Djup oelastisk spridning

Djup oelastisk spridning av en lepton (l) på en hadron (h), i ledande ordning i störande expansion. Den virtuella fotonen (γ ^* ) slår ut en kvark (q) ur hadronen.

Djup oelastisk spridning är namnet som ges till en process som används för att undersöka insidan av hadroner (särskilt baryonerna , såsom protoner och neutroner ), med hjälp av elektroner , myoner och neutrinos . Det gav det första övertygande beviset på kvarkarnas verklighet, som fram till dess hade ansetts av många som ett rent matematiskt fenomen. Det är en relativt ny process, som först försöktes på 1960- och 1970-talen. Det är en förlängning av Rutherford-spridningen till mycket högre energier hos spridningspartikeln och därmed till mycket finare upplösning av komponenterna i kärnorna.

Henry Way Kendall , Jerome Isaac Friedman och Richard E. Taylor var gemensamma mottagare av Nobelpriset 1990 "för sina banbrytande undersökningar rörande djup oelastisk spridning av elektroner på protoner och bundna neutroner, som har varit av avgörande betydelse för utvecklingen av kvarken. modell i partikelfysik."

Beskrivning

För att förklara varje del av terminologin hänvisar " spridning " till leptonens (elektron, myon, etc.) avböjning. Att mäta avböjningsvinklarna ger information om processens natur. " Oelastisk " betyder att målet absorberar viss kinetisk energi. I själva verket, vid de mycket höga energierna av leptoner som används, "krossas" målet och avger många nya partiklar. Dessa partiklar är hadroner och, för att förenkla kraftigt, tolkas processen som att en beståndsdel kvarken i målet "slås ut" ur målhadronen, och på grund av kvarkinneslutning observeras kvarkarna faktiskt inte utan producerar istället de observerbara partiklarna av hadronisering . "Djupet" hänvisar till leptonens höga energi, vilket ger den en mycket kort våglängd och därmed förmågan att sondera avstånd som är små jämfört med storleken på målhadronen, så att den kan sondera "djupt inne i" hadronen. Notera också att i den störande approximationen är det en virtuell foton med hög energi som sänds ut från leptonen och absorberas av målhadronen som överför energi till en av sina ingående kvarkar, som i det intilliggande diagrammet.

Historia

standardmodell , i synnerhet Murray Gell-Manns arbete på 1960-talet, hade lyckats förena mycket av de tidigare olika begreppen inom partikelfysik till ett , relativt okomplicerat, schema. I huvudsak fanns det tre typer av partiklar:

Leptonerna , som var lågmassapartiklar som elektroner, neutriner och deras antipartiklar . De har heltals elektrisk laddning .
Mätarbosonerna , som var partiklar som utbyter krafter . Dessa sträckte sig från den masslösa, lättupptäckta fotonen (bäraren av den elektromagnetiska kraften) till de exotiska (men fortfarande masslösa) gluonerna som bär den starka kärnkraften.
Kvarkarna , som var massiva partiklar som bar fraktionerade elektriska laddningar. De är "byggstenarna" för hadronerna. De är också de enda partiklarna som påverkas av den starka interaktionen .

⁰ Leptonerna hade upptäckts sedan 1897, då JJ Thomson hade visat att elektrisk ström är ett flöde av elektroner. Vissa bosoner upptäcktes rutinmässigt, även om W ⁺ , W ^- och Z -partiklarna av den elektrosvaga kraften endast sågs kategoriskt i början av 1980-talet, och gluoner var bara fast fast vid DESY i Hamburg ungefär samtidigt. Quarks var dock fortfarande svårfångade.

Utifrån Rutherfords banbrytande experiment under de första åren av 1900-talet formulerades idéer för att upptäcka kvarkar. Rutherford hade bevisat att atomer hade en liten, massiv, laddad kärna i mitten genom att skjuta alfapartiklar mot guldatomer. De flesta hade gått igenom med liten eller ingen avvikelse, men några få avböjdes genom stora vinklar eller kom direkt tillbaka. Detta antydde att atomer hade inre struktur och mycket tomt utrymme.

För att undersöka baryonernas inre behövde en liten, penetrerande och lättproducerad partikel användas. Elektroner var idealiska för rollen, eftersom de är rikliga och lätt accelereras till höga energier på grund av sin elektriska laddning. 1968, vid Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), avfyrades elektroner mot protoner och neutroner i atomkärnor. Senare experiment utfördes med myoner och neutriner , men samma principer gäller. ^{[ citat behövs ]}

Kollisionen absorberar viss kinetisk energi, och som sådan är den oelastisk . Detta är en kontrast till Rutherford-spridning, som är elastisk : ingen förlust av kinetisk energi. Elektronen kommer ut från kärnan och dess bana och hastighet kan detekteras.

Analys av resultaten ledde till slutsatsen att hadroner verkligen har inre struktur.

Experimenten var viktiga eftersom de inte bara bekräftade kvarkarnas fysiska verklighet, utan också bevisade igen att standardmodellen var den rätta forskningsvägen för partikelfysiker att fortsätta.

Vidare läsning

Devenish, Robin ; Cooper-Sarkar, Amanda (2003). Djup oelastisk spridning . doi : 10.1093/acprof:oso/9780198506713.001.0001 . ISBN 9780198506713 .
Amsler, Claude (2014). "Djup oelastisk elektronprotonspridning". Kärn- och partikelfysik . doi : 10.1088/978-0-7503-1140-3ch18 . ISBN 978-0-7503-1140-3 .