Поиск и обнаружение протонов¶

Поиск и обнаружение протонов — совокупность теоретических и экспериментальных методов, направленных на выявление протонов — стабильных элементарных (точнее, составных) частиц с положительным элементарным зарядом, массой 1,67262192369×10⁻²⁷ кг и удельным зарядом, составляющим основу атомных ядер. Термин охватывает задачи от регистрации отдельных протонов в детекторах до поиска свободных протонов в природе и поиска экзотических частиц, распадающихся на протоны.

¶Экспериментальные методы регистрации

¶Ионизационные детекторы

Основной способ обнаружения протонов — фиксация их ионизирующего действия. Протон, проходяя через вещество, ионизирует атомы, оставляя за собой столбцы ионов и электронов. По плотности удельной ионизации (dE/dx) протон отличается от других заряженных частиц: при одной и той же кинетической энергии удельные потери протона выше, чем у мюонов, и ниже, чем у альфа-частиц.

К ионизационным детекторам относятся:

• Ионизационные камеры — газовые объёмы с электродами, на которые подаётся напряжение; протон, пролетая через камеру, создаёт пары «ион-электрон», регистрируемые как ток.
• Пропорциональные счётчики — газовые детекторы с усилением сигнала за счёт каскадной ионизации.
• Дрейфовые камеры и тайм-проекционные камеры (TPC) — позволяют восстановить траекторию протона по времени дрейфа электронов.
• Полупроводниковые детекторы (кремниевые, германевые) — используются там, где важна пространственная точность.

¶Чerenkovские и время-пролётные детекторы

Для измерения скорости протона применяются детекторы черенковского излучения (RICH) и время-пролётные (TOF) детекторы. Последние фиксируют время прохождения протона между двумя плоскостями детекторов; зная путь и время, вычисляют скорость, а из скорости и импульса — массу, что позволяет однозначно идентифицировать частицу.

¶Калориметрия

Энергия протона измеряется в калориметрах — устройствах, полностью поглощающих частицу и фиксирующих суммарную энергию ионизации. В физике высоких энергий используются электромагнитные и адронные калориметры.

¶Поиск в составе атомных ядер

Протон входит в состав ядра атома. Его наличие в конкретном элементе определяется атомным номером Z. Химические и физические методы анализа — масс-спектрометрия, рентгеновская спектроскопия — косвенно указывают на число протонов в ядре. Масс-спектрометр разделяет ионы по отношению массы к заряду (m/q), что напрямую связано с числом протонов.

¶Поиск свободных протонов

Свободный протон — не связанный в ядре — встречается в природе в виде:

• Протонов космических лучей — потока заряженных частиц из космоса, в котором протоны составляют около 90 % потока. Регистрация протонов космических лучей ведётся с помощью спутниковых детекторов (PAMELA, AMS-02 на МКС) и наземных установок.
• Протонов в плазме — в солнечном ветре, межзвёздной плазме, плазме термоядерных установок.
• Протонов в ускорителях — пучки протонов создаются в циклотронах, синхротронах и линейных ускорителях.

¶Поиск антипротонов и экзотических частиц

Зеркально задаче поиска протонов стоит поиск антипротона — античастицы протона. Антипротоны впервые обнаружены в 1955 году в Беватроне (Лоуренс, Чемберлен, Сегре и коллеги, Нобелевская премия 1959 года). В России поиск антипротонов ведётся на ускорительном комплексе НИИЯФ МГУ и в экспериментах на ОИЯИ (Дубна).

Отдельной задачей является поиск барионных численных состояний — частиц, содержащих три кварка, подобно протону, но с другими квантовыми числами. Эксперименты на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) ищут резонансы, распадающиеся на протоны и другие барионы.

¶Теоретический поиск: предсказание протонов

Термин «поиск протонов» применим и к истории физики. В 1919 году Эрнест Резерфорд, наблюдая превращение азота в кислород при бомбардировке альфа-частицами, идентифицировал протон как ядро водорода. Сам термин «протон» предложен Резерфордом в 1920 году. До этого, в 1886 году, Вильгельм Вин обнаружил в канальных лучах (лучах Гольдштейна) положительно заряженные частицы, которые позже были отождествлены с протонами.

¶Применение

Обнаружение и использование протонов нашли применение в:

• Протонной терапии онкологических заболеваний — пучки протонов доставляют дозу в опухоль с минимальным повреждением окружающих тканей. В России первые протонные центры работают в Дубне (Медицинский центр НИИЯФ МГУ) и в Обнинске.
• Протонной магнитно-резонансной томографии — ядерный магнитный резонанс основан на прецессии протонов (водорода) в магнитном поле.
• Ядерной физике — протонные пучки используются для исследования ядерных реакций.

¶Интересные факты

Протон — единственная стабильная барионная частица; нейтроны вне ядер распадаются за ~15 минут. Теоретически предсказан распад протона (гипотеза Grand Unified Theories), но экспериментально не обнаружен: нижняя граница времени жизни протона превышает 10³⁴ лет, что делает поиск его распада одной из фундаментальных задач физики элементарных частиц.

Источники:

• «Курс общей физики» Савельев, том 3 (атомная и ядерная физика)
• «Физика элементарных частиц» И.Ю. Кобзарев, Л.Б. Окунь
• Публикации экспериментов PAMELA и AMS-02
• Материалы НИИЯФ МГУ о протонной терапии
• Биографические материалы о Э. Резерфорде и открытии протона