В физике элементарных частиц глубоконеупругое рассеяние — это название процесса, используемого для исследования внутренностей адронов (особенно барионов , таких как протоны и нейтроны ) с использованием электронов , мюонов и нейтрино . [1] [2] Впервые это было предпринято в 1960-х и 1970-х годах и предоставило первое убедительное доказательство реальности кварков , которые до этого момента многие считали чисто математическим явлением. Это расширение резерфордовского рассеяния на гораздо более высокие энергии рассеивающей частицы и, следовательно, на гораздо более точное разрешение компонентов ядер .
Генри Уэй Кендалл , Джером Исаак Фридман и Ричард Э. Тейлор были совместно лауреатами Нобелевской премии 1990 года «за новаторские исследования глубоко неупругого рассеяния электронов на протонах и связанных нейтронах, которые имели существенное значение для развития кварков». модель в физике элементарных частиц». [3]
Чтобы объяснить каждую часть терминологии, « рассеяние » относится к отклонению лептонов (электронов, мюонов и т. д.) от адронов. Измерение углов отклонения дает информацию о характере процесса. « Неэластичный » означает, что цель поглощает некоторую кинетическую энергию. Фактически, при очень высоких энергиях используемых лептонов мишень «разбивается» и испускает множество новых частиц. Эти частицы представляют собой адроны, и, если сильно упростить, этот процесс интерпретируется как составляющий кварк мишени, «выбивающийся» из целевого адрона, и из-за удержания кварков кварки фактически не наблюдаются, а вместо этого производят наблюдаемые частицы путем адронизация . «Глубокий» относится к высокой энергии лептона, что дает ему очень короткую длину волны и, следовательно, способность исследовать расстояния, малые по сравнению с размером целевого адрона, поэтому он может исследовать «глубоко внутри» адрона. Также обратите внимание, что в пертурбативном приближении именно виртуальный фотон высокой энергии, испускаемый лептоном и поглощаемый целевым адроном, передает энергию одному из составляющих его кварков, как на соседней диаграмме.
Стандартная модель физики, в частности работа Мюррея Гелл-Манна в 1960-х годах, успешно объединила многие из ранее разрозненных концепций физики элементарных частиц в одну, относительно простую схему. По сути, существовало три типа частиц:
Лептоны были обнаружены с 1897 года, когда Дж. Дж. Томсон показал, что электрический ток представляет собой поток электронов. Некоторые бозоны обнаруживались регулярно, хотя частицы электрослабого взаимодействия W + , W - и Z 0 были категорически видны только в начале 1980-х годов, а глюоны были надежно зафиксированы только в DESY в Гамбурге примерно в то же время. Однако кварки все еще были неуловимы.
На основе новаторских экспериментов Резерфорда в первые годы 20 века были сформулированы идеи обнаружения кварков. Резерфорд доказал, что атомы имеют маленькое массивное заряженное ядро в центре, стреляя альфа-частицами в атомы золота. Большинство из них прошли с небольшим отклонением или вообще без него, но некоторые были отклонены на большие углы или вернулись обратно. Это предполагало, что атомы имеют внутреннюю структуру и много пустого пространства.
Чтобы исследовать внутреннюю часть барионов, необходимо было использовать небольшую, проникающую и легко производимую частицу. Электроны идеально подходили для этой роли, поскольку их много и они легко ускоряются до высоких энергий благодаря своему электрическому заряду. В 1968 году в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) электроны стреляли по протонам и нейтронам в атомных ядрах. [4] [5] [6] Более поздние эксперименты [2] были проведены с мюонами и нейтрино , но применяются те же принципы. [1] [7]
Столкновение поглощает некоторую кинетическую энергию и поэтому является неупругим . Это отличие от резерфордовского рассеяния, которое является упругим : без потери кинетической энергии. Электрон выходит из ядра, и его траекторию и скорость можно определить. Анализ результатов привел к выводу, что адроны действительно имеют внутреннюю структуру. Эксперименты были важны, потому что они не только подтвердили физическую реальность кварков, но и еще раз доказали, что Стандартная модель была правильным направлением исследований для физиков элементарных частиц.