Modern Fizik · 2. Ünite: Relativistik Dinamik

Relativistik Çarpışmalar

Yüksek enerjili bir çarpışmada parçacıkların kinetik enerjisi yeni parçacıkların kütlesine dönüşebilir; bu yüzden klasik "kinetik enerji korunur ya da kaybolur" anlatımı yetmez. Bu konuda toplam enerji ve momentumun korunumunu birlikte kullanarak elastik ve esnek olmayan relativistik çarpışmaları çözecek, değişmez kütle ve kütle merkezi çerçevesi kavramıyla parçacık üretimi için eşik enerjisini türeteceksiniz. Sonunda bir hızlandırıcıda hedef parçacığın sabit mi, ışının karşıdan mı geldiğinin gerekli enerjiyi nasıl değiştirdiğini nicel olarak açıklayabilirsiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Antiprotonu Bulmak İçin Gereken Enerji

  2. Korunum Yasaları ve Dört-Momentum

  3. Elastik Çarpışma ve Tam Esnek Olmayan Çarpışma

  4. Kütle Merkezi Çerçevesi ve Değişmez Kütle

  5. Eşik Enerjisi ve Parçacık Üretimi

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Sınır Durumları ve Yorum

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Dört-momentum (four-momentum)
$(E/c,\vec p)$; çarpışmada toplamı korunur, Lorentz değişmez uzunluğu kütledir.
Değişmez kütle (invariant mass)
$M^2c^4=(\sum E)^2-|\sum\vec p c|^2$; sistemin tüm çerçevelerde aynı olan kütlesi.
Kütle merkezi çerçevesi (center-of-momentum frame)
Toplam momentumun sıfır olduğu eylemsiz çerçeve; toplam enerjisi $\sqrt{s}=Mc^2$.
Eşik enerjisi (threshold energy)
Belirli bir ürün kümesini üretebilmek için gereken en küçük ışın kinetik enerjisi.
Tam esnek olmayan çarpışma (perfectly inelastic collision)
Cisimlerin birleştiği çarpışma; kinetik enerjiden iç enerji ve kütle artışı kazanılır.
Elastik çarpışma (elastic collision)
Durgun kütlelerin değişmediği, toplam kinetik enerjinin korunduğu çarpışma.
Çarpışmalı ışın (collider)
İki ışının karşıdan çarpıştırıldığı düzenek; $\sqrt{s}=2E_{\text{ışın}}$ (eşit kütle, eşit enerji).
Mandelstam değişkeni $s$
$s=(\sum E)^2-|\sum\vec p c|^2$ (c=1 birimlerinde $s=M^2$).

Örnek soru

Kütleleri $m$ olan iki özdeş parçacık, laboratuvar çerçevesinde zıt yönlerde $0{,}6c$ hızla çarpışıp birleşiyor. Birleşen cismin durgun kütlesi nedir?

  1. $1{,}6\,m$
  2. $2{,}0\,m$
  3. $2{,}5\,m$
  4. $3{,}1\,m$
  5. $1{,}25\,m$

Doğru cevap: C

Çözüm

1. $\gamma=1/\sqrt{1-0{,}36}=1{,}25$.
2. Toplam momentum sıfır olduğundan birleşen cisim durur; toplam enerji korunur: $Mc^2=2\gamma mc^2$.
3. $M=2\times1{,}25\,m=\mathbf{2{,}5\,m}$.
$2{,}0\,m$ klasik sonuçtur (kinetik enerji sonradan ısıya gider, kütleye eklenmez). $1{,}6\,m=2m/\gamma$ ve $3{,}1\,m=2\gamma^2m$ yanlış $\gamma$ kullanımlarıdır.

Modern Fizik: tüm konular