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关于正电子的实验研究

(2011-03-13 10:36:58)
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杂谈

    关于正电子的实验研究

 

 

  注 :阅读本文请参阅“洛仑兹力作用的微观机理” 一文)

    从1932年安德森(C. D. Anderson)发现正电子至今已过去70多年了。随后,反质子的发现,使人们更加体会到了这些粒子的复杂性, 我们已指出,仅根据带电粒子在磁场中的偏转方向来判断这些粒子所带电荷符号,可能会导致错误。因为,从理论上讲,如果有足够强度、低能量的纯正电子束流,让它们通过垂直或水平方向的高压静电场,即可方便地判定正电子所带电荷,但这在实验上却是非常困难的,以表1来说明临界速度μ0=√(C^2--V^ 2) 与其他速度的关系。 

   

                        表1

关于正电子的实验研究

 

   如果正电子是带负电荷高速惯性自转的电子团,从表1中看,只有当它们的平均自转线速度μ>μ0时方能出现,但这时它们的运动速度C实质上已达到光速。理论分析还表明,正电子的自转只能在高能粒子间的碰撞中产生,而不可能在加速电场中产生。因此,具有高速自转线速度的电子团是稀有的。

    用高能粒子轰击靶产生正电子,要大幅度提高正电子的产生几率,就需要提高轰击粒子的能量。要降低临界速度μ0值,又必须提高正电子的运动速度。因为,正电子在与其他粒子碰撞时很容易改变自己的自转取向或平均自转速度μ,或者解体变成2个或3个偏振的γ光量子辐射。所以,正电子现象和其他不稳定的基本粒子群一样变幻莫测,很难重复测量。 

    在现代正负电子对撞机上,用直线加速器向对撞机注入经打靶后被预加速的正电子的初始能量已达到1.28Ge v。利用公式(1)计算,这时正电子的运动速度

 

    E=m↓e C^2/√[1-(V/C)^2]   (1)

 

 这时正电子的运动速度已经达到:

 

    V =0.99999992 C

 

按公式μ0=√(C^2-V^ 2)计算,这时的临界速度为

 

    μ0=4 ×10^-4 C

 

    在图1中,用直线加速器向对撞机储存环注入电子团和正电子。如果采用图中的磁场导引来分离正、负电子团的话,无论我们怎样在输送管道周围设置磁场,都不可能使正电子不与管道壁碰撞。所以,到达对撞机储存环B点上的电子团,基本上全都是经过与导引管壁碰撞后进入储存环的。

 

   

关于正电子的实验研究

                                图1  正负电子对撞机原理图

 

    在图1中的对撞机储存环A点上,有3种电子团可以进入储存环,按图中顺时针方向回转而成负电子团。根据它们的运动速度V和平均自转线速度μ不同,可分为:

    1)总自旋角动量等于零的无自转电子团。据公式(2),它们在储存环真空盒中的回转轨道曲率半径为R0。 

       

          R0=m↓e V /e·B  √[1-(V /C)^2] (2)

 

    2)电子团的自转取向与储存环磁场自旋取向相同的负电子,它们的回转轨道曲率半径是Rμ。据式(3),有

 

          Rμ=m↓e V/ e·B  √[1+(μ/C)^2-(V/ C)^2]  (3)

 

    3)电子团的平均自转线速度μ<μ0,其自转取向与储存环磁场自旋方向相反。据式(4),它们的回转轨道曲率半径是Rv。

 

           Rv=m↓e V/ e·B √[1-(V /C)2-(μ/C)2]  (4)

 

    在图1中对撞机储存环B点上,只有自转取向与储存环磁场自旋方向相反,平均自转线速度μ>μ0的自转电子团成为正电子,它们在储存环真空盒中沿图中逆时针方向回转,它们回转轨道的曲率半径

 

           R(v)=m↓e V /e·B √[(μ/C)^2+(V/ C)^2-1]  (5)

 

    通常,对撞机在积累过程,无自转的负电子团具有很强的束流,被集中在储存环真空盒R0轨道半径附近一个很小线度的区域。而对应不同平均自转线速度μ的正电子和自转负电子团,则分布在R0±ΔL的一个较大的空间范围。

    当对撞机进入加速状态后,所有的无自转的电子团都被高频交变电场共同加速。由于逐渐升高的磁通密度的“同步”,使R0基本上保持不变。但是,自转的正电子或负电子团却不能被磁场“同步”,所以,使它们经常脱离原来的回转轨道而相互交叉碰撞,并在碰撞中经常改变自己的平均自转线速度μ,有的甚至与真空盒壁相撞,而造成了对撞机的同步辐射。因此,对撞机的同步辐射光是电矢量垂直于储存环磁场方向的全偏振光。 

    在正电子与负电子团对撞过程中,可产生π介子、μ介子和其他种类的基本粒子。分析起来,这些粒子都是由电子团分散而成的形态各异的电子链条。从总体上看,对撞机在加速状态下,真空盒中存在着各种具有不同平均自转线速度μ的电子团,它们处在经常变动的动态平衡中。为了说明对撞机的工作过程,下面以我国第一台正负电子对撞机的运行参数为例进行计算。

  1)对撞机在积累过程,由直线加速器注入储存环的电子团或正电子初始能量是 

      

         E1≈1.28Ge v

 

 这时电子团或正电子的运动速度是

 

        V 1≈0.99999992 C

 

 我国第一台电子对撞机真空盒的曲率半径是

 

          R=10.345 m

 

按公式(2)计算,这时加给对撞机储存环磁场的磁通密度是

 

    B1=0.412T(特斯拉)

 

 如果让正、负电子团在初始能量上对撞,据公式(2)和式(5),应该有

 

    (μ/C)^2+(V/ C)^2 -1=1 -(V /C)^2   (6)

 

       μ=√[2(C^ 2-V^ 2)]   (7)

 

将V = V 1=0.99999992 C代入(7)式,求出正电子的平均自转线速度为

 

         μ1=5.657×10^-4 C

 

    2)对撞机在加速状态结束后,电子团或“正电子”的能量增加到

 

         E2≈2.86 Ge v

 

 按公式(1)计算,这时电子团或“正电子”的运动速度为

 

         V 2=0.999999984 C

 

 要保持R0=R=10.345 m不变,据公式(2)计算,这时对撞机储存环的磁通密度应增加到B2

 

          B2=0.922 T

 

在公式(5)中,当B=B2,R(v)=R0,V = V 2时,据公式(7)计算,这时正电子的平均自转线速度为

 

         μ2=2.53×10^-4 C

 

 根据上述分析,为了用实验判定正电子所带电荷的符号,建议在对撞机上进行下述实验。

    1)在图1中,同时改变对撞机储存环的磁场方向和磁通密度。关闭负电子团的传输通道OA,从OB通道单边注入正电子到储存环。图1中表示经导引管壁散射后,改变了其相对自转取向后到达储存环B点的“右转电子团”。当图1中储存环磁力线为指向纸面向下时,“右转电子团”是以正电子的身份,按左手定则进入储存环的。当储存环改变磁场方向为磁力线指向纸面向上时,“右转电子团”又以负电子团的身份,按右手定则进入储存环。 

    要在改变储存环磁场方向后,保证“右转电子团”仍能在储存环的真空盒中回转,这时储存环的磁通密度应设定在B3上。假定“右转电子团”的自转平均线速度是μ1=5.657×10^-4 C,据式(2)和式(3),B3应为:

 

          B3=B1√[1-(V 1/ C)^2] /√[1+(μ1/ C)^2-(V 1/ C)^2] (8)

 

 将V 1=0.99999992 C,B1=0.412 T,μ1=5.657×10-4 C代入上式中,求出B3为

 

          B3=0.238 T

 

    改变储存环磁场方向并将磁通密度设定在B3上之后,测量正电子的积累时间。如果在预定时间内,正电子在储存环中仍达到一般束流强度,则说明正电子带负电荷。因为,如果它带正电荷的话,按左手定则就不可能进入储存环。

   2)为了检验公式(3)、公式(4)、公式(5),应设法在不与导引管管壁碰撞的条件下,将“单色”的自转电子团引出到对撞机外设的“真空”磁场中。实验中改变外设磁场方向,观察正电子在通过正、反磁通密度相等的磁场时,它们运动轨道的曲率。 

    也许只有当我们真正地解决了场源的理论问题之后,才有可能深入研究基本粒子的结构问题。许多宏观现象和微观现象的规律在本质上都是一样的,在这些现象的背后肯定有更深层的决定性的自然法则,只不过有些原理尚未被我们所认识。

 

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