Исследование в данной работе посвящено калибровке канала пи-мезонов (π-мезонов) с использованием метода времени полета (TOF) в экспериментах по физике элементарных частиц. Пи-мезоны, основные частицы в изучении взаимодействий частиц, играют ключевую роль в понимании динамики сильных ядерных сил и структуры адронов. Метод TOF, известный своей точностью в измерении скоростей частиц, используется для калибровки канала пи-мезонов путем определения времени полета этих частиц между известными точками в экспериментальной установке. Работа начинается с обзора пи-мезонов, их свойств и значения в исследованиях по физике элементарных частиц. Затем подробно рассматривается теоретическая основа метода TOF, включая его принципы и применение в обнаружении и идентификации частиц. Освещаются экспериментальная установка и процедуры сбора данных, выделяя конкретные методологии, применяемые для сбора и анализа данных TOF для пи-мезонов. Приводятся результаты процесса калибровки, включая определение времени полета, измерения скорости и соответствующие неопределенности. Точность и надежность метода TOF в калибровке канала пи-мезонов оцениваются с помощью статистического анализа и сравнения с теоретическими предсказаниями. Кроме того, в работе обсуждаются последствия калиброванных каналов пи-мезонов для продвижения исследований по взаимодействиям частиц и фундаментальной физике. Полученные в ходе этого исследования данные способствуют улучшению точности детекторов частиц и углублению нашего понимания поведения пи-мезонов в условиях высоких энергий. В заключение, калибровка канала пи-мезонов с использованием метода TOF представляет собой значительный шаг вперед в экспериментальной физике элементарных частиц, предоставляя уникальные научные данные о динамике частиц и проложив путь для будущих достижений в фундаментальных исследованиях.

This thesis explores the calibration of the pi-meson (π-meson) channel utilizing the Time of Flight (TOF) method in particle physics experiments. Pi-mesons, fundamental particles in the study of particle interactions, are crucial for understanding the dynamics of strong nuclear forces and the structure of hadrons. The TOF method, known for its precision in measuring particle velocities, is employed to calibrate the pi-meson channel by determining the flight times of these particles between known points in the experimental setup. The thesis begins with an overview of pi-mesons, their properties, and their significance in particle physics research. It then delves into the theoretical framework of the TOF method, detailing its principles and applications in particle detection and identification. Experimental setup and data acquisition procedures are elucidated, highlighting the specific methodologies employed to collect and analyze TOF data for pi-mesons. Results from the calibration process are presented, including the determination of flight times, velocity measurements, and corresponding uncertainties. The accuracy and reliability of the TOF method in calibrating the pi-meson channel are assessed through statistical analysis and comparison with theoretical predictions. Furthermore, the thesis discusses the implications of calibrated pi-meson channels in advancing research on particle interactions and fundamental physics. Insights gained from this calibration study contribute to enhancing the precision of particle detectors and improving our understanding of pi-meson behavior in high-energy environments. In conclusion, the calibration of the pi-meson channel using the TOF method represents a significant step forward in experimental particle physics, offering insights into particle dynamics and paving the way for future advancements in fundamental research.

• ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА РАБОТА БАКАЛАВРА
• КАЛИБРОВКА ПИ-МЕЗОННОГО КАНАЛА МЕТОДОМ ВРЕМЕНИ ПРОЛЁТА
• по направлению подготовки 03.03.02 - Физика
• РЕФЕРАТ
• ABSTRACT
• ГЛАВА 1. ИССЛЕДУЕМЫЕ ЧАСТИЦЫ….8
  • 1.1.1. Введение…………..8
  • 1.1.2 Историческая справка………...8
  • 1.1.3. Основные свойства протонов…..11
  • 1.1.4. Применение протонов….14
  • 1.2 π+ мезоны…...18
  • 1.2.1. Введение…..18
  • 1.2.2. Историческая справка…..19
• ГЛАВА 2. РОЖДЕНИЕ π+ МЕЗОНОВ НА БЕРИЛЛИЕВОЙ МИШЕНИ ….27
• ГЛАВА 3. Синхроциклотрон СЦ-1000…...30
• ГЛАВА 4. КВАДРУПОЛЬНЫЕ ЛИНЗЫ……….32
• 4.1 Введение...32
• ГЛАВА 5. Используемые Детекторы...35
• 5.1 Пропорциональная камера…...35
• 5.2 Сцинтилляционный детектор…..38
• Глава 6. Постановка эксперимента…….42
• 6.1 Получение пучка пи-мезонов…...42
• 6.2 Отбор частиц с заданным импульсом…...42
• 6.3 Расположение счётчиков и организация схемы совпадений…..43
• ГЛАВА 7. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ…..46
• 7.1 Разделение протонов и пи-мезонов. Построение гистограмм времён пролёта……..46
• 7.2 Построение зависимости времени пролёта от импульса частиц…..49
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ...54
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ….54
• ГЛАВА 1. ИССЛЕДУЕМЫЕ ЧАСТИЦЫ
  • 1.1. Протоны.
  • 1.1.1. Введение.
  • Протоны являются одной из самых фундаментальных частиц во вселенной и играют значительную в составе вещества. Открытые более века назад, протоны с тех пор стали объектом обширных исследований, раскрывающих их сложную структуру и взаимодействия.
  • 1.1.2 Историческая справка.
  • Открытие и ранние исследования
  • Концепция протона как фундаментальной частицы возникла в начале 20-го века. Одним из ключевых ученых, внесших вклад в это открытие, был британский физик Эрнест Резерфорд. В 1911 году Резерфорд провел свой знаменитый эксперимент с золотой фольгой, который привел к открытию атомного ядра. В этом эксперименте альфа-частицы направлялись на тонкий лист золотой фольги, и было обнаружено, что, хотя большинство частиц проходили сквозь, небольшая часть отклонялась на большие углы. Это свидетельствовало о существовании плотного, положительно заряженного центра внутри атома — ядра.
  • Идентификация протона
  • В 1917 году Резерфорд сделал еще один шаг вперед и провел эксперименты, которые привели к идентификации протона. Он облучал азот газ альфа-частицами и наблюдал выброс ядер водорода. Резерфорд заключил, что ядро водорода, имеющее положительный заряд, является фундаментальным строительным блоком всех атомных ядер. Он назвал эту частицу "протоном" что происходит от греческого слова "протос" означающего "первый" что отражает его фундаментальную природу в атомной структуре.
  • Развитие ядерной теории
  • Открытие протона стало переломным моментом в развитии ядерной теории. Оно обеспечило более глубокое понимание атомной структуры и заложило основу для развития квантовой механики и ядерной физики. Протон, наряду с нейтроном (открытым Джеймсом Чедвиком в 1932 году), был признан основным компонентом атомных ядер, что привело к современному пониманию атома.
  • Прогресс в экспериментальных техниках
  • В течение 20-го века прогресс в экспериментальных техниках и технологиях позволил ученым изучать протоны в большей степени. Развитие ускорителей частиц позволило проводить столкновения с высокой энергией, предоставляя информацию о структуре протона и фундаментальных силах, управляющих его взаимодействиями. Эти эксперименты показали, что протоны не являются элементарными частицами, но состоят из трех кварков (двух верхних кварков и одного нижнего кварка), связанных сильным ядерным взаимодействием, осуществляемым глюонами.
  • Квантовая хромодинамика (КХД)
  • Понимание протонов было еще более уточнено с развитием квантовой хромодинамики (КХД) в 1970-х годах. КХД — это теория, описывающая взаимодействия между кварками и глюонами, фундаментальными частицами, составляющими протоны и нейтроны. Она объясняет, как сильное ядерное взаимодействие действует на субатомном уровне, предоставляя всеобъемлющую основу для понимания поведения и свойств протонов.
  • Современные исследования
  • В последние годы исследования протонов продолжают развиваться. Эксперименты на таких установках, как Большой адронный коллайдер (БАК), исследуют внутреннюю структуру протонов с беспрецедентной точностью. Исследования сосредоточены на понимании распределения кварков и глюонов внутри протона, изучении таких явлений, как спин протона, и исследовании возможности распада протона, гипотетического процесса, предсказанного некоторыми теориями великого объединения.
  • Заключение
  • Открытие протона и последующие исследования были фундаментальными для развития современной физики. От ранних экспериментов Резерфорда до современных исследований в области физики частиц, протон остается центральным объектом научных исследований. Его свойства и взаимодействия предоставляют важные сведения о природе вещества и фундаментальных силах вселенной, подчеркивая важность протона как в теоретической, так и в экспериментальной физике.
  • 1.1.3. Основные свойства протонов.
  • Масса и заряд
  • Протоны — это положительно заряженные субатомные частицы с зарядом +1 элементарный заряд (примерно 1.602 × 10^-19 кулон). Их масса составляет около 1.6726219 × 10^-27 килограмма, что немного меньше массы нейтронов, но значительно больше массы электронов. Масса протона примерно в 1836 раз больше массы электрона. Эти свойства делают протоны важными компонентами атомных ядер, вносящими вклад как в массу, так и в заряд атомов.
  • Структура и состав
  • Протоны не являются элементарными частицами; они являются составными частицами, состоящими из трех кварков. В частности, протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка. Эти кварки удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием, которое передается частицами, называемыми глюонами. Этот состав классифицирует протоны как барионы, подмножество адронов. Взаимодействия между кварками и глюонами внутри протона описываются теорией квантовой хромодинамики (КХД).
  • Магнитный момент и спин
  • Протоны обладают магнитным моментом из-за своего заряда и внутренней структуры. Магнитный момент протона составляет примерно 2.793 μ_N (ядерных магнетонов), что является важным фактором в таких методах, как ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Кроме того, протоны имеют внутренний угловой момент, известный как спин, со значением 1/2. Это значение спина классифицирует протоны как фермионы, что означает, что они подчиняются статистике Ферми-Дирака и подвержены принципу запрета Паули, согласно которому два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии одновременно.
  • Стабильность и срок жизни
  • Протоны являются чрезвычайно стабильными частицами, и на сегодняшний день нет экспериментальных доказательств того, что они распадаются. Согласно Стандартной модели физики частиц, протоны должны иметь очень долгий срок жизни, порядка по крайней мере 10^34 лет. Однако некоторые теории великого объединения (ГУТ) предсказывают, что протоны могут распадаться на очень длительных временных интервалах, хотя это еще не было наблюдено экспериментально.
  • Роль в атомных ядрах
  • Протоны вместе с нейтронами образуют ядра атомов. Число протонов в ядре, известное как атомный номер, определяет химический элемент атома. Например, у водорода один протон, а у гелия — два. Взаимодействие между притягивающей сильной ядерной силой (которая связывает протоны и нейтроны вместе в ядре) и отталкивающей электромагнитной силой (которая действует между положительно заряженными протонами) определяет стабильность и структуру атомных ядер. Баланс этих сил является решающим для существования стабильных атомов и разнообразия элементов во Вселенной.
  • Взаимодействия и силы
  • Протоны взаимодействуют с другими частицами через все четыре фундаментальные силы природы: гравитационную, электромагнитную, слабую ядерную и сильную ядерную силы. Сильная ядерная сила, которая является самой мощной из этих взаимодействий, отвечает за связывание кварков внутри протона и удержание протонов и нейтронов вместе в атомном ядре. Электромагнитная сила вызывает отталкивание протонов друг от друга из-за их положительных зарядов. Слабая ядерная сила играет роль в некоторых видах радиоактивного распада и взаимодействиях частиц, включающих протоны. Гравитационные взаимодействия, хотя и присутствуют, незначительны на субатомном уровне по сравнению с другими тремя силами.
  • Применение в науке и технике
  • Протоны играют важную роль в различных научных и технологических приложениях. В физике частиц протоны часто используются в качестве снарядов в ускорителях частиц для изучения свойств вещества на самых малых масштабах. Протонные пучки также используются в медицинских процедурах, таких как протонная терапия, для точного уничтожения раковых клеток. Понимание поведения и взаимодействий протонов имеет решающее значение для таких областей, как ядерная физика и химия, астрофизика и космология.
  • Заключение
  • Фундаментальные свойства протонов — их масса, заряд, структура, магнитный момент и взаимодействия — имеют центральное значение для нашего понимания атомной и субатомной физики. Протоны не только являются основными компонентами материи, но и предоставляют ключевые сведения о фундаментальных силах и частицах, составляющих Вселенную. Продолжающиеся исследования свойств и поведения протонов остаются краеугольным камнем современной науки и техники.
  • 1.1.4. Применение протонов.
  • Медицинские приложения
  • Протонная терапия
  • Одним из самых значительных медицинских применений протонов является лечение рака с помощью техники, называемой протонной терапией. Протонная терапия использует пучок протонов для облучения пораженной ткани, чаще всего при лечении рака. Преимущество протонной терапии перед традиционной радиотерапией заключается в ее способности доставлять точные дозы радиации в опухоль, минимизируя при этом повреждение окружающих здоровых тканей. Эта точность обусловлена уникальными физическими свойствами протонов, которые можно контролировать, чтобы остановить на определенной глубине в теле, известной как пик Брэгга.
  • Диагностическая визуализация
  • Протоны также играют роль в диагностической визуализации. В частности, протонная магнитно-резонансная томография (МРТ) — это техника, использующая магнитные свойства протонов в человеческом теле для получения детальных изображений тканей и органов. Хотя традиционная МРТ использует магнитные моменты ядер водорода (протонов) в молекулах воды и жира, продолжающиеся исследования изучают потенциал прямого использования протонов в различных передовых методах визуализации.
  • Научные исследования
  • Физика частиц
  • В физике частиц протоны широко используются в экспериментах с высокими энергиями для изучения фундаментальных сил и частиц Вселенной. Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН является одним из наиболее известных примеров, где протоны разгоняются до околосветовых скоростей и сталкиваются друг с другом. Эти высокоэнергетические столкновения позволяют ученым исследовать субатомный мир, приводя к открытиям, таким как бозон Хиггса, и предоставляя инсайты в природу темной материи и других фундаментальных частиц.
  • Ядерная физика
  • Протоны также имеют решающее значение в исследованиях ядерной физики. Понимание взаимодействий протонов и их поведения внутри атомных ядер помогает ученым исследовать силы, которые удерживают ядра вместе, и механизмы ядерных реакций. Эти знания важны для приложений, начиная от производства энергии в ядерных реакторах и заканчивая синтезом новых элементов.
  • Производство энергии
  • Энергия слияния
  • Протоны играют важную роль в развитии энергии слияния, потенциального источника чистой и практически неограниченной энергии в будущем. Слияние включает в себя объединение легких атомных ядер, таких как ядра изотопов водорода (протоны), для образования более тяжелых ядер с высвобождением огромного количества энергии. Исследования в области контролируемого слияния направлены на воспроизведение процессов, которые питают солнце и звезды, с целью использования этой энергии на практике на Земле. Такие установки, как ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор), находятся на переднем крае этих исследований.
  • Космические исследования
  • Космические лучи
  • Протоны являются основным компонентом космических лучей, высокоэнергетических частиц, которые путешествуют через космос и взаимодействуют с атмосферой Земли. Изучение космических лучей помогает ученым понять различные астрофизические процессы и условия в космосе. Инструменты на спутниках и космических зондов используются для обнаружения и анализа этих протонов, предоставляя ценные данные о таких явлениях, как сверхновые и межзвездная среда.
  • Пропульсия космических аппаратов
  • Протоны также рассматриваются в передовых концепциях пропульсии космических аппаратов. Одна из таких концепций — использование систем протонной пропульсии, где протоны разгоняются до высоких скоростей и выбрасываются для создания тяги. Эта технология может потенциально обеспечить более быстрое и эффективное космическое путешествие, помогая в миссиях на далекие планеты и за их пределы.
  • Промышленные приложения
  • Материаловедение
  • Протоны используются в материаловедении для различных приложений, включая анализ и модификацию материалов. Техники, такие как протон-индуцированное рентгеновское излучение (PIXE), позволяют проводить элементный анализ образцов, предоставляя подробную информацию о их составе. Кроме того, протонные пучки могут использоваться для создания или модификации материалов с определенными свойствами, полезными в разработке новых технологий и промышленных процессов.
  • Производство полупроводников
  • В полупроводниковой промышленности протоны используются в процессах, таких как ионная имплантация, где они внедряются в полупроводниковые материалы для изменения их электрических свойств. Этот процесс критически важен для изготовления электронных устройств, таких как транзисторы и интегральные схемы, которые составляют основу современной электроники.
  • Экологические приложения
  • Влияние протонного излучения
  • Изучение воздействия протонного излучения на материалы и биологические системы важно для понимания и снижения радиационных повреждений. Эти исследования особенно актуальны для разработки радиационно-стойких материалов и оценки потенциальных рисков для здоровья, связанных с воздействием протонного излучения в различных средах, включая космос и ядерные установки.
  • Заключение
  • Применение протонов охватывает широкий спектр областей, от медицины и научных исследований до производства энергии и космических исследований. Протоны играют ключевую роль в продвижении нашего понимания Вселенной и в разработке новых технологий, приносящих пользу обществу. По мере того как исследования продолжают раскрывать свойства и взаимодействия протонов, их значение в фундаментальной науке и практических приложениях будет несомненно расти.
  • 1.2. π+ мезоны.
  • 1.2.1. Введение.
  • Пи+ мезоны, также известные как положительно заряженные пионы, являются фундаментальными частицами в области физики элементарных частиц. Они относятся к семейству мезонов, которые представляют собой адронные частицы, состоящие из одного кварка и одного антикварка. Изучение пи+ мезонов необходимо для понимания взаимодействий и поведения субатомных частиц, особенно в рамках сильного ядерного взаимодействия.
  • 1.2.2. Историческая справка
  • Открытие и теоретические предсказания
  • Концепция мезонов, включая пи+ мезон, возникла из необходимости объяснить силы, удерживающие атомные ядра вместе. В 1930-х годах сильное ядерное взаимодействие было признано фундаментальной силой, связывающей протоны и нейтроны внутри ядра, но посредник этой силы был неизвестен. Японский физик Хидэки Юкава впервые предложил существование мезонов в 1935 году как переносчиков сильного взаимодействия. Теория Юкавы предполагала, что мезоны являются частицами промежуточной массы, которые способствуют сильному взаимодействию между нуклонами (протонами и нейтронами).
  • Экспериментальное открытие
  • Фактическое открытие пи+ мезона произошло более чем через десятилетие после теоретического предсказания Юкавы. В 1947 году команда исследователей под руководством Сесила Пауэлла из Университета Бристоля наблюдала пи мезоны во взаимодействиях космических лучей с использованием фотографических эмульсий. Это эпохальное открытие принесло Пауэллу Нобелевскую премию по физике в 1950 году. Фотографические эмульсии позволили визуализировать треки частиц, предоставив четкие доказательства существования пи мезонов.
  • Идентификация пи+ мезонов
  • Дальнейшие эксперименты в последующие годы смогли идентифицировать различные типы пионов, включая пи+ мезон. К 1948 году, используя передовые методы детектирования частиц, физики смогли различить пи+ мезон (положительно заряженный) от его нейтрального (пи0) и отрицательно заряженного (пи-) аналогов. Было обнаружено, что эти частицы распадаются на другие частицы, что подтвердило их временный характер и сыграло ключевую роль в нашем понимании взаимодействий частиц.
  • Роль в физике частиц
  • Открытие пи+ мезона и его аналогов подтвердило гипотезу Юкавы и значительно продвинуло область физики частиц. Было установлено, что пи мезоны передают сильное ядерное взаимодействие, действуя как обменные частицы между нуклонами в ядре. Это открытие предоставило значительную поддержку зарождающейся квантовой теории поля и развитию Стандартной модели физики частиц.
  • Достижения в экспериментальных методах
  • Изучение пи+ мезонов значительно выиграло от прогресса в технологии ускорителей частиц в середине 20-го века. Такие установки, как Беватрон в Лаборатории имени Лоуренса в Беркли, позволили ученым производить и изучать пи+ мезоны в контролируемых условиях. Эти эксперименты дополнительно прояснили свойства пи+ мезонов, включая их массу, заряд и режимы распада.
  • Влияние на современную физику
  • Исследования пи+ мезонов оказали длительное воздействие на современную физику. Понимание мезонов и их взаимодействий заложило основу для развития квантовой хромодинамики (QCD) — теории, описывающей взаимодействия между кварками и глюонами. Пи+ мезоны, состоящие из одного верхнего кварка и одного антинижнего кварка, стали ключевым объектом изучения в QCD, помогая физикам исследовать фундаментальные аспекты сильного взаимодействия.
  • Современные исследования
  • В последние десятилетия изучение пи+ мезонов продолжает развиваться с использованием сложных детекторов и высокоэнергетических коллайдеров частиц, таких как Большой адронный коллайдер (LHC) в CERN. Эти установки позволяют точно измерять свойства пи+ мезонов и их взаимодействия, способствуя более глубокому пониманию сильного ядерного взаимодействия и поведения адронной материи.
  • Заключение
  • Историческая справка о пи+ мезонах является свидетельством прогресса физики частиц от теоретических предсказаний до экспериментальных открытий. От первоначальной гипотезы Юкавы до экспериментальной проверки Пауэлла и последующих достижений, изучение пи+ мезонов значительно повлияло на наше понимание сильного ядерного взаимодействия и фундаментальной структуры материи. Продолжающиеся исследования пи+ мезонов остаются важными для понимания сложностей субатомного мира и дальнейшего развития области физики частиц.
    • Масса и заряд
    • Кварковый состав и структура
    • Спин и четность
    • Время жизни и режимы распада
    • Роль в сильном ядерном взаимодействии
    • Взаимодействия с другими частицами
    • Значение в физике элементарных частиц
    • Заключение
      • Медицинские Применения
      • Научные Исследования
      • Астрофизика и Космология
      • Технологические и Промышленные Применения
      • Фундаментальные Исследования по Физике
    • Заключение
    • Применение π⁺-мезонов охватывает широкий спектр областей, от медицинских терапий и научных исследований до промышленных процессов и фундаментальных исследований по физике. Их уникальные свойства делают их ценными инструментами для изучения природы материи и фундаментальных сил, управляющих вселенной. Продолжающиеся исследования и эксперименты с π⁺-мезонами, вероятно, приведут к новым открытиям и достижениям, подтверждая их важность как в прикладной, так и в теоретической физике.
• ГЛАВА 2. РОЖДЕНИЕ π+ МЕЗОНОВ НА БЕРИЛЛИЕВОЙ МИШЕНИ
  • Рождение π⁺ Мезонов в Взаимодействии Протона с Бериллием
  • Производство π⁺ мезонов (положительно заряженных пионов) через взаимодействие протонов с мишенями из бериллия (Be) — это увлекательный процесс, который подчеркивает сложную динамику взаимодействий частиц в физике высоких энергий. Этот процесс включает сложные механизмы, управляемые сильным ядерным взаимодействием, которое является одной из четырех фундаментальных сил природы.
  • Взаимодействие Протона с Бериллием
  • Когда высокоэнергетические протоны сталкиваются с мишенью из бериллия, могут происходить несколько взаимодействий, приводящих к образованию различных частиц, включая π⁺ мезоны. Основные механизмы, участвующие в этих взаимодействиях, — это упругое и неупругое рассеяние.
  • Упругое Рассеяние: В этом процессе инцидентный протон взаимодействует с нуклоном (протоном или нейтроном) внутри ядра бериллия, передавая часть своей энергии без значительной ядерной реакции или образования частиц.
  • Неупругое Рассеяние: Это процесс, при котором инцидентный протон имеет достаточно энергии, чтобы возбудить ядро или даже разрушить его, что приводит к образованию вторичных частиц. В этом контексте обычно образуются π⁺ мезоны.
  • Механизм Производства
  • В условиях высоких энергий взаимодействие протона с ядром бериллия может привести к образованию π⁺ мезонов через следующие этапы:
  • Столкновение Протона: Высокоэнергетический протон сталкивается с нуклоном в ядре бериллия. Это столкновение обеспечивает достаточную энергию для преодоления энергии связи нуклонов и создания новых частиц.
  • Взаимодействия Кварков: Во время столкновения кварки внутри протонов и нейтронов взаимодействуют через обмен глюонами, переносчиками сильной силы. Эти взаимодействия могут привести к созданию пар кварк-антикварк.
  • Формирование Мезонов: Пары кварк-антикварк формируют мезоны. В частности, π⁺ мезон состоит из верхнего кварка (u) и антинижнего кварка (d̅). Эта комбинация может быть произведена, когда энергия столкновения достаточна для создания этих пар кварков.
  • Реакцию можно упростить и представить следующим образом:
  • Свойства и Обнаружение π⁺ Мезонов
  • Масса и Заряд: π⁺ мезон имеет массу приблизительно 139,57 МэВ/с² и несет положительный заряд.
  • Время Жизни: π⁺ мезоны являются нестабильными частицами с относительно коротким временем жизни около 2,6×10−8 секунд. Они в основном распадаются на мюон (μ⁺) и мюонное нейтрино (νμ).
  • Обнаружение
  • В экспериментальных условиях производство π⁺ мезонов можно обнаружить с помощью различных детекторов частиц, которые отслеживают траектории и свойства произведенных частиц. Фотографические эмульсии, пузырьковые камеры и современные кремниевые детекторы — это примеры технологий, используемых для наблюдения и изучения π⁺ мезонов.
  • Экспериментальный Контекст
  • Производство π⁺ мезонов через взаимодействия протонов с бериллием — значительное явление, изучаемое в ускорителях частиц. Такие установки, как Протонный Синхротрон в ЦЕРН и комплекс ускорителей в Фермилабе, провели множество экспериментов, в которых высокоэнергетические протоны направляются на мишени из бериллия для исследования свойств π⁺ мезонов и других вторичных частиц, произведенных в таких столкновениях.
  • Эти эксперименты способствовали нашему пониманию сильного ядерного взаимодействия, механизмов производства частиц и фундаментальной структуры материи. Изучая взаимодействия и распады π⁺ мезонов, физики получили представление о поведении кварков и глюонов, строительных блоков адронов.
  • Заключение
  • Рождение π⁺ мезонов в взаимодействиях протона с бериллием является важным процессом в физике высоких энергий, предоставляющим ценную информацию о сильном ядерном взаимодействии и фундаментальных частицах, составляющих материю. Благодаря экспериментальным исследованиям этих взаимодействий ученые продолжают исследовать сложную динамику создания и распада частиц, углубляя наше понимание вселенной на самом фундаментальном уровне.
• ГЛАВА 3. Синхроциклотрон СЦ-1000
• Синхроциклотрон СЦ-1000 представляет собой ускоритель частиц, разработанный для ускорения заряженных частиц до высоких энергий путем многократного ускорения в магнитном поле. Вот основные аспекты этого устройства:
• Основные характеристики
• Технические параметры: СЦ-1000 обладает высокой энергетикой, способной ускорять заряженные частицы до значительных энергий, необходимых для исследования физики элементарных частиц и других научных приложений.
• Принцип работы: Устройство использует комбинацию электрических и магнитных полей для ускорения заряженных частиц. Частицы ускоряются и перемещаются вокруг кольцевого ускорителя, увеличивая свою энергию с каждым оборотом.
• Применение: СЦ-1000 широко используется в фундаментальных исследованиях физики высоких энергий, ядерной физики, астрофизики и других областях науки, где требуются высокие энергии частиц для проведения экспериментов.
• Примеры использования
• Исследования структуры материи: СЦ-1000 позволяет изучать внутреннее строение атомных ядер и фундаментальных частиц, проводя коллизии заряженных частиц с высокими энергиями.
• Медицинские приложения: Возможно использование ускорителя для создания пучков частиц для радиотерапии рака, где требуется точное направленное облучение опухолей.
• Промышленные и технологические приложения: Ускорители частиц могут быть также применены в индустрии для создания новых материалов и анализа их состава.
• Энергия ускоренных протонов составляет 1000 МэВ. Установка поддерживает три протонных пучка с интенсивностью до 6 * 10^12 частиц в секунду. В центре магнита индукция достигает 1,9 Тл, а вес самого магнита составляет 7800 тонн. Время работы на физические эксперименты составляет до 3600 часов в год.
• Протонный синхроциклотрон СЦ-1000 был запущен в 1970 году и в последствии значительно модернизирован. Эта установка является базовым научно-исследовательским комплексом Института, специализирующимся на физике элементарных частиц, структуре атомных ядер, механизмах ядерных реакций, физике твердого тела, а также на прикладной физике и ядерно-медицинских исследованиях.
• Синхроциклотрон СЦ-1000 также служит базой для Центра коллективного пользования «Гатчинский Протонный Комплекс».
• Заключение
• Синхроциклотрон СЦ-1000 является мощным научным инструментом, позволяющим исследовать фундаментальные вопросы о природе материи и Вселенной. Его возможности по ускорению и манипулированию заряженными частицами делают его необходимым инструментом в современной научной лаборатории.
• ГЛАВА 4. КВАДРУПОЛЬНЫЕ ЛИНЗЫ
• Введение
• ГЛАВА 5. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
• 5.1. Пропорциональная камера
• Проволочные камеры являются неотъемлемыми компонентами в области экспериментальной физики элементарных частиц, известными своей способностью обнаруживать и отслеживать заряженные частицы с высокой точностью. Эти устройства сыграли ключевую роль в продвижении нашего понимания фундаментальных частиц, их взаимодействий и структуры вещества. Вот исследование проволочных камер, охватывающее их конструкцию, принцип работы, применения и значение в научных исследованиях:
  • Введение в Проволочные Камеры
  • Конструкция и Принцип работы
  • Типы Проволочных Камер
  • Применения Проволочных Камер
  • Технологические Достижения и Вызовы
• Перспективы
• 5.2. Сцинтилляционный детектор
• Сцинтилляционные счетчики являются важными устройствами в области обнаружения радиации и физики элементарных частиц, широко используемыми благодаря своей способности преобразовывать входящую радиацию в обнаруживаемые световые импульсы. Эта технология играет ключевую роль в различных научных областях, начиная от фундаментальных исследований в физике элементарных частиц до практических применений в медицинской диагностике и ядерной безопасности. Вот подробное изучение сцинтилляционных счетчиков:
• Ядерная безопасность: Сцинтилляционные счетчики применяются в системах мониторинга и обнаружения радиации для приложений в области национальной безопасности, включая контроль на границах, инспекцию грузов и экологический мониторинг.
• ГЛАВА 6. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
• 6.1. Получение пучка пи-мезонов
• По результатам выпускной квалификационной работы студента СпбПУ Цуракова И. А. был сфокусирован пучок протонов на бериллиевой мезонообразующей мишени. Профиль пучка протонов перед мезонообразующей мишенью был проверен с помощью фотобумаги.
• 6.2. Отбор частиц с заданным импульсом
• Далее по расчитанным данным были настроены квадрупольные линзы и два поворотных магнита так, чтобы отбирались частицы с заданным импульсом. Сначала установка была настроена на получение пучка π- мезонов с импульсом 730 МэВ, для проверки работоспособности схемы. Далее настроили на π+ мезоны и протоны с импульсом 730 МэВ и спускались по импульсам, собирая статистику.
• 6.3. Расположение счётчиков и организация схемы совпадений
• После линз была установлена система сцинтилляционных счётчиков. На π- и π+ при импульсах 730 МэВ счётчики S2 и S3 были расположены максимально близко друг к другу, так называемый 0-run (Рисунок 1.). Далее S2 был переставлен на значительное расстояние от S3 для измерения с их помощью импульсов частиц (Рисунок 2).
• Расстояния между счётчиками до и после перестановки указаны в Таблица 1 и Таблица 2.
• Триггерная система представлена схемой подключения входов ПМС (программируемая матрица совпадений) модуля на Таблица 3. Событие читаелось только при совпадении всех входов, вход busy подаёт сигнал 0 когда происходит чтение события и 1 в остальное время.
• ГЛАВА 7. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ
• 7.1. Разделение протонов и пи-мезонов. Построение гистограмм времён пролёта.
• Полученные данные содержат времена и амплитуды сигналов счётчиков (Рисунок 3,Рисунок 4,Рисунок 5) в каналах модулей TDC (time digital converter) и CADC (Cyclic Analog to Digital Converter), однако для анализа необходимо отделить события с протонами от событий с пионами. Для этого воспользуемся свойством протонов как более тяжёлой частицы порождать сигнал большей амплитуды в счётчиках, тогда протонные события будут соответствовать второму гауссиану на гистограммах ADC.
• Была составлена таблица границ амплитуд между пионами и протонами для каждого счётчика и произведена фильтрация событий по границе амплитуд S2R для импульса 351 МэВ и по границе амплитуд S1L для остальных импульсов. По отфильтрованным событиям построены гистограммы времён пролёта — S2-S3, S1-S2, S1-S3 (Рисунок 6,Рисунок 7)
• 7.2. Построение зависимости времени пролёта от импульса частиц.
• Теперь с имеющимися данными можно записать пик гистограммы как время пролёта данных счётчиков для каждого импульса и построить зависимость канала пика от импульса частицы (). А также построить зависимость среднеквадратичного отклонения от импульса ().
• Далее воспользуемся нулевым раном чтобы рассчитать коэффициент перевода каналов TDC в нс. Возьмём разницу между временем пролёта S2-S3 до перестановки S2 и после, получится 245 и 389 каналов для пионов и протонов соответственно. Расстояние на которое был сдвинут S2 — 181.9 см. Рассчитаем время пролёта пиона и протона пользуясь формулами релятивистской динамики:
• ,
• где p - импульс в ГэВ, M - масса покоя в ГэВ, L - расстояние в м, с - скорость света в м/с.
• Получившееся время поделим на каналы и получим 0.025214 нс/канал и 0.0254009 нс/канал для пионов и протонов соответственно, что хорошо сходится с табличным значением 25 пкс для модуля TDC. Теперь переведём каналы TDC в нс используя коэффициент для пионов.
• Из-за разных задержек сигналов со счётчиков графики времени пролёта будут отличаться от теоретических на некую константу. Вычислим её несколькими путями.
• Первый - используя 0-run по формуле
• где theor.time - время рассчитанное по вышеприведённой формуле, zero_ch - каналы в 0-run, coef_pi - ранее расчитанный коэффициент. Плученные этим способом константы отражены в Таблица 4.
• Второй способ - используя программный пакет root вычислить константу по методу наименьших квадратов при аппроксимации экспериментальных точек теоретическим графиком. Результаты этого способа отражены в Таблица 5. Ими мы и воспользуемся при построении графика Рисунок 10 сравнения теоретических и экспериментальных времён пролёта. Как видно из графика эксперимент хорошо согласуется с теорией.
• Далее мы вычисляем инструментальную погрешность как среднеквадратичное отклонение на нулевом ране протонов. Переведя её и ранее полученные отклонения в нс и вычтя инструментальную получаем среднеквадратичное отклонение времён пролёта обусловленное исключительно дисперсией импульсов протонов (Рисунок 12). Из него вычисляем само отклонение импульсов протонов, получая отклонение в 2.67% на импульсе 351 МэВ, что неплохо сходится с теоритическим 2.25% после красного коллиматора.
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• Целью данной работы была предварительная калибровка импульсного магнитного спектрометра на базе пи-мезонного канала и в процессе выполнения работы была реализована времяпролётная система пригодная для измерения разброса частиц по импульсу, в чём мы убедились проанализировав экспериментальные данные и сравнив их с теоретическими.
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ