Как экспериментально обнаруживаются кварки и лептоны?

Лептоны просты и были замечены в течение многих десятилетий

"Хрестоматийная" картинка из пузырьковой камеры BEBC. Нейтрино взаимодействует с протоном в жидком водороде с образованием отрицательного мюона, протона и возбужденного очарованного мезона (D*). D* распадается на очарованный мезон D0 плюс положительный пион, а сам D0 распадается на отрицательный каон и еще один положительный пион. После остановки в жидкости каон взаимодействует с другим протоном, образуя гиперон.

Используя закон сохранения энергии и импульса, можно найти массы. [Нейтрино с помощью алгебры и из недостающей энергии и импульса, электроны и мюоны из прямого наблюдения. Таус из алгебры и сохранения импульса энергии. В новых экспериментах используется сложная электроника для измерения кривизны, которая дает импульсы, а программы подбирают событие для каждого события.

Кварки рассматривались только как струи кварков, потому что они никогда не были свободны.

Пара топ-кварк и антитоп-кварк распадается на струи, видимые как коллимированные наборы треков частиц и других фермионов в детекторе CDF на Тэватроне.

Учебные материалы CERN помогут заинтересованным лицам. Особенно эти.

Среди всех элементарных частиц только$e^\pm$,$\mu^\pm$и$\gamma$обнаруживаются непосредственно в современных детекторах. Для,$e^\pm, \gamma$, используются калориметры: эти частицы взаимодействуют с материалом, имеющим большие атомные номера, создавая гораздо больше электронов и фотонов, создавая то, что называется электромагнитным ливнем. Для мюонов газовые детекторы обычно используются в сочетании с трекером (который может быть изготовлен из кремниевых детекторов), который может измерять траекторию заряженных частиц благодаря мощному магниту.

Все остальные элементарные частицы обнаруживаются по продуктам их распада путем объединения их энергии/импульса для измерения инвариантной массы продуктов распада. Сравнение инвариантной массы с номинальной массой частицы дает хорошее представление о природе частицы.

В случае$\tau$лептонов, время жизни достаточно велико, так что они могут пролететь несколько миллиметров, прежде чем распасться. Следовательно, путем обнаружения первичной вершины (источника столкновения), где$\tau$была произведена и вершина распада, мы можем измерить время их пролета. Сочетание времени пролета и инвариантной массы продуктов распада является хорошим способом идентификации$\tau$.

Кварки не могут свободно летать и обязательно "одеты" в адроны (пионы, протоны и т.д.). Если энергия кварка достаточно велика (а так обстоит дело с современным экспериментом), один единственный кварк породит большое количество адронов, летящих примерно в том же направлении, что и первоначальный кварк. Это сформирует струю адронов. Сейчас$b$кварк и, в меньшей степени, кварк c производят соответственно B и очарованные адроны, которые могут пролететь несколько миллиметров. Итак, опять же, струя адронов, не направленная в первичную вершину, является признаком$b$или$c$кварк. Для$u,d,s$кварки, они производят джеты, которые невозможно различить (по крайней мере, при современных столкновениях при высоких энергиях). Глюоны производят такие же струи (но немного шире). топ-кварк немного особенный: его время жизни настолько короткое, что он сразу же распадается на ab-кварк плюс a$W$. Таким образом, ассоциация А.$b$-струя с$W$(см. далее) является признаком$t$кварк. Адроны, содержащиеся в струях, регистрируются с помощью адронных калориметров.

$Z$и$W$бозоны имеют очень короткое время жизни и распадаются сразу после рождения. Однако их масса огромна по сравнению (почти) со всеми другими элементарными частицами.$Z$могут иметь четкую подпись через их лептонный распад$Z\to e^+ + e^-, \mu^+ + \mu^-, \tau^+ + \tau^-$. Когда они распадаются на кварки$q \bar{q}$, они произвели 2 струи, которые можно комбинировать для измерения инвариантной массы (но с гораздо меньшей точностью, чем с лептонным каналом). Для$W$, они могут распадаться на нейтрино и заряженный лептон или на$q \bar{q'}$производит 2 струи. Нейтрино не регистрируются и поэтому будут выглядеть как недостающий поток энергии по сравнению с начальной энергией столкновения. Комбинация величины этой недостающей энергии и ее направления с заряженным лептоном дает приблизительный спектр масс с формой, которую можно использовать для отслеживания$W$. При адронном распаде W (на струи) комбинация струй также дает доступ к инвариантной массе.