Зачем нужны ускорители

Экспериментальными средствами изучения внутреннего строения элементарных частиц и ядер являются эксперименты по рассеянию частиц-зондов на изучаемых частицах и исследование распадов. Опыты по рассеянию напоминают поиск с помощью щупа какой-либо вещи, спрятанной внутри рыхлого материала. Частица-зонд играет роль щупа. Поскольку движение частицы представляет собой распространение волны амплитуды вероятности, постольку рассеяние представляет собой дифракцию волны амплитуды вероятности на препятствии. Если длина волны амплитуды вероятности больше размеров изучаемого объекта, то этот объект просто не будет замечен. Эту ситуацию легко наблюдать в опыте по распространению волн на поверхности воды. При большой длине волны, по сравнению с плавающим на воде поплавком, последний просто поднимается и опускается вместе с водой, не рассеивая. Если же длина волны меньше размеров поплавка, то за ним ясно обозначается искажение волновой картины. Это искажение - ничто иное как дифракционная картина. Она представляет собой наложение падающей волны и расходящейся от поплавка круговой волны (на рисунке 53 она изображена штриховыми линиями). По дифракционной картине можно восстановить форму препятствия, создавшего эту картину. В этом заключается основная идея опытов по рассеянию частиц.

Как известно, длина волны амплитуды вероятности l,или волновое число k=2p/l, связаны с импульсом частицы p=ћk, который, в свою очередь, определяет энергию частицы . Отсюда можно сделать вывод: чем мельче детали мы желаем пронаблюдать и выявить их в исследуемой частице, тем меньшую длины волны амплитуды вероятности, больший импульс, или большую кинетическую энергию надо сообщить частице-зонду. Для разгона частиц строят ускорители.

Задача 1. Какую кинетическую энергию надо сообщить электронам, чтобы изучать детали строения протона размером 1 фм? Для исследования структуры электрона проводили опыты по рассеянию электронов на электронах. При этом обнаружили, что вплоть до 10-18м никакой структуры электроны не имеют. Какую кинетическую энергию имели электроны?

Идеальными зондами для исследования распределения заряда в элементарных частицах являются электроны, так как по современным данным они являются точечными. С помощью циклических ускорителей невозможно ускорить электроны до больших энергий. Причина состоит в том, что движущийся по круговой траектории электрон дает циклотронное излучение. Мощность излучения тем больше, чем больше кинетическая энергия электрона. Это приводит к тому, что при некоторых значениях скорости всю сообщаемую электрону энергию он сбрасывает в циклотронное излучение. По этой причине для ускорения электронов до больших энергий используют линейные ускорители.

Вопрос 1. Объясните, почему масштабы пространственных деталей взаимодействия частиц, которые можно узнать из экспериментов по рассеянию, ограничиваются снизу кинетическими энергиями взаимодействующих частиц.