Фоторождение пи-мезонов на нуклонах

Среди фундаментальных взаимодействий, лежащих в основе структуры материи, электромагнитные взаимодействия являются наиболее распространенными. Они обладают неограниченным радиусом действия и в то же время являются довольно интенсивными (по сравнению со слабыми и гравитационными).

Среди фундаментальных взаимодействий, лежащих в основе структуры материи, электромагнитные взаимодействия являются наиболее распространенными. Они обладают неограниченным радиусом действия и в то же время являются довольно интенсивными (по сравнению со слабыми и гравитационными).

Долгое время они были единственным известным типом фундаментальных взаимодействий, поэтому к настоящему времени наиболее изучены. Электричество   и магнетизм, оптика, радиофизика, физика рентгеновского излучения и гамма-излучения, физика плазмы и множество других разделов относятся к физике электромагнитных взаимодействий. Более того, электромагнитные взаимодействия играют решающую роль в структуре атомов и молекул. В связи с этим все достижения в области физики атома и молекулярной физики, физики твердого тела можно было бы также отнести к физике электромагнитных взаимодействий. Однако когда говорят об электромагнитных взаимодействиях в физике элементарных частиц, то имеют в виду, во-первых, открытие и разработку принципиально новых законов электромагнетизма и, во-вторых, такие   применения этих законов, которые позволяют получить информацию о структуре вещества в области предельно достижимых, малых расстояний.

Естественные источники главных носителей электромагнитного поля — электронов и фотонов высокой энергии — космические лучи и радиоактивные препараты обладают массой неудобств: они чрезвычайно мало интенсивны, параметры их пучков не подлежат контролю. Поэтому экспериментальная физика электромагнитных взаимодействий развивалась очень медленно. Начало физике электромагнитных взаимодействий в ее современном понимании было положено созданием электронного синхротрона, основанного на открытом академиком В. И. Векслером принципе автофазировки;

Ускорители — синхротроны дают возможность получать фотоны с длиной волны, которая меньше размеров непременной части атомного ядра — протона. В попытках разорвать протон с помощью такого жесткого излучения были обнаружены так называемые явления фоторождения мезонов, когда в результате   столкновения   фотона с   протоном рождаются новые частицы, а сам протон часто выходит из таких столкновений неизменным. Число частиц не сохраняется, их может появиться столько, сколько позволяет закон сохранения энергии. При этом старые представления о делимости вещества на части, само понятие «состоит из» оказываются несостоятельными. Если от протона можно «оторвать» сколько угодно частиц, значит, он не элементарен, а бесконечно сложен.

Процессы образования и взаимодействия элементарных частиц изучают в десятках крупных лабораторий мира. Мощное развитие получило и исследование фундаментального взаимодействия фотон—протон, превратившись в большой раздел физики элементарных взаимодействий. Его основной задачей стало исследование загадочных сильных (ядерных) взаимодействий с помощью хорошо изученного электромагнитного взаимодействия. Оказалось, что основные черты процессов фоторождения связаны с динамикой сильных взаимодействий. Поэтому изучение таких процессов позволяет выявить новые закономерности сильных взаимодействий — наиболее сложного и очень актуального раздела физики элементарных частиц.

В нашей стране учеными Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР и Объединенного института ядерных исследований за последние 20 лет выполнен обширный цикл теоретических и экспериментальных исследований фоторождения пи-мезонов. В этих институтах впервые были предсказаны основные закономерности фоторождения мезонов, созданы новые методы исследований, экспериментально определены параметры классической мезонной физики и построена теория элементарных процессов фоторождения, основанная на фундаментальных принципах квантовой теории поля.

Особое внимание было уделено исследованию так называемого околопорогового фоторождения пи-мезонов. Дело в том, что при околопороговой энергии фотона, т. е. энергии, едва достаточной для образования при взаимодействии с протоном вторичных частиц (пи-мезонов), теоретические соотношения носят простой характер. Поэтому большинство попыток построения теорий сильных взаимодействий проверялось путем сопоставления их выводов именно с данными по фоторождению пи-мезонов в околопороговой области энергий. Для экспериментального исследования эти явления оказались весьма трудными: вновь образующиеся частицы имеют очень малую энергию. Чтобы зарегистрировать их, физики разных стран создавали специальные водородные мишени, тонкостенные счетчики и пузырьковые камеры.

Советскими исследователями были предложены оригинальные и простые методы, позволившие получить данные, относящиеся к рекордно близким к порогу энергиям. Ряд принципиально новых методов был изобретен и для регистрации фоторождения нейтральных пи-мезонов — частиц, практически мгновенно распадающихся на фотоны. Были изучены особенности рождения пи-мезонов не только при столкновениях фотон—протон, но и в столкновениях фотон—дейтрон. В частности, впервые были предсказаны, а затем экспериментально изучены характеристики процесса фоторождения нейтральных пи-мезонов на ядрах, протекающего без изменения свойств ядра (так называемый процесс когерентного фоторождения мезонов). Это позволило проверить один из основных принципов симметрии элементарных частиц — изотопическую инвариантность.

Важнейшие параметры мезонной физики, на которые опирается изучение этой области физики элементарных частиц, были установлены в основном в лабораториях нашей страны. Широкое международное признание получили и теоретические работы наших ученых в этом направлении. Основной заслугой советских теоретиков здесь является формулировка так называемых дисперсионных соотношений. Оказалось, что, используя только ряд очевидных требований к процессу взаимодействия элементарных частиц, таких, как причинность, подчинение законам теории относительности и др., можно, не прибегая к построению детальной картины взаимодействия, связать между собой экспериментально наблюдаемые величины.

Эти соотношения устанавливают связь между экспериментальными данными и являются одним из очень немногих строгих результатов теории сильных взаимодействий. На их основе удалось связать физические характеристики процессов фоторождения пи-мезонов с характеристиками сильного взаимодействия пи-мезонов с нуклонами и получить надежные количественные результаты для процессов фоторождения в достаточно широкой области энергий. Тем самым были заложены основы теоретического описания процессов фоторождения. Тщательная экспериментальная проверка дисперсионных соотношений, проведенная как в нашей стране, так и в других странах, подтвердила справедливость основных принципов этого метода.

Советские ученые — экспериментаторы и теоретики, создатели этого важного направления в современной физике элементарных частиц — М. И. Адамович, Б. Б. Говорков, А. С. Белоусов, А. И. Лебедев, С. П. Харламов, Е- И. Тамм, А. А. Логунов, Л. Д. Соловьев, А, М. Балдин, А. Н. Тавхелидзе были удостоены в 1973 г. Государственной премии.

Наука и человечество. 1975. Сборник – М., «Знание», 1974.