Как измеряют массы нестабильных элементарных частиц?

Мне интересно узнать , как (Q1) массы частиц экспериментально определяются из наблюдений на ускорителе.

Какие частицы? Они должны быть, насколько нам известно, элементарными и нестабильными (очень короткое время жизни) и не подверженными сильному взаимодействию (например, частица Хиггса, Z-бозон и т.д.) Меня не интересуют нейтроны (не элементарные), электроны ( устойчивые) или кварки (адрон). Меня также не особенно интересуют нейтрино, поскольку я думаю, что наилучшие ограничения исходят из нейтринных осцилляций и космологических наблюдений.

Поскольку частицы, о которых я спрашиваю, приобретают свою массу через механизм Хиггса, я хотел бы знать, что на самом деле или более непосредственно измеряется массой или связью Юкавы . (Q2)

Мне также интересно, что на самом деле измеряется полюсом пропагатора (это величина, сообщаемая как масса для стабильных лептонов) или бегущая масса в определенной энергетической шкале (это одна из величин, сообщаемая как масса кварков). (3 кв.)

Этот вопрос можно считать продолжением вопроса « Как измерить массу частицы?».

Заранее спасибо.

Редактировать: В связи с ответами: Из всего вашего ответа я делаю вывод, что масса, указанная для Хиггса, W и Z, представляет собой массу (энергию покоя), которая появляется в законе сохранения энергии-импульса. Я допускаю, что эта масса соответствует полюсу свободного пропагатора бозона Хиггса W и Z соответственно (а не бегущей массе). Я также делаю вывод, что то, что измеряется более непосредственно, - это масса бозона Хиггса, и из этого значения можно вывести самосвязь бозона Хиггса (а не наоборот). Это были мои вопросы 3 и 2. Согласны ли вы с моим выводом?

Я убрал тег [accelerator-physics], поскольку он обычно означает поведение луча и механизмов передачи энергии, а не физику, выполняемую с помощью луча. И я вижу, что таких злоупотреблений много. Отправляемся в мета, чтобы опросить пользователей .

Ответы (3)

Для достаточно долгоживущих заряженных частиц измеряют спиральный след во внешнем магнитном поле и получают из этого 4-импульс (а значит, и массу).

Для очень короткоживущих частиц можно получить комплексные массы из резонансных измерений.

Изменить: любая масса нестабильной частицы сложна и определяется как полюс пропагатора. Масса частицы, подобной Хиггсу, определяется довольно косвенно, поскольку для надежного определения соответствующих сечений требуется множество экспериментов по рассеянию. См. https://arxiv.org/abs/1207.1347 , чтобы узнать, как определить массу бозона Хиггса из измерений. См. также https://arxiv.org/abs/1112.3007 .

Геометрия спирали на самом деле дает вам только отношение импульса к заряду, затем вы получаете как полную энергию, так и заряд с помощью калориметрии вдоль трека (потеря энергии для «массивных» частиц является функцией д γ β ) и, таким образом, показывает экспериментально полезную закономерность.

Самый простой способ — попытаться создать массивную нестабильную частицу. Допустим, мы пытаемся произвести мюон из электрона и фотона с помощью процесса:

е + γ → мю − + ν е + ν ¯ мю

Просто чтобы упростить нашу игру, предположим, что у нас изначально есть электрон с нулевым импульсом, и мы варьируем интенсивность гамма-частицы. Тогда начальная энергия системы равна м е с 2 + Е γ , а начальный импульс системы равен Е γ / с .

Однако, поскольку мюон имеет большую массу, чем электрон, состояние с нулевым импульсом в правой части будет иметь более высокую энергию, чем состояние с нулевым импульсом в правой части (мы можем игнорировать массы нейтрино). Следовательно, этот процесс нарушает закон сохранения энергии, если только фотон не обладает достаточной энергией, чтобы сделать возможным сохранение импульса. Это происходит именно тогда, когда м е с 2 + Е γ "=" м мю с 2 . Итак, вы можете посмотреть на точную точку, где начинают образовываться мюоны, и вуаля! У вас есть измерение массы мюона.

Более сложный подход позволил бы измерить энергии и импульсы частиц до и после столкновения, а также другие параметры, на которые влияет масса. Но я думаю, что этот пример, пожалуй, самый наглядный способ увидеть этот эффект.

Самое интересное здесь — получить фотоны высокой энергии с хорошо известными энергиями. Поисковым термином является «тегирование фотонов» или «тегирование фотонов». Очень крутой бизнес сам по себе. Пороги обычно не используются для очень тяжелых частиц, потому что скорость на пороге обращается в нуль.
Можно ли распространить эту процедуру на очень нестабильные частицы, такие как бозон Хиггса?
Да, пороговый подход можно распространить на очень нестабильные частицы, но производительность бозона Хиггса слишком мала. Тэватрон преследовал его более десяти лет, но не имел поперечного сечения.
Безусловно, лучший способ получить массы — это измерить продукты распада и использовать законы сохранения, как говорит @dmckee в своем ответе.
@annav: конечно, но при обучении новичков мне нравится знакомить с непременными эффектами.

Мы измеряем 4-импульсы продуктов распада и восстанавливаем 4-импульс рассматриваемой частицы, затем применяем обычное соотношение между энергией, 3-импульсом и массой:

Е 2 "=" м 2 + п 2
(в ℏ "=" с "=" 1 единицы, конечно). Такие измерения страдают как от погрешностей, связанных с детектором, так и от соотношения Гейзенберга, но, взяв вместе многие из них, мы обнаруживаем четко определенный резонансный пик в массе.

Наблюдаемыми с детектора являются потери энергии и направления (что означает изменения направлений из-за многократного рассеяния и магнитных полей). И несколько чудаков, таких как детекторы Черенкова, дают вам скорости (или, по крайней мере, выше/ниже порога). Их можно использовать для идентификации частиц и восстановления как энергии, так и трех импульсов с некоторой уверенностью, как только детектор будет хорошо изучен. Из этого ясна масса, связанная с каждым треком (и это используется в качестве проверки механизма идентификации частиц).

С тяжелыми частицами многие продукты могут быть сами по себе нестабильны, поэтому мы используем для измерения продукты их распада.

Как именно это делается с бозоном Хиггса и какой параметр массы распадающейся частицы входит в уравнение?
Хиггс имеет много возможных каналов. Я полагаю, что для недавнего объявления использовались только каналы гамма-гамма и 2-слабых бозонов. В этих случаях отсутствуют некоторые частицы, поэтому приходится прибегать к дополнительным трюкам, основанным на предполагаемой физике распада. В ночь объявления я мог бы все это вам объяснить, но это не мое подполе, и я забыл многое из того, что слышал.
@drake Чтобы узнать о Хиггсе, взгляните на документ CMS, в котором масса получается из инвариантной массы двух гамм cms.web.cern.ch/news/… . Чтобы определить его как бозон Хиггса, нужна хорошая статистика по всем каналам, где может затухать бозон Хиггса, а также угловые распределения, чтобы подтвердить четность спинов.
Как измеряют массы нестабильных элементарных частиц?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v