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第三讲 粒子物理实验方法

第三讲 粒子物理实验方法. 实验是人们获取粒子基本特性及其相互作用信息的最根本的途径. α - 散射实验 - 有核原子 - 近代物理的里程碑. 高能粒子碰撞是最基本的实验方法. 固定靶实验. 对撞机实验. 3.1 加速器 - 高能粒子束的产生 3.2 粒子碰撞相对论运动学 3.3 粒子磁谱仪. 3.1 加速器 - 高能粒子束的产生. 3.1.1 加速器的基本组成. 带电粒子 ( 包括各种原子核 ) 在电磁场作用下获得能量。这是粒子加速器依据的物理基础。 一般加速器应包括如下几个主要部分：. 1 离子源 ( 电子枪 ).

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第三讲 粒子物理实验方法

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Presentation Transcript

  1. 第三讲 粒子物理实验方法 • 实验是人们获取粒子基本特性及其相互作用信息的最根本的途径 α-散射实验-有核原子-近代物理的里程碑 许咨宗USTC

  2. 高能粒子碰撞是最基本的实验方法 固定靶实验 许咨宗USTC

  3. 对撞机实验 许咨宗USTC

  4. 3.1加速器-高能粒子束的产生 • 3.2粒子碰撞相对论运动学 • 3.3粒子磁谱仪 许咨宗USTC

  5. 3.1加速器-高能粒子束的产生 • 3.1.1加速器的基本组成 带电粒子(包括各种原子核)在电磁场作用下获得能量。这是粒子加速器依据的物理基础。 一般加速器应包括如下几个主要部分： 1 离子源(电子枪) 2 加速系统 静电场，射频电磁场，微波加速腔 3 离子,电子光学系统--二极磁铁,四极磁铁和各类矫正磁铁等 4 粒子输运系统 5 真空系统 许咨宗USTC

  6. 3.1.2 CERN加速器系统 LHC—7TeV SPS--450GeV PS--25GeV LINACI—50MeV 许咨宗USTC

  7. LINACS 许咨宗USTC

  8. 许咨宗USTC

  9. CERN质子同步加速器 环的直径 最大束流能量 • Syncrotron 磁铁直流功率 磁铁单元数 最大磁场 加速腔数目 射频频率 射频功率 每脉冲质子数 重复周期 环内真空度 许咨宗USTC 输出束直径

  10. LHC-大强子对撞机 许咨宗USTC

  11. 双通道二极超导磁体 许咨宗USTC

  12. 双通道二极超导磁体（实物） 许咨宗USTC

  13. LHC-环主要部件一览 许咨宗USTC

  14. 许咨宗USTC

  15. 许咨宗USTC

  16. BNL-相对论重粒子对撞机。 许咨宗USTC

  17. 3.1.3BEPC(北京) 许咨宗USTC

  18. 许咨宗USTC

  19. BEPC-LINAC 许咨宗USTC

  20. 3.1.4HIRFL_CSR(兰州) 许咨宗USTC

  21. 许咨宗USTC

  22. CSR主要性能指标 许咨宗USTC

  23. Magnets for CSRm 许咨宗USTC

  24. Injection beam line of CSRm 许咨宗USTC

  25. 主环已安装 10－11mbar 许咨宗USTC

  26. β 10-1 100 10+1 10+3 10+5 10+7 p MeV 粒子 电子 .192052 .890475 .998696 .999999 .999999 .999999 .511 μ 9.4607-4 9.4603-3 .094186 .994460 .999999 .999999 105.7 π 7.1633-4 7.1631-3 .071450 .990396 .999999 .999999 139.6 质子 1.0658-4 1.0658-3 .010657 .729246 .999956 .999999 938.3 3.2粒子碰撞相对论运动学 许咨宗USTC

  27. 3.2.1 Lorentz变换下的不变性 逆变矢量: 协变矢量: β 许咨宗USTC

  28. *两惯性系四矢量间的联系 许咨宗USTC

  29. *Lorentz变换下的不变量 *光锥 右图表示发生在四时空中的过程的 时空轨迹，轨迹某点的斜率是事件 进程的速度的倒数： 任何’真实‘事件的演化速率都是小于光速！！ 许咨宗USTC

  30. β= 1， 事件过程沿 t=x 或t=-x的直线。（t，x）平面绕 t轴旋转得到一个锥，称为光锥。沿锥面的事件过程，传递速度为光速。称为类光事件。两事件的时空间隔 β 〈 1 事件过程传递速度小于光速事件落在以 t 为轴的亮锥内，称类时事件。 β〉 1 事件发生在以x- 为轴的黑锥内，称这类事件为类空事件（一般属于虚过程 例如沿t-轴事件 例如沿x-轴事件 许咨宗USTC

  31. 由式（3.4）,(3.5)把两参考系的四时空和四动量的各个分量联系起来,由式（3.4）,(3.5)把两参考系的四时空和四动量的各个分量联系起来, 其中动量中心系的相对运动速度 3.2.2动量中心系和实验室系 实验室系K： K K' 动量中心系K'： βc 许咨宗USTC

  32. 事件： 产生 衰变 产生 衰变 （t1，x1） （t2，x2） （t‘1，x’1） （t‘2，x’2） 平均寿命: 由式（3.4）的逆变换得： 产生和衰变在同一空间点 1,飞行的不稳定粒子寿命变长 K' βc K 许咨宗USTC

  33. *不同动量的宇宙线μ到达海平面的概率 p=mβγ 存活的概率，t-产生点抵达海平面的飞行时间：d-产生点抵达海平面 的飞行距离，设d=20km 许咨宗USTC

  34. K K' 2, 飞行的尺度变短 一根平行于x’轴的刚性尺子固定在K’系上，在K 和K’系的观测者 各自对尺子的长度作测量，即分别定出 和 的时空坐标。必 注意的是K系的观测者一定要设法在同一个时刻（t1=t2=t）去量 尺子两端的空间坐标x1和x2，因为尺子和K‘一起相对于K沿x轴 运动。 βc a2 a1 t2,’x2’ K‘ t2,x2 K t1,’x1’ t1,x1 许咨宗USTC

  35. *能量为E的粒子不变粒子密度 在粒子的相互作用过程中,在计算过程的反应率和衰变宽度时都将计及具有能量为Ei的粒子在一个与粒子紧固在一起的归一化盒子(其体积V)中的粒子的密度。在粒子静止的参考系中，粒子密度为1/V。在实验室系中，粒子是以Ei(γi=Ei/mi)运动的，因此紧固在粒子上的盒子在粒子运动方向发生Lorentz收缩。体积由V变为V（mi/Ei）粒子的密度相应增加了Ei/mi。为了满足粒子密度的相对论不变性。在反应率的表达式中引入相应的因子（mi/Ei） 或者1/2Ei 3.8 许咨宗USTC

  36. ( Ei ,pi )mi a A b (E'i p'i) mi a A b 反应后 3,反应阈能 (E, p ),m M K E’1p‘,E’2p’ K' 反应前 许咨宗USTC

  37. 3.9 • 反应阈能,动量中心的运动是不能用来产生和激发新的自由度的.运动的粒子打静止靶,投射粒子有一部分能量用来保持动量中心运动,用来产生和激发新自由度的只是初态系统的不变质量(用 表示) 反应阈能定义为实现某一反应投射粒子所需的最小能Eth(Pth ). 显然,当产生的末态粒子在系统的动量中心系都是静止时(即末态所有粒子在动量中心系的总动能为零)投射粒子的能量最小, 许咨宗USTC

  38. 举例 光生电子对 由式3.9) 由式3.9) 许咨宗USTC

  39. 质子打静止质子靶生成反质子的阈能 由式3.9) 为了产生质子反质子对(2mp),投弹质子的动能要高达6倍于 质子的静止质量,2/3用于保持动量中心运动. 许咨宗USTC

  40. Eb,pb Eb,pb Eb,-pb 把实验建立在动量中心系中,将靶粒子也加速起来,而且靶粒子种类和投射粒子一样.加速能量也完全一样,两束同种类同能量的粒子束对撞 两种不同的实验方案,其能量的有效利用率有巨大的不同 许咨宗USTC

  41. p’ p βc θ’ θ p’x px 3.10a 3.10b 4，动量椭球-动量中心系粒子在实验室系前冲 • 设一粒子在K’-系以动量p’在动量中心系各向同向发射 K’ K 由 椭圆中心：βcγcＥ’ 许咨宗USTC

  42. 3.11 P'=β'E' A) 特点： *集中在前向区半锥角 范围内。根据下式 *在 角度内有不同动量的两群粒子 和 分别与 对应， 在ө＝0 许咨宗USTC

  43. *该类粒子向实验室的前半球发射 • *在CMS向后的粒子，在实验室不动的 • *θ，θ‘一一对应。 特点： B） 动量中心系前半球发射的粒子都集中在实验室系中限制的前半球 许咨宗USTC

  44. C) 在实验室后向也有部分粒子飞出，末态光子和中微子可以在靶子的背后出现。 通常，反应末态产生不同质量的粒子，动量中心系中粒子的速度是不一样的，上述三种情况都存在。 许咨宗USTC

  45. p' βc p K K' θ' θ pμ=(E , pL pT) p'μ=(E' , pL' pT') 5,粒子在动量中心运动方向的快度和赝快度 Ω2 (3.12) 许咨宗USTC

  46. 快度的定义 许咨宗USTC

  47. 粒子在动量中心运动方（对撞轴）的快度（Rapidity）粒子在动量中心运动方（对撞轴）的快度（Rapidity） 可以证明： 定义： 许咨宗USTC

  48. 粒子的赝快度，把快度(3.13)式中的E换为粒子动量的绝对值p,得到赝快度粒子的赝快度，把快度(3.13)式中的E换为粒子动量的绝对值p,得到赝快度 许咨宗USTC

  49. 许咨宗USTC

  50. 横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的Boost无关。横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的Boost无关。 Lorentz不变量 • 快度、赝快度是包含了动量中心系的Boost的物理量。 许咨宗USTC

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