Эксперимент с фиксированной мишенью в физике элементарных частиц — это эксперимент, в котором пучок ускоренных частиц сталкивается с неподвижной мишенью. Движущийся пучок (также известный как снаряд) состоит из заряженных частиц, таких как электроны или протоны , и ускоряется до релятивистской скорости . Неподвижная мишень может быть твердым блоком, жидкой или газообразной средой. [1] [2] Эти эксперименты отличаются от экспериментов коллайдерного типа, в которых два движущихся пучка частиц ускоряются и сталкиваются. Знаменитый эксперимент Резерфорда с золотой фольгой , проведенный между 1908 и 1913 годами, был одним из первых экспериментов с фиксированной мишенью, в котором альфа-частицы были нацелены на тонкую золотую фольгу. [1] [3] [4]
Энергия, задействованная в эксперименте с фиксированной мишенью, в 4 раза меньше по сравнению с таковой в коллайдере с двумя пучками той же энергии. [5] [6] Более того, в экспериментах с коллайдером энергия двух пучков доступна для создания новых частиц, тогда как в случае с фиксированной мишенью много энергии просто тратится на придание скоростей вновь созданным частицам. Это явно подразумевает, что эксперименты с фиксированной мишенью не помогают, когда дело доходит до увеличения энергетических масштабов экспериментов. [3] [7] Целевой источник также изнашивается с количеством ударов и обычно требует регулярной замены. В современных экспериментах с фиксированной мишенью пытаются использовать высокопрочные материалы, но полностью избежать повреждений невозможно. [8]
Эксперименты с фиксированной мишенью имеют существенное преимущество для экспериментов, требующих более высокой светимости (скорости взаимодействия). [5] [9] Большой адронный коллайдер высокой светимости , который является будущей модернизированной версией Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе , достигнет полной интегральной светимости около за время своего запуска. [10] В то время как масштаб светимости около уже был достигнут в более старых экспериментах с фиксированной мишенью, таких как E288 под руководством Леона Ледермана в Фермилабе . [3] [11] Еще одним преимуществом экспериментов с фиксированной мишенью является то, что их проще и дешевле построить по сравнению с ускорителями коллайдера. [5]
Эксперимент Резерфорда с золотой фольгой, который привел к открытию того, что масса и положительный заряд атома были сосредоточены в небольшом ядре, был, вероятно, первым экспериментом с фиксированной мишенью. Вторая половина 20-го века ознаменовалась ростом установок для физики элементарных частиц и ядерной физики, таких как Суперпротонный синхротрон (SPS) ЦЕРНа и Теватрон Фермилаба , где ряд экспериментов с фиксированной мишенью привел к новым открытиям. 43 эксперимента с фиксированной мишенью были проведены на Теватроне в период его работы с 1983 по 2000 год. [12] В то время как протонные и другие пучки от SPS все еще используются в экспериментах с фиксированной мишенью, таких как сотрудничество NA61/SHINE и COMPASS . Установка с фиксированной мишенью на LHC , называемая AFTER@LHC, также планируется. [13] [14]
Эксперименты с фиксированной мишенью в основном проводятся для интенсивного изучения редких процессов, динамики при высоких x Бьёркена, дифракционной физики, спиновых корреляций и многочисленных ядерных явлений. [13] [14]
Эксперименты на установке Теватрон в Фермилабе охватывали широкий спектр областей физики, таких как проверка теоретических предсказаний теории квантовой хромодинамики , изучение структуры протона , нейтрона и мезонов , а также изучение тяжелых кварков, таких как очарованный и нижний . Несколько экспериментов были направлены на проверку CP-симметрии . Несколько коллабораций также изучали гипероны и нейтрино, созданные в установках с фиксированной мишенью. [12] [15]
NA61/SHINE в SPS изучает фазовые переходы в сильно взаимодействующей материи и физику, связанную с началом удержания . [16] В то время как эксперимент COMPASS исследует структуру адронов . [ 17]
AFTER@LHC нацелен на изучение распределения глюонов и кварков внутри протонов и нейтронов с использованием установок с фиксированной мишенью. [ 13] Также есть возможности наблюдать W- и Z-бозоны . [18] Также рассматриваются наблюдение и изучение рождения пар Дрелла-Яна и кваркония . [14]
Таким образом, существует множество вариантов исследования экстремальных и редких физических явлений в экспериментах с фиксированной мишенью.
