Question

【題目】在高能物理中，實驗證明，在實驗室參考系中，一個運動的質子與一個靜止的質子相碰時，碰后可能再產生一個質子和一個反質子，即總共存在三個質子和一個反質子。試求發(fā)生這一情況時，碰前那個運動質子的能量（對實驗室參考系）的最小值（即閾值）是多少？已知質子和反質子的靜止質量都是。不考慮粒子間的靜電作用。

Answer 1

【答案】

【解析】

在討論本題之前，先看一下相對論能量和動量的普遍關系式，即

。 ①

式中c為光在真空中的速度，m為粒子的質量，p為其動量，為靜止質量。

此關系式可由能量

和動量

導出，v為粒子的速度。

，

故。

由此關系式可知，對每一個粒子，其能量的平方與呈線性關系。下面討論本題。

從實驗室參考系來看，碰前系統(tǒng)的總動量等于運動的那個質子的動量，設其方向沿x軸正方向，碰撞前后系統(tǒng)的總動量守恒，總能量守恒。若要碰后能存在三個質子和一個反質子且總能量為最小值，則可論證這四個粒子的動量必定相等。

(1)先討論碰后四個粒子的動量都沿x軸正方向的情況。

令、、、分別表示它們動量的大小，這四個動量中，若有任何兩個不相等，如，設。若將增加（）而將減少（這時總動量不變），則有

，

.

這樣一來，第一個粒子能量的平方增加了，而第二個粒子能量的平方減少了，兩個粒子能量平方的凈增量為

因已設內，且，所以凈增量是負的，總能量將減少。這就是說，設時對應的總能量并不是最小值。由此可判斷，四個粒子的動量必相等。

(2)若四個粒子中，有一個粒子其動量沿x軸的負方向，因為總動量守恒，則必有沿x軸正方向運動的另一粒子的動量增加了，因為能量的平方與呈線性關系，所以這時的總能量必然大于沿x軸正方向運動時的能量。也就是說，只要四個粒子中，有沿x軸負方向運動的，則總能量必不是最小值。

(3)若四個粒子的動量的方向不在同一直線上，這時將它們沿x軸方向和垂直于x軸方向分解，沿x軸方向總動量守恒；垂直于x軸方向的動量互相抵消，但它們卻使粒子的能量增大了，也就是說，這時的能量也不是最小值。

總結以上可見，要想碰后四個粒子的總能量最小，根據總動量守恒、能量守恒及相對論能量和動量關系式可知，碰后四個粒子的動量必相等。

設碰前運動質子的動量為p，質量為m，碰后四個粒子的動量為、、和，四個粒子的質量為、、和，根據動量守恒和能量守恒，有

， ②

。 ③

由上面論述可知

。 ④

再由①式可知，碰后四個粒子的能量相等從而質量必相等。以表示碰后四個粒子中每個粒子的質量，由③式得

。 ⑤

對碰前那個運動的質子，由相對論能量和動量關系有

。 ⑥

對四個粒子中任一個粒子，由相對論能量和動量關系有

。 ⑦

由⑤⑥⑦式可得

。 ⑧

代入數據得

。 ⑨