В физике элементарных частиц глубоконеупругое рассеяние — это название, данное процессу, используемому для исследования внутренностей адронов (в частности, 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 рассеяния Резерфорда до гораздо более высоких энергий рассеивающей частицы и, таким образом, до гораздо более тонкого разрешения компонентов ядер .
Генри Уэй Кендалл , Джером Айзек Фридман и Ричард Э. Тейлор стали соавторами Нобелевской премии 1990 года «за пионерские исследования, касающиеся глубоконеупругого рассеяния электронов на протонах и связанных нейтронах, которые имели существенное значение для развития кварковой модели в физике элементарных частиц». [3]
Чтобы объяснить каждую часть терминологии, « рассеяние » относится к отклонению лептонов (электрона, мюона и т. д.) от адронов. Измерение углов отклонения дает информацию о природе процесса. « Неупругое » означает, что цель поглощает некоторую кинетическую энергию. Фактически, при очень высоких энергиях используемых лептонов цель «разбивается» и испускает много новых частиц. Эти частицы являются адронами, и, если сильно упростить, процесс интерпретируется как составной кварк цели, «выбиваемый» из целевого адрона, и из-за удержания кварков кварки на самом деле не наблюдаются, а вместо этого производят наблюдаемые частицы путем адронизации . «Глубокое» относится к высокой энергии лептона, что дает ему очень короткую длину волны и, следовательно, способность зондировать расстояния, которые малы по сравнению с размером целевого адрона, поэтому он может зондировать «глубоко внутри» адрона. Также следует отметить, что в пертурбативном приближении это высокоэнергетический виртуальный фотон , испускаемый лептоном и поглощаемый целевым адроном, который передает энергию одному из составляющих его кварков, как на соседней диаграмме.
Повх и Розина указали, что термин «глубоконеупругое рассеяние на нуклонах» был придуман, когда кварковая субструктура нуклонов была неизвестна. Они предпочитают термин « квазиупругое лептон-кварковое рассеяние».
Стандартная модель физики, в частности работа Мюррея Гелл-Манна в 1960-х годах, успешно объединила многие ранее разрозненные концепции физики 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 регулярно обнаруживались, хотя частицы W + , W − и Z 0 электрослабого взаимодействия были категорически обнаружены только в начале 1980-х годов, а глюоны были надежно зафиксированы в DESY в Гамбурге примерно в то же время. Кварки, однако, все еще оставались неуловимыми.
Опираясь на новаторские эксперименты Резерфорда в начале 20-го века, были сформулированы идеи обнаружения кварков. Резерфорд доказал, что атомы имеют небольшое, массивное, заряженное ядро в своем центре, выстреливая альфа-частицами в атомы золота. Большинство из них прошли с небольшим или нулевым отклонением, но некоторые были отклонены на большие углы или вернулись обратно. Это предполагало, что атомы имеют внутреннюю структуру и много пустого пространства.
Для того чтобы исследовать внутренности барионов, необходимо было использовать небольшую, проникающую и легко производимую частицу. Электроны были идеальными для этой роли, так как они многочисленны и легко разгоняются до высоких энергий из-за своего электрического заряда. В 1968 году в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) электроны были запущены в протоны и нейтроны в атомных ядрах. [4] [5] [6] Более поздние эксперименты [2] проводились с мюонами и нейтрино , но при этом применялись те же принципы. [1] [7]
Столкновение поглощает некоторую кинетическую энергию, и как таковое оно неупругое . Это контрастирует с рассеянием Резерфорда, которое является упругим : нет потери кинетической энергии. Электрон вылетает из ядра, и его траектория и скорость могут быть обнаружены. 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 снова доказали, что Стандартная модель была правильным направлением исследований для физиков частиц.