Próg reakcji: energia w układzie środka pędu, tarcza i zderzacz
Nie cała energia kinetyczna wiązki może utworzyć nowe cząstki. Część musi pozostać w ruchu produktów, aby zachować pęd. Wyprowadzimy próg dla nieruchomej tarczy, porównamy go ze zderzaczem i sprawdzimy, jak kąt spotkania fotonów zmienia możliwość utworzenia pary.
W tym materiale
Nie cała energia kinetyczna wiązki może utworzyć nowe cząstki. Część musi pozostać w ruchu produktów, aby zachować pęd. Wyprowadzimy próg dla nieruchomej tarczy, porównamy go ze zderzaczem i sprawdzimy, jak kąt spotkania fotonów zmienia możliwość utworzenia pary.
Potrzebne wiadomości: Czteropęd, masa niezmiennicza układu, energia całkowita a kinetyczna, iloczyn skalarny wektorów. Zagadnienia dotyczą kinematyki reakcji, nie ich prawdopodobieństwa.
Co oznacza próg?
Próg kinematyczny to najmniejsza energia początkowa zgodna z zachowaniem energii i pędu oraz zadanym zestawem cząstek końcowych. Nie mówi, czy reakcja zachodzi łatwo, ani czy inne prawa zachowania na nią pozwalają. Dokładnie na progu dostępny zakres ruchu względnego produktów może zanikać; w praktyce potrzebna jest energia powyżej tej granicy.
Dla swobodnych masywnych produktów o masach mᵢ najmniejsza suma energii w układzie środka pędu to Σmᵢc². Na progu ich ruch względny znika. W laboratorium cała grupa może mimo to się poruszać, bo początkowy pęd nie musi być zerowy. Pomijamy energię wiązania produktów i oddziaływania z otoczeniem; jeśli stan końcowy jest związany, trzeba użyć jego rzeczywistej masy.
Nieruchoma tarcza: wyprowadzenie z niezmiennika
Cząstka a trafia w spoczywającą cząstkę b. Oznaczmy ich energie spoczynkowe przez ea = mac² i eb = mbc², a całkowitą energię pocisku przez Ea. W laboratorium energia całego układu wynosi Ea + eb, a pęd pochodzi wyłącznie od pocisku. Stąd:
E_{\mathrm{SP}}^2=(E_a+e_b)^2-p_a^2c^2=e_a^2+e_b^2+2e_bE_a.
W ostatnim kroku użyliśmy Ea² − pa²c² = ea². Jeśli suma energii spoczynkowych produktów wynosi ef, warunek ESP ≥ ef daje:
E_{a,\mathrm{prog}}=\frac{e_f^2-e_a^2-e_b^2}{2e_b},\qquad E_{k,\mathrm{prog}}=E_{a,\mathrm{prog}}-e_a.
Ten wzór wyznacza dodatni próg energetyczny dla rozważanej reakcji wymagającej dopływu energii. Ujemny wynik dla innego procesu nie oznacza fizycznej ujemnej energii kinetycznej. Trzeba wtedy wrócić do dostępnych stanów początkowych i pozostałych praw zachowania.
Dwie jednakowe cząstki i nowy produkt
Rozważmy reakcję a + a → a + a + X. Niech e = mc², a ε = mXc². Suma końcowa wynosi 2e + ε. Dla spoczywającej tarczy:
E_{k,\mathrm{prog}}=\frac{(2e+\varepsilon)^2-2e^2}{2e}-e=2\varepsilon+\frac{\varepsilon^2}{2e}.
W modelowym przykładzie e = 100 MeV i ε = 20 MeV potrzeba 40 + 400/200 = 42 MeV energii kinetycznej wiązki. Całkowita energia początkowa w laboratorium wynosi 100 + 42 + 100 = 242 MeV, podczas gdy energia w układzie środka pędu na progu to 220 MeV. Różnica 22 MeV pozostaje w laboratoryjnym ruchu całej grupy produktów.
Co daje zderzenie dwóch wiązek?
Przy dwóch przeciwnych jednakowych wiązkach o tej samej energii pędy znoszą się już w laboratorium. Na progu każda cząstka ma energię całkowitą e + ε/2, czyli energię kinetyczną ε/2. Łączny dopływ energii kinetycznej wynosi ε. W poprzednim przykładzie wystarczy po 10 MeV na wiązkę, razem 20 MeV.
Porównując urządzenia, trzeba jasno powiedzieć, czy ustalamy energię jednej wiązki, sumę obu energii kinetycznych, czy całkowitą energię wraz z masami spoczynkowymi. W drugim zadaniu utrzymujemy tę samą sumę energii kinetycznych i te same masy początkowe.
Dwa fotony: decyduje także kąt
Niech ich energie wynoszą E₁ i E₂, a kąt między kierunkami propagacji θ. Z kwadratu sumy wektorów pędu:
E_{\mathrm{SP}}^2=(E_1+E_2)^2-\big(E_1^2+E_2^2+2E_1E_2\cos\theta\big)=2E_1E_2(1-\cos\theta).
Dla tworzenia pary elektron–pozyton potrzeba ESP ≥ 2mec², zatem:
E_1E_2(1-\cos\theta)\ge2m_e^2c^4.
Przy θ = 180° warunek upraszcza się do E₁E₂ ≥ me²c⁴. Przy θ = 0° niezmiennik jest zerowy bez względu na wielkość energii; dokładnie współbieżne fotony nie wytworzą same takiej masywnej pary. Nie chodzi o brak energii w laboratorium, lecz o jednoczesny bilans energii i pędu.
Wszystkie podane progi są rachunkiem dla określonych swobodnych uczestników. Dodatkowa tarcza, jądro, pole zewnętrzne lub inny stan końcowy zmieniają układ, którego czteropęd trzeba zbilansować. Same nierówności nie określają przekroju czynnego ani wydajności doświadczenia.
Zadania do tego tematu
- Próg wytworzenia pionu przy nieruchomym protonie
- Ta sama energia kinetyczna w wiązce i w dwóch wiązkach
- Pod jakim kątem dwa fotony mogą utworzyć parę?
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto