовании почернения фотографического слоя под действием проходящих через фотоэмульсию быстрых заряженных частиц. Такая частица вызывает распад молекул бромистого серебра на ионы серебра и брома и почернение фотоэмульсий вдоль траектории движения, образуя скрытое изображение. По длине и толщине трека судят об энергии и массе частицы.
При выполнении данной работы необходимо помнить, что:
– длина трека тем больше, чем больше энергия частицы (и чем меньше плотность среды);
– толщина трека тем больше заряд частицы и чем меньше её скорость;
– при движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривленным, причем радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше её заряд и модуль индукции магнитного поля;
– частица двигалась от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшим радиусом кривизны (радиус уменьшается так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы).
Первое задание: на двух из трех представленных фотографий изображены треки заряженных частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите на каких. И не забываем обосновывать свой ответ.
Второе задание: Внимательно рассмотрите фотографию треков a-частиц, двигавшихся в камере Вильсона и ответьте на следующие вопросы:
В каком направлении двигались альфа-частицы?
Почему длина треков альфа-частиц примерно одинакова?
Как менялась толщина трека по мере движения частиц и что из этого следует?
Третье задание: По представленной фотографии определите и объясните:
Почему менялся радиус кривизны и толщина треков по мере движения a -частиц?
А также в какую сторону двигались a-частицы?
Четвёртое задание: Рассмотрим фотографию трека электрона в пузырьковой камере, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:
Почему трек имеет форму спирали?
В каком направлении двигался электрон?
Что могло послужить причиной того, что трек электрона гораздо длиннее треков альфа-частиц?
В конце работы не забудьте сделать общий вывод о проделанной работе.
Пошаговая инструкция по чтению изображений, полученных с помощью пузырьковых камер
Пошаговая инструкция по чтению изображений,
полученных с помощью пузырьковых камер
Фотография содержит примеры характерных событий, которые могут о многом рассказать. В частности, мы можем судить о:
— Столкновениях частиц пучка с протонной мишенью (исходное состояние);
— Идентификации максимального числа частиц в конечном состоянии, как правило, путем анализа их распада:
— заряженная частица обычно распадается на частицу с таким же зарядом, но меньшим импульсом, и как минимум одну нейтральную частицу; внезапное изменение кривизны называется «кинк» («излом»);
— тёмные треки часто возникают от протонов;
На этом уроке мы будем изучать «очищенную» версию. Фотография (А).
Все треки, которые не связаны с параллельным пучком, являются фоновыми и будут удалены с последующих снимков (B).
Частицы пучка, чьи треки НЕ остаются параллельными на протяжении всего пути до конца снимка, предположительно столкнулись с протоном в атоме водорода. Здесь мы видим 2 столкновения.
В реальном эксперименте оба эти столкновения были бы учтены и проанализированы. Здесь мы сосредоточимся на более интересном «событии» В, которое производит фонтан из 4 заряженных частиц.
Влияние магнитных полей
на перемещение заряженных частиц
Магнитное поле искривляет траектории заряженных частиц. Отрицательно заряженные частицы отклоняются в одном направлении, положительно заряженные – в противоположном.
Обычно нет необходимости указывать полярность – подсказка содержится в самой фотографии. Короткие спиралевидные треки оставляют электроны, выбитые из атомов пролетающими заряженными частицами. Таким образом, магнитное поле направлено от нас.
Электроны движутся по спирали, т. к. они намного легче других заряженных частиц и быстро теряют энергию. Антиэлектроны или позитроны также движутся по спирали. Подробнее об этом расскажем позже.
количество треков заряженных частиц
Если какая-либо из частиц пучка НЕ проходит параллельно, значит она столкнулась с протоном. (Крайне редко частица пучка может «распадаться»).
Впервую очередь, интерес представляет число заряженных частиц, образованных при столкновении. На нашем примере их 4.
Давайте проверим принцип сохранения заряда в нашем случае. Вы видите 2 трека от положительно заряженных частиц (отклонены влево в области А), один трек от отрицательно заряженной частицы (отклонен вправо в области В) и один прямой трек, который внезапно преломляется, не успевая пройти значительное расстояние, чтобы можно было определить направление его искривления (область C). Так как суммарный итоговый конечный заряд равен нулю, преломленный трек должен соответствовать отрицательно заряженной частице.
количество нейтральных частиц
Нейтральные частицы НЕ оставляют пузырьковых следов (потому что образование пузырьков связано с ионизацией атомов водорода за счет кулоновского взаимодействия). Однако нестабильная нейтральная частица может распадаться в пузырьковой камере на пару легких частиц – одну с положительным и одну с отрицательным зарядом, оставляя легко узнаваемые треки в форме буквы V (область А).
Если треки от V снова пересекутся, то линия, соединяющая точку пересечения треков и точку распада (V), указывает обратно на рождение нейтральной частицы.
Таким образом, наши нейтральные V-образные треки образуются в местах столкновений, а не излома. Большинство таких распадающихся нейтральных частиц покидают пузырьковую камеру до распада.
образованных при столкновении, по их распаду
Мы видели, как нестабильная нейтральная частица может быть идентифицирована по её распаду на две противоположно заряженные частицы (трек в форме V).
Нестабильная заряженная частица также может распасться, как правило, на заряженную частицу с тем же знаком и одну или несколько нейтральных частиц. В пузырьковой камере этот процесс виден как излом – внезапный переход к более изогнутому треку (А).
Обратите внимание, что один из положительных треков (В) преломляется дважды, оканчиваясь положительным спиральным треком, оставленным антиэлектроном e+ и спиралью электронов e-.
Число нестабильных частиц, пролетающих достаточно далеко и распадающихся в пузырьковой камере, ограничено. Они оставляют характерные следы, которые позволяют узнать их «родителей». На следующем этапе мы увидим, что это сравнительно простой способ распознавания визуального образа. В БАК, где образуются сотни частиц в конечном состоянии, детекторы и программное обеспечение проделывают ту же самую работу с невероятно высокой скоростью.
Когда частицы проходят измеримое расстояние в пузырьковой камере до момента распада, часто можно идентифицировать их путем анализа треков, образованных продуктами их распада, (V-треков и изломов)
Кроме того, полезно знать, что:
— Тёмные (иногда короткие) треки часто остаются от медленных протонов.
Ниже приведены линии, возникающие от следов распада, позволяющие нам идентифицировать определенные частицы. В зависимости от вовлеченных импульсов (даваемых кривизной треков), эти основные формы могут быть несколько искажены, но их конфигурации, определяемые V-треками и изломами, будут сохраняться.
Появление или непоявление определённого следа (например, V) будет зависеть от случая, учитывая статистическую природу квантовых явлений (распада, в нашем случае).
Для обобщения свойств распада наиболее часто образующихся в пузырьковых камерах частиц, пройдите по ссылке.
Очень часто частицы покидают пузырьковую камеру без проявления их отличительных признаков, делая невозможным их идентификацию по снимку. Чтобы извлечь из картинок максимум информации, необходимо измерить их и проанализировать результаты.
Измерения и обработка данных
Изучение взаимодействия нейтрино по фотографии с пузырьковой камеры
Контрольные точки на треке
Задача системы анализа результатов, полученных с фотографий пузырьковых камер – вычислить точные значения величин энергии E и импульса (px, py, pz) каждой частицы, получившейся при столкновении.
Детали технически сложны, поэтому мы ограничимся перечислением некоторых ключевых идей:
— С помощью устройства, управляемого компьютером, координаты вершин и точек измеряются в трех проекциях и сохраняются.
— Учитывая точно известные положения реперных крестов, нацарапанных на окнах пузырьковых камер, измеренные координаты используются для расчета кривых, вдоль которых двигались частицы.
— После произведения корректировки, учитывающей замедление частиц, кривые используются для расчета импульса частиц после прохода точки столкновения. Из-за ошибок измерения или из-за того, что нейтральные частицы могут вылететь, не всегда представляется возможным сделать это единственно возможным способом.
— Для нашего события были получены следующие результаты:
Беглый просмотр этих чисел показывает, что в конечном состоянии энергия и импульс меньше, что свидетельствует о том, что, по крайней мере, одна нейтральная частица вылетела.
Задание. Что должно быть в квадратных скобках? (Нажмите здесь, чтобы получить подсказку)
Цель обработки данных состоит в обеспечении максимально полной записи всех обнаруженных в эксперименте взаимодействий, а это, возможно, десятки или даже сотни тысяч.
Затем полученные данные анализируются с помощью программ, написанных физиками. Это дает возможность сравнить результаты эксперимента с современными теоретическими идеями.
Прочие подсказки и комментарии
Если Вы хотите изучить картину столкновения очень тщательно, например, с целью обнаружения изломов под очень малым углом, Вам следует распечатать фотографию и посмотреть на нее под очень малым углом. На рисунке приведены 2 примера изломов с малым углом. Распечатайте эту фотографию и попытайтесь найти:
— V, указывающую на излом,
— Предыдущий излом того же трека.
Для проверки нажмите сюда.
Все заряженные частицы, видимые в пузырьковых камерах, имеют заряд +/- заряд электрона. Это позволяет легко использовать сохранение заряда.
Редко удается идентифицировать все частицы в событии, просто взглянув на фотографии. Например, многие пионы рождаются в столкновениях при высоких энергиях, и они обычно успевают вылететь до распада. Поскольку количество пузырьков на сантиметр (плотность ионизации, ПИ) зависит от скорости, все заряженные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, имеют одинаковую плотность ионизации и неразличимы. (Чем выше скорость, тем ниже плотность ионизации: импульс, сообщенный электрону, зависит от времени, проведённого ионизирующей частицей в непосредственной близости от электрона; сильно релятивистская частица, таким образом, является «минимально ионизирующей»;
Так, при энергиях более 2 ГэВ, частицы, которые покидают камеру, не могут быть идентифицированы. Если мы изучаем сильное взаимодействие, то треки часто относятся к «неизвестным адронам», это могут быть пионы, каоны или протоны, но, как правило, это пионы, поскольку они образуются чаще.
Фотография с пузырьковой камеры, отображающая темные треки протонов
Обратите внимание на ещё один очень короткий подкрашенный след протона на одном из исходящих треков. Он говорит о том, что частица сообщила протону очень малый импульс и пролетела мимо.
Введение в E2=p2c2 + m2c4 см. здесь.
Без доступа к фактическим измерениям можно сделать разумные предположения об относительных импульсах частиц, сравнивая их кривизну. Это может быть сделано с помощью шаблона кривизны (см. здесь). Следует упомянуть об ограниченности этого метода: треки на самом деле не расположены в одной плоскости.
Если в вашем распоряжении только одна проекция изображения, то бывает трудно судить о том, что происходит, т. к. один трек, к примеру, может перекрывать другой. Для того чтобы разобраться в таких проблемах (и иметь возможность реконструировать события в 3-х измерениях), делаются три или четыре фотографии каждого события. Нажмите здесь, чтобы рассмотреть одно и того же событие с двух ракурсов.
Для ценителей: очень редко отрицательный трек будет выглядеть как останавливающийся протон. Пример «захвата пиона» в реакциир-p → р0n.
Выводы и заключение
Прелесть фотографий, полученных с пузырьковой камеры, в том, что они дают детальные изображения движения любой заряженной частицы, рождённой в пузырьковой камере в результате взаимодействия между частицами пучка и ядром атома в жидкости. Треки, которые мы видим, – это следы пузырьков, появляющихся в результате ионизации. Импульсы этих заряженных частиц получают путем измерения кривизны треков. Если частица останавливается в пузырьковой камере, расстояние, пройденное ей, даёт информацию о кинетической энергии.
На большинстве фотографий, полученных с пузырьковых камер, можно увидеть маленькие спирали, образованные выбитыми электронами. Они могут быть использованы для определения направления магнитного поля. Запомните, что ток имеет направление, противоположное движению электрона.
Тёмные треки – это обычно медленные протоны, которые получили малый импульс при столкновении.
В нашей инструкции мы остановились в основном на особенностях, которые характерны дляраспада странных частиц. Поскольку эти распады из-за слабого взаимодействия (как бета-распад), частицы имеют достаточно времени, чтобы пойти измеримое расстояние до момента распада. Основной целью нашей работы является визуальный анализ фотографий, полученных с пузырьковых камер.
Изломы. В водороде, например, излом свидетельствует о распаде заряженной частицы на другую заряженную частицу с тем же знаком, но меньшим импульсом. (Часть импульса будет передана одной или нескольким нейтральным частицам).
Шансы увидеть излом под небольшим углом увеличиваются, если распечатать фотографию и рассмотреть её под малым углом. В других жидкостях (не в водороде) мы не можем быть полностью уверены в том, что изломы свидетельствуют о распадах, т. к. заряженная частица, рассеянная на нейтроне, может выглядеть, как излом.
V-образные треки, например, могут свидетельствовать о распаде нейтральной частицы. Важным этапом распознавания образца является определения точки, откуда начинается V-трек. Здесь есть 3 варианта:
— из основного столкновения,
— по ходу трека после излома (нейтральная О0)
Очень полезно упражнение на распознавание частиц по их следу, но оно не всегда возможно, в частности потому, что частица может покинуть пузырьковую камеру до распада. Но важно помнить, что в реальном эксперименте треки всегда отображаются в 3-х измерениях для воссоздания наиболее полной картины и определения энергии и импульса максимально возможного количества частиц.
Предлагаем вам выполнить 3 упражнения.
- Упражнение 1: см.здесь Упражнение 2: см.здесь Упражнение 3: см.здесь
Полная инструкция на английском языке размещена на сайте: