Экспериментальное подтверждение кварковой модели адронов. Эксперименты в области высоких энергий

1.Глубоконеупругое рассеяние электронов на протонах при больших импульсах электронов привело к упругому рассеянию электрона на большие углы из-за столкновения электрона со свободным кварком внутри протона. В сущности, это старая идея опыта Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на ядре атома. Опыты проводились в 1966-1969 гг на Стэндфордском линейном двухмильном ускорителе электронов с энергией 21 Мэв, мишень жидководородная.

2.Эксперименты по рассеянию нейтрино на нуклонах в 1973-1975 гг установили, что средняя величина квадрата электрического заряда частиц внутри протона близка к величине <Q2> = 1/2 [(2/3 e)2 + (1/3 e)2].

3.Столкновение пучков электронов и позитронов очень высокой энергии в ускорителях на встречных пучках исключительно чистый метод получения кварков. При лобовом столкновении е- и е+при энергиях пары Гэв в реакции аннигиляции рождаются γ-кванты, которые распадаются на кварк и антикварк, которые разлетаются строго в противоположных направлениях порождая каждый свою струю адронов.

две адронные струи

Феймановская диаграмма аннигиляции электрон-позитронной пары (е-+) показана на рис. 2.2.

Рис.2.2. Феймановская диаграмма аннигиляции электрон-позитронной пары (е-+) в две струи.

Рис. 2.3. Вверху показана разлетающаяся первоначальная кварк –антикварковая пара. В середине уже два разлетающихся пи-мезона. Внизу показаны три пи-мезона образующие две струи.

Рис.2.4. Детектор TASSO на накопительном кольце PETRA регистрирует двухструйное событие при лобовом столкновении электронов и позитронов высоких энергий.

Первоначальная расходящаяся кварк-антикварковая пара растягивает цветовые силовые линии сильного взаимодействия до тех пор, пока возрастающая с расстоянием потенциальная энергия сильного взаимодействияV(r)~λr не окажется достаточной для образования новой пары ( ). Образование двух струй адронов показано на рис.2.3. Замедляющиеся кварки испускают адроны (π-мезоны), точно также, как тормозящийся электрический заряд испускает фотоны тормозного излучения. Первоначальные кварки никогда не регистрируются в детекторе. Были определены спины кварков равные ½. Общее число адронов свидетельствует, что, кварки, возникающие в промежуточном состоянии, имели три различных цвета.

Таким образом, кварковая модель адронов подтверждается всей совокупностью экспериментальных данных. Однако в свободном состоянии кварки не наблюдаются, а только в связанном состоянии внутри адронов. При реакциях между адронами они перераспределяются во вновь образованные частицы.