МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР

МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР

       

прибор для измерения импульсов заряж. ч-ц по кривизне их траекторий в магн. поле. Если при этом измеряется скорость ч-цы, то можно определить её массу, т. е. идентифицировать ч-цу (см. ЛОРЕНЦА СИЛА). М. с. используются для исследований бета-распада (см. БЕТА-СПЕКТРОМЕТР), яд. реакций и др. явлений, наблюдаемых при малых энергиях ч-ц. Физ. процессы в этом случае характеризуются малым числом рождающихся ч-ц в каждом акте и сравнительно высокой вероятностью. Поэтому соответствующие М. с., как правило, одноканальные приборы с небольшой апертурой, содержащие на выходе детектор, регистрирующий ч-цу с фиксиров. траекторией. Энергетич. спектр ч-ц измеряется последовательным изменением магн. поля.

Рис. 1. Схема двухплечевого магн. спектрометра: 1 — мишень, в к-рой происходит исследуемый процесс; 2 — магниты; 3 — магн. линзы; 4 — трековые детекторы; 5 — сцинтилляц. счётчики; 6 — газовые черенковские счётчики; 7 — ливневые спектрометры для идентификации эл-нов; 8 — сцинтилляц. счётчики.

Развитие физики ч-ц высоких энергий привело к созданию сложных М. с. для изучения разнообразных процессов, сопровождающихся рождением большого числа ч-ц в каждом акте (см. МНОЖЕСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ). Эти процессы обычно характеризуются малой вероятностью, что требует приборов с большой светосилой. Часто необходимо одновременно измерять траектории и импульсы неск. заряж. ч-ц разл. типов, идентифицировать их и определять эфф. массу системы ч-ц или т. н. недостающую массу (см. ниже); выделять редкие процессы (напр., двухчастичные распады короткоживущих ч-ц) на фоне большого кол-ва др. процессов. М. с. для таких экспериментов — сложные установки, содержащие трековые детекторы с автоматизиров. съёмом информации (искровые камеры (проволочные), пропорциональные камеры, дрейфовые камеры) с десятками, сотнями тысяч каналов регистрации ч-ц, сотни сцинтилляционных счётчиков, многочисл. детекторы для идентификации вторичных ч-ц (черенковские счётчики (газовые), электронные и мюонные идентификаторы), работающие в линию с ЭВМ. В более простых М. с. в магн. поле расположены оптические искровые и стримерные камеры. Эти М. с. обладают меньшим быстродействием.

Двухплечевые М. с. позволяют исследовать процессы, при к-рых две ч-цы испускаются в одном акте, напр. двухчастичный распад. Ч-цы регистрируются в каждом из плеч М. с. (рис. 1). Измеряя их импульсы и угол между ними, можно восстановить эфф. массу объекта, при двухчастичном распаде к-рого они возникли. В детектор попадает только малая доля вторичных ч-ц, образующихся в мишени, Двухплечевые М. с. могут работать в очень интенсивных пучках (=1012 ч-ц за цикл работы ускорителя), что важно при исследовании редких процессов.

Рис. 2. Схема широкоапертурного автоматизированного магнитного спектрометра: 1 — магнит; 2 — трековые детекторы; 3 — сцинтилляционные годоскопич. счётчики; 4 — многоканальный черенковский газовый счётчик для идентификации вторичных ч-ц; 5 — ливневый спектрометр для регистрации эл-нов и g-квантов; б — мюонный детектор в виде системы годоскопич. счётчиков и трековых детекторов, прослоённых Fe; 7 — мишень; 8 — дополнительные сцинтилляц. счётчики.

Именно с помощью таких М. с. открыты J/y-частица с массой 3,1 ГэВ и ипсилон-частица с массой 9,5 ГэВ. Обе ч-цы выделены по их двухлептонным распадам (J/y®е+е- и ? ®m+m-). Двухплечевые М. с. регистрируют события только в очень узком кинематич. диапазоне (напр., регистрируется только J/y и ипсилон-частицы, почти покоящиеся в системе центра масс). Кроме того, они обладают малой светосилой и непригодны для анализа сложных многочастичных процессов.

Широкоапертурные М. с. (рис. 2) позволяют измерять траектории и импульсы нескольких вторичных ч-ц, образующихся при вз-ствии первичных ч-ц высоких энергий в мишени установки, идентифицировать вторичные ч-цы, определять эфф. массы их разл. комбинаций. Широкоапертурные М. с. обладают большой светосилой, однако значит. часть первичного пучка, как правило, проходит через всю установку, и поэтому они обычно работают при интенсивности, не превышающей неск, миллионов ч-ц за один цикл работы ускорителя. Они могут также настраиваться на выделение двухчастичных распадов ч-ц определ. массы, напр. нейтральных К-мезонов в опытах по изучению нарушения СР-инвариантности в К° ®2p-распадах.

Спектрометры недостающей массы применяются при исследовании короткоживущих ч-ц (резонансов).

Рис. 3. Принцип действия спектрометра недостающих масс; вверху схема спектрометра (а), внизу спектры недостающих масс — гладкий (б) и с максимумами (в).

Пусть происходит реакция p-+ р® р+Х- (X — все вторичные ч-цы). Если измерять импульс и угол вылета протона отдачи р с помощью протонного спектрометра (рис. 3,a), то можно определить эфф. массу Мх системы Х- (т. н. недостающую массу). Если в реакции всегда образуется неск. независимых вторичных ч-ц, спектр недостающих масс гладкий. Однако если реакция идёт в два этапа — сначала совместно с протоном отдачи образуются мезонные резонансы с массами M1 или М2 или М3 и соответствующими ширинами Г1, Г2, Г3, а затем резонансы распадаются на вторичные ч-цы, то спектр недостающих масс содержит максимумы, свидетельствующие о существовании резонансов.

Спектрометры для экспериментов со встречными пучками, как правило, содержат большие сверхпроводящие соленоиды, окружающие область, где взаимодействуют два сталкивающихся пучка ч-ц. Такие магн. системы перекрывают телесный угол, близкий к 4л. Встречные пучки проходят по оси соленоида, а детекторы ч-ц (трековые детекторы, сцинтилляц. счётчики, ливневые детекторы и т. д.) располагаются концентрически как внутри соленоида, так и вне его. С помощью спектрометров такого типа открыты y- и y'-частицы, очарованные мезоны и тяжёлые лептоны.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.