Горизонты физики космических лучей

В последние годы у физиков, занимающихся проблемой элементарных частиц, значительно возрос интерес к экспериментам с частицами наиболее высоких энергий. Чем выше  энергия   сталкивающихся частиц, тем «теснее» соударение, тем глубже удается прощупать структуру самих элементарных частиц, тем отчетливее проявляются фундаментальные законы природы, управляющие микромиром.

Содержание материала

В последние годы у физиков, занимающихся проблемой элементарных частиц, значительно возрос интерес к экспериментам с частицами наиболее высоких энергий. Чем выше  энергия   сталкивающихся частиц, тем «теснее» соударение, тем глубже удается прощупать структуру самих элементарных частиц, тем отчетливее проявляются фундаментальные законы природы, управляющие микромиром.

Двигаясь вверх по шкале энергий, ускорители захватили область энергий от десятков до 1000 Гэв, которая еще недавно всецело принадлежала космическим лучам.

Комбинируя выводы, полученные в экспериментах на ускорителях и с космическими лучами, сейчас можно констатировать, что общая картина образования вторичных частиц при энергиях 1000 Гэв остается в основном той же, что и при энергиях порядка 10 Гэв.

Однако в последние годы были выполнены эксперименты с частицами космических лучей, обладающими значительно более высокими энергиями — в сотни тысяч и даже миллионы Гэв. Хотя такие опыты очень трудны и результаты не всегда могут быть однозначно интерпретированы, все же они дают серьезные указания на то, что характеристики взаимодействий, полученные при энергиях в десятки и сотни Гэв, уже нельзя экстраполировать к энергиям в сотни тысяч Гэв и более. Где-то в области этих энергий монотонный ход кривых, представляющий характеристики взаимодействий, существенно нарушается; по-видимому, начинают действовать какие-то новые, принципиально важные процессы и явления.

Анализу этих указаний и перспективам более детального изучения явлений, с ними связанных, был посвящен доклад академика С. Н. Вернова, академика АН Казахской ССР Н. А. Добротина и члена-корреспондента АН СССР Е. Л. Фейнберга на Президиуме АН СССР в январе 1973 г.

Поток космических лучей — протонов и в небольшой доле других ядер, поступающих из космического пространства, очень слаб. Многие параметры в эксперименте могут быть определены лишь очень приближенно. Достаточно сказать, что поток частиц с энергией, скажем, 70 Гэв в космических лучах составляет одну частицу на квадратный сантиметр за час, а в Серпуховском ускорителе » 1011 частиц за секунду. Не может поэтому не вызывать восхищения, что вот уже в течение полувека экспериментаторы на всех этапах исследований получали из космических лучей сведения первостепенной важности, существенные для понимания наиболее глубинных свойств материи.

В космических лучах за сорок лет были открыты чуть ли не все новые долгоживущие частицы: первая античастица — позитрон, мю-мезон, пи-мезон и К-мезоны, гипероны. Был обнаружен фундаментальный, новый для физики элементарных частиц, факт — множественное рождение частиц в одном акте соударения. Вопреки ожиданиям даже таких ученых, как Э. Ферми, оказалось, что как бы ни росла энергия столкновения, в подавляющем числе рождаются по-прежнему лишь самые легкие из сильновзаимодейст-вующих частиц — пи-мезоны.  В противоположность представлениям многих крупных физиков было доказано важнейшее свойство таких соударений — они не катастрофичны: частица, как правило, сохраняет после соударения большую часть своей энергии, а на образование новых частиц отдает лишь небольшую долю своей энергии, характеризуемую «коэффициентом неупругости» (в среднем он несколько меньше 0,5). Было доказано, что характеристики процесса соударения меняются с энергией чрезвычайно медленно. Второй вывод заключается в том, что изменения все же происходят. По мере роста энергии мы обнаруживаем все новые интереснейшие явления. Естественно, что это вызывает повышенный интерес физиков к таким энергиям. Однако вряд ли можно рассчитывать, что в ближайшие 10—15 лет ускорители смогут «подобраться» к столь высоким энергиям. Поэтому вся «ответственность» за эту область остается за космическими лучами.

Какие же данные говорят о новых явлениях?

Энергетический спектр вторичных частиц — протонов, нейтронов и пи-мезонов — в атмосфере идет параллельно энергетическому спектру первичных частиц космических лучей вплоть до энергий первичных частиц порядка десятков тысяч Гэв. При больших энергиях параллельность нарушается. Спектр вторичных частиц идет более круто. Такое явление трудно понять, если не предположить, что оно вызвано существенным изменением характеристик элементарного акта взаимодействия (заметным увеличением сечения взаимодействия или коэффициента неупругости).

Но наиболее интригующие указания на новые эффекты при сверхвысоких энергиях дают исследования тяжелых мезонных сгустков, получивших название «файрболов» — огненных шаров.

Уже в конце 50-х годов было высказано предложение, что особенности появления вторичных мезонов можно объяснить, если предположить, что они образуются не непосредственно в момент столкновения первичной частицы с другой, а в процессе распада сгустка из примерно 10 мезонов (файрбола) с массой порядка 3—5 нуклонных масс. Концепция файрболов еще не получила окончательного признания, так как изучение механизма рождения вторичных частиц — задача в высшей степени трудная. Это одна из фундаментальных проблем, которую, по-видимому, возможно будет решать в условиях   контролируемого эксперимента с  помощью ускорителей нового поколения на энергии до 1000 Гэв.

В последнее время стали накапливаться данные о том, что при энергиях значительно выше 1000 Гэв могут возникать сгустки с массой, уже в десятки раз большей массы нуклона. Первое событие этого типа было обнаружено в лаборатории космических лучей Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР свыше 10 лет назад в облученной космическими лучами стопке ядерных фотоэмульсий, поднятой на высоту самолетом. Детальный анализ данных, относящихся к указанному событию, показал, что около 40 быстрых пи-мезонов изотропно вылетело из одного сгустка, движущегося в системе центра масс взаимодействующих частиц. Масса этого сгустка — тяжелого файрбола — была оценена в 25 масс нуклона. Такие сгустки ме-зонной материи получили название тяжелых файрболов. Наиболее убедительные данные о существовании файрболов, в том числе тяжелых, были получены в ходе работы бра-зильско-японской группы ученых на горе Ча-колтайя в Боливии. Их результаты подтвердили не только факт образования файрболов с массой 3—5 и 20—25 нуклонных масс, но и наличие группировки масс образующихся файрболов вокруг этих значений.