你知道什么是深度非弹性散射实验吗.docx
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1、第五十章:你知道深度非弹性散射实验吗?题目中所出现的词汇,多次在我这本书中出现。所以有必要给大家介绍一下。这个实验到底是怎么回事?后量子力学时代,这个实验非常重要,包括现在也非常重要。物理学家们就是靠着这个实验,来了解粒子的性质等概念。首先深度非弹性散射是一个物理学词汇,该实验表明在质心系中某一入射粒子在碰撞后其能量有较大幅度的损失的情况。深度非弹性散射也称深度非弹性碰撞,指在质心系中某一入射粒子在碰撞后其能量有较大幅度的损失的情况。例如,将高能电子轰击到质子上,除了出现有电子对质子的弹性碰撞过程外,更多的是出现多个介子的情形,这时在质心系的电子在碰撞后必定有大量的能量损失,即这些能量转移成介
2、子的能量,因而就称之为电子对质子的深度非弹性散射或深度非弹性碰撞。类似的案例非常多。微观粒子的碰撞需用量子力学描述。由于量子力学中的不确定度关系,微观粒子的位置和速度不可能同时精确测定,以一定初速运动的微观粒子碰撞后的运动状态也就不是唯一的,用量子力学的波动方程可确定碰撞后粒子处于任一种运动状态的概率。另外,微观粒子在碰撞过程中可因相互作用而产生或湮没,这也是与宏观物体之间的碰撞过程不同的。从标题,我们其实可以看出。微观粒子的碰撞过程分弹性碰撞和非弹性碰撞两种。弹性碰撞(又称弹性散射)过程中,粒子之间只有动能的交换,而不发生粒子的种类、数目和内部运动状态的改变。而非弹性碰撞(又称非弹性散射)过
3、程中,或者发生粒子内部运动状态的改变,或者发生粒子种类和数目的改变,这时粒子之间转换的能量不仅是动能,还有与粒子的跃迁或粒子的产生和湮没相关的能量。实验上研究深度非弹性散射时,可以测量所有的次级粒子的动量和能量。这时便称为遍举的非弹性散射过程。也可以只测量其中一个粒子或两个或几个粒子的动量和能量,这时便称为单举或双举或多举的非弹性散射或非弹性反应过程。研究单举的深度非弹性散射有一个重要的简化。从实验的角度说,测量这种单举的反应过程时,只测量两个独立的物理量,一个是末态电子的能量,一个是末态电子的飞行方向。在弹性散射中,这两个物理量在实验室系不是独立的,一个量给定了,另一个量也就确定了。实际上,
4、在测量中所测到的能量和角度这种相关性说明所观察到的确是弹性散射。在非弹性散射过程中,这两个物理量是相互独立的,也就是在某一方向上将观察到不同能量的电子,同一能量的电子也可以在不同的方位角上测量到。既然在实验上存在两个相互独立的观察量,那么在理论上就可以用两个相对论协变的独立的物理量表征单举的深度非弹性散射过程。实验上研究单举的、双举的以及带有极化的深度非弹性散射过程是很重要的。正是在大量的这样的实验研究中,美国科学家J.D.布约肯等人建立了部分子模型。而量子色动力学也在这个模型的基础上发展了起来。在这里要给大家强调,深度非弹性散射实验,一般都要借助高能量加速器来完成。目前最先进是欧洲的强子对撞
5、机。希格斯玻色子就是用它来发现的。简单给大家介绍一下,关于质子碰撞研究的相关历史。在60年代,弗里德曼和肯德尔是麻省理工学院的物理学教授,另一泰勒是斯坦福大学直线加速器中心(SLAC)的物理学教授。他们三人都是SLAC-MIT研究小组的关键人物。【弗里德曼】在他们主持下进行的“SLAC-MIT实验”取得了有关核子(质子和中子)内部结构的重要信息,为进一步研究物质最深层结构铺平了道路。著名物理学家汉森和斯坦福大学的同事们发明了速调管微波振荡器后,于1947年创制了第一台电子直线加速器。1952年第三台电子直线加速器在斯坦福大学建成,命名为 Mark ,可使电子加速到1 GeV。霍夫斯塔特就是用这
6、台设备进行电子-质子散射实验,对核子结构作了奠基性研究,由此判定质子是非类点粒子,直径不小于10的-13次方cm。在他的倡导下,斯坦福大学从 1962年起,兴建能量大于20 GeV的电子直线加速器。1967年,大型电子直线加速器建成并达到设计能量。作为试运行开始了一系列电子质子散射实验。实验结果证明性能良好,不但电子束入射能量比一般大得多,而且电子束强度也大得多。在经过论证的十九项实验方案中,有三项是SLAC、MIT和加州理工学院(Caltech)联合提出的。这三项的内容是:电子质子弹性散射、正电子质子弹性散射、电子质子非弹性散射。第一轮实验结果很平常,只不过是进一步证实了已有结论。Calte
7、ch成员感到工作过于单调,决定退出联合小组。SLAC和MIT成员继续实验,并逐步加大电子束能量,进行电子质子非弹性散射实验,测到了三个峰值,这三个峰相当于质子的共振态。再进一步把能量加大到几GeV量级,进入所谓深度非弹性区域。这是从未有人探索过的区域。为什么叫深度非弹性呢?因为这时电子的能量是如此之高,竟可以深入质子内部,甚至把质子打碎。这时非弹性散射公式epeX其中的X可以是一系列强子。由于质子分裂成碎片,要吸收更多的能量,散射电子的能量要比平常低得多。然而,出乎实验者预料,当进入深度非弹性区域时,电子损失了很多能量后,比起能量损失较小时,以更大的几率出现在大角度上。换句话说,就是电子质子深
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