Ii. Множественное рождение частиц в адрон-ядерных взаимодействиях

Вид материала

Документы

Подобный материал:

• Школа современной астрофизики, Пущино, 7-9 и 13-14 (или 10-11) июля 2008, 31.32kb.
• Лекция 19. Интерфейсы. Множественное наследование Интерфейсы как частный случай класса., 433.86kb.
• Исследования деления ядер урана и плутония при низких энергиях возбуждения. 01. 04., 549.02kb.
• 1. формирование сигнала в счетчике с вакумным фэу, 60.02kb.
• Возможность объяснения низкотемпературных ядерных реакций, исходя из логнормального, 455.14kb.
• Барионы и мезоны. Метастабильные адроны и резонансы. Странные и очарованные адроны., 22.91kb.
• Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами, 1409.46kb.
• Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами, 1409.48kb.
• Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика ядра, 32.88kb.
• Бакалов Валерий Пантелеевич. Основы теории цепей: учебник, 143.88kb.

Глава II. Множественное рождение частиц
в адрон-ядерных взаимодействиях

§1 Ранний период исследований процесса
множественного рождения частиц

Открытие в 1919 году Резерфордом первой ядерной реакции

¹⁴N+⁴He¹⁷O+¹H,
в которой было обнаружено, что при столкновении двух ядер достаточно большой энергии возникают два совершенно других ядра, в сущности, положило начало современной физики высоких энергий и современной теории элементарных частиц. Основы и до сих пор существующих представлений о взаимодействии релятивистских ядер друг с другом были заложены в работах Н. Бора, Я. И. Френкеля и Л. Д. Ландау 53-55.

Н. Бор впервые указал на то обстоятельство, что любой ядерный процесс должен рассматриваться как частный случай проблемы многих тел. Метод Хартри-Фока, или «метод возмущенных волновых функций», успешно применявшийся для описания атомных столкновений еще до работы Бора, был перенесен на ядро. Между тем, имеется качественное различие взаимодействия электрона с атомом, когда рождение фотонов маловероятно, и электрон проходит через атом не теряя энергии, от взаимодействия -частицы или нуклона с ядром, которая, как полагал Н. Бор, не может пройти сквозь ядро, не испытав взаимодействия с ядерными частицами. Среднее расстояние между нуклонами такого же порядка, как и радиус действия ядерных сил. Как только падающая частица достигнет поверхности ядра, она сразу же передаст часть своей энергии нуклонам ядра. При дальнейшем движении она будет быстро терять свою энергию. Энергия ее первоначального движения быстро перераспределится между всеми нуклонами первоначального ядра и падающей частицей. Образуется составное «промежуточное ядро».

В процессе образования и последующей жизни «составного ядра» имеется большая вероятность излучения как -квантов, так и нуклонов и ядер до достижения им долгоживущего или стационарного состояния. Время жизни, характерное для «составного ядра», должно быть много больше характерного ядерного времени 310^-22 сек 56.

По идее Бора, ядро является «закрытой системой»,частица не может пройти сквозь ядро, она может только войти в его состав. Несмотря на почтенный возраст этой идеи, она фактически живет и до настоящего времени. Дальнейшее изложение теории ядерных реакций не входит в план данной работы, но она, эта работа, и будет посвящена именно тому, чтобы показать, что эксперименты при высоких энергиях сталкивающихся частиц качественно противоречат гипотезе двухстадийного механизма процесса рождения частиц и фрагментации релятивистских ядер.

В конце 40-х годов произошел новый существенный прорыв в формировании наших представлений о взаимодействии частиц высоких энергий друг с другом и с ядрами. Связано это было в первую очередь с совершенствованием фотометода. Появились ядерные эмульсии, разработанные фирмами Ильфорд и Кодак, чувствительные к частицам с минимальной ионизирующей способностью (эмульсии G-5 и NT4).

Гипотеза существования заряженной ядерно-активной частицы промежуточной массы, ^­­ мезона, распадающегося на две другие частицы, одна из которых является заряженной частицей слабо взаимодействующей с ядрами (^-мезон), была убедительно подтверждена наблюдениями в фотоэмульсии 57, 58. В 1950 году было доказано (уже в электронном эксперименте и на ускорителе) существование нейтрального ^о-мезона по распаду его на два -кванта 59. Предсказание возможности множественного рождения частиц в одном взаимодействии было сделано Гайзенбергом (1936 год 60) еще до открытия -мезонов на основании общих соображений квантовой теории поля.

Однако открытие множественного рождения -мезонов было сделано с помощью фотоэмульсий G-5, экспонированных в стратосфере на высоте 27 км 61. Микрофотография этого легендарного события, известного как «ливень Шайна» содержится в 62. Первичной частицей в этом событии является, по-видимому, протон большой энергии. Среди вторичных частиц имеется только одна сильно ионизирующая (медленная) частица. Такие события и сегодня в эмульсии классифицируются как «квазинуклонные». Это первое наблюденное pN взаимодействие, в котором родилось сразу 15 частиц с минимальной ионизирующей способностью. Семь из них вылетают внутри узкого конуса с углом полураствора 3 мрд, а остальные 8 в более широком конусе 0.13 рад. Имеется еще и е⁺е^--пара с очень малым углом между следами. Это первое убедительное доказательство множественного образования ^ и ^о мезонов в одиночных нуклон-нуклонных взаимодействиях.

Появление большого числа медленных частиц при облучении эмульсий космическими лучами было известно и ранее 63. Это явление подробно исследовал А. П. Жданов 64. Но явление фрагментации релятивистских ядер первичного космического излучения в эмульсии G-5 экспонированных на больших высотах было открыто примерно на год раньше публикации «ливня Шайна» в работах 65, 66. В работе 65 релятивистское ядро с Z между 14-20 полностью фрагментирует в одно- и двухзарядные частицы без видимого рождения -мезонов. В 66 релятивистское ядро первичного космического излучения группы Mg-Si дает узкий ливень из пяти -частиц и одного протона. Именно такие взаимодействия и будут далее предметом исследования в эмульсиях облученных релятивистскими ядрами на ускорителях, когда первичное ядро и его энергия точно известны, а число событий в эксперименте уже не единицы, а сотни и тысячи.

Открытие в эксперименте факта множественного рождения -мезонов в одном акте pN взаимодействия, при энергиях еще недоступных на ускорителях частиц, способствовало бурному развитию теоретических представлений о структуре материи и взаимодействии частиц на очень малых расстояниях. Этот процесс продолжается и в настоящее время. Одной из первых моделей множественного рождения частиц была модель Ферми 17, усовершенствованная позднее Л. Д. Ландау 67. Основные гипотезы, лежащие в основе этих моделей, по существу, дожили и до наших дней. Предполагается, что наши представления о пространстве и времени остаются неизменными и при сколь угодно малых расстояниях и временах. Метрика пространства-времени остается эвклидовой и его «квантов» не существует, хотя гипотеза о сильных его флуктуациях и высказывается в современной теории струн 68.

Второе предположение состоит в том, что множественное рождение является следствием возбуждения системы с очень большим числом степеней свободы, и поэтому эту систему можно описывать как классическую. И, наконец, в процессе взаимодействия налетающая частица теряет большую часть своего импульса.

В той или в иной форме эти представления сохраняются до сих пор (см., например, работу 69). Первоначальная же идея Ферми состояла в том, что два нуклона высокой энергии, сталкиваясь, образуют общую систему, в которой выделяется вся энергия сталкивающихся нуклонов. За счет этой энергии система сильно разогревается до температуры Т. Внутри этой системы устанавливается равновесное состояние, которое можно рассматривать статистически. После установления равновесия начинается вторая стадия, а именно разлет образовавшихся частиц. Основные черты модели множественного рождения частиц Ферми-Ландау, хотя и задают определенный теоретический стандарт моделям этого явления 70, не отличаются по существу, от механизма «составного ядра» предложенного Бором для описания ядерных реакций. Гидродинамическая модель, основы которой заложил Ландау, все еще претендует на описание экспериментальных данных (см. 69), и основанием для этого является то обстоятельство, что квантовая теория поля может быть выражена в гидродинамических терминах 71.

С появлением пучков ускоренных частиц до энергии 100 МэВ стало ясно, что атомное ядро не является для них «закрытой системой». Оно прозрачно для нуклонов с определенной вероятностью 72. Довольно быстро было установлено, что поперечные импульсы рожденных частиц примерно одинаковы и остаются постоянными при увеличении энергии первичных частиц 73. Это качественно не согласуется с гипотезой распределения всей первичной энергии между частицами в некотором объеме. Более того, оказалось, что существуют так называемые лидирующие частицы, уносящие значительную долю энергии первичной частицы.

Появились совершенно новые идей в теории множественного рождения частиц, да и в теории элементарных частиц вообще. Это прежде всего гипотеза партонов 74, 75. Адрон представляется в виде системы виртуальных, точечных, безмассовых частиц - партонов. Облако партонов непрерывно изменяется в пространстве и во времени, сохраняя квантовые числа первичного адрона. Все партоны в облаке взаимосвязаны, когерентны. Существенно, что это состояние существует до взаимодействия адрона с другим адроном. При неупругом столкновении двух адронов с большой вероятностью взаимодействуют друг с другом партоны с малыми быстротами («малютки»), а остальные партоны каждого из адронов продолжают свое движение с теми же импульсами, которые они имели до взаимодействия двух «малюток» 19. Но в результате этого когерентность каждого из облаков партонов будет нарушена. Они не смогут уже собраться вместе в начальное состояние, чтобы дать «жизнь» новому облаку партонов. Начнется процесс адронизации, или превращения виртуальных партонов в реальные, наблюдаемые, частицы. Они начнут приобретать массу. Естественно, за счет кинетической энергии первичной частицы. Весь «эшелон» партонов как бы чуточку притормозит как целое. Гипотеза предельной фрагментации 19 оказалась чрезвычайно плодотворной. Она была и принципиально новой в теории множественного рождения. Теперь нет «разогревания» вакуума в процессе взаимодействия. Становится наблюдаемой его часть, существовавшая до взаимодействия.

В настоящее время естественными кандидатами на роль партонов стали кварки и глюоны, и объектом исследования стал КХД вакуум.

Экспериментальные исследования множественного рождения частиц в адрон-ядерных взаимодействиях начаты автором в самый ранний период его исследования и проводились в эмульсии Ильфорд G-5 экспонированной в течение 7 часов на высоте около 30 км 76. В этой работе детально анализируются 7 струй, характеристики которых приведены в таблице 2.

Энергия первичной частицы Е_о определена методом Костаньоли 77 по угловому распределению вторичных частиц в предположении их симметричного разлета в NN столкновении. В этом случае

. (29)

Первые три изученных события вполне укладываются в представления теории Ферми-Ландау, вторичные частицы имеют функцию распределения F(ln tg) симметричную относительно _с.

Таблица 2.

Характеристики расщеплений, наблюденных в работе [76]:

n_s – число ливневых частиц, n_h – число фрагментов мишени и нуклонов отдачи, Е_о – энергия первичной частицы (ГэВ), - расстояние (мм) от центра события до области измерения координат вторичных частиц.

Nпор	ns	nh	Eo
1 2 3 4 5 6 7	28 18 27 46 52 46 17	8 10 9 18 37 9 27	5200 1800 1600 100 40 40 60	0.7 0.5 0.9 1.0 0.32 0.13 0.1

Предполагалось, что это обычные NN взаимодействия, подобные тем, что наблюдались и в работе 61.

События 4-6 в таблице 2 имеют более широкий конус, характеризуются меньшей энергией Е_о, но общее число частиц n_s+n_h в них заметно больше. Функция распределения F(<) одного из таких событий приведена на рис. 6.

Рис. 6 Пример интегрального углового распределения ливневых частиц в событии, имеющего признак наличия фрагментационной области первичной частицы. Зарегистрировано при облучении эмульсии в стратосфере 76.