Энергия создания частиц в физике
В физике элементарных частиц пороговая энергия образования частицы — это минимальная кинетическая энергия , которую необходимо сообщить одной из пары частиц, чтобы их столкновение привело к заданному результату. [1] Если желаемым результатом является создание третьей частицы, тогда пороговая энергия больше или равна энергии покоя желаемой частицы. В большинстве случаев, поскольку импульс также сохраняется, пороговая энергия значительно превышает энергию покоя искомой частицы.
Пороговую энергию не следует путать с пороговой энергией смещения , которая представляет собой минимальную энергию, необходимую для постоянного смещения атома в кристалле с образованием кристаллического дефекта в радиационном материаловедении .
Пример создания пиона
Рассмотрим столкновение мобильного протона с неподвижным протоном с образованием мезона : [1]
Мы можем вычислить минимальную энергию, которую должен иметь движущийся протон, чтобы создать пион. Преобразуя в ZMF (систему нулевого импульса или систему центра масс) и предполагая, что исходящие частицы не имеют KE (кинетической энергии), если смотреть в ZMF, уравнение сохранения энергии будет следующим:
Переставлено на
Предполагая, что вылетающие частицы не имеют KE в ZMF, мы фактически рассмотрели неупругое столкновение , при котором частицы-продукты движутся с суммарным импульсом , равным импульсу входящего протона в Lab Frame.
Наши условия в нашем выражении будут отменены, оставив нам:
Использование релятивистских добавок скорости:
Мы знаем, что это равно скорости одного протона, если смотреть в ZMF, поэтому мы можем переписать с помощью :
Значит, энергия протона должна быть МэВ.
Следовательно, минимальная кинетическая энергия протона должна составлять МэВ.
Пример создания антипротона
При более высокой энергии то же столкновение может привести к образованию антипротона :
Если один из двух начальных протонов неподвижен, мы находим, что падающему протону необходимо придать по крайней мере энергию, т. е. 5,63 ГэВ. С другой стороны, если оба протона ускоряются один навстречу другому (в коллайдере ) с равными энергиями, то каждому нужно сообщить только энергию. [1]
Более общий пример
Рассмотрим случай, когда частица 1 с лабораторной энергией (импульсом ) и массой сталкивается с целевой частицей 2, покоящейся в лаборатории, т.е. с лабораторной энергией и массой . Пороговая энергия образования трех частиц масс , , , т.е.
затем находится, предполагая, что эти три частицы покоятся в системе центра масс (символы со шляпой обозначают величины в системе центра масс):
Вот полная энергия, доступная в центре масс.
Используя , и можно получить, что
[2]
Рекомендации
- ^ abc Майкл Фаулер. «Преобразование энергии в массу: создание частиц». Создание частиц . Архивировано из оригинала 15 августа 2022 г.
- ^ Джексон, Джон. Классическая электродинамика . Уайли. стр. 533–539. ISBN 978-0-471-30932-1.
- http://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/particle_creation.html