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.
Исчерпываются ли этим возможности образования мощных сгустков ядерной материи? Возможно, нет.
Еще в 1964 г. в фотоэмульсии, поднятой в стратосферу, было обнаружено событие, в котором родилось около 150 гамма-квантов; их совокупная энергия в лабораторной системе координат была 200 000 Гэв, а энергия первичной частицы ~ 106 Гэв. Анализ этого события дал много ценного, и ему было присвоено собственное имя — «Одинокая звезда Техаса».
В Физическом институте АН СССР в очень давно экспонированной фотоэмульсии недавно было обнаружено соударение с генерацией 87 заряженных частиц, также образующих сгусток. Оцениваемая масса всего сгустка 100 протонных масс.
Так рождается гипотеза о том, что мезон-ная ядерная материя может существовать в сгустках с массами 5, 20 и 100 масс протона. Подтверждение этой гипотезы может иметь громадное значение для построения теории элементарных частиц, помочь, как это было и ранее, открыть с помощью космических лучей новые фундаментальные свойства ядерной материи.
Наиболее перспективным экспериментальным методом изучения файрболов, если оставить в стороне идеальный, по-видимому, недостижимый в ближайшие десятилетия — получение пучков частиц с энергией в десятки тысяч Гэв, сейчас является метод больших эмульсионных камер. Идея метода состоит в следующем. На рентгеновскую пленку накладывается слой свинца толщиной в несколько сантиметров. Гамма-квант высокой энергии образует в свинце электронно-фотонный ливень, состоящий из многих тысяч электронов, позитронов и гамма-квантов сравнительно умеренных энергий. Попадая на рентгеновскую пленку, эти частицы образуют на ней пятно почернения диаметром порядка миллиметра. Степень почернения пленки в пятне пропорциональна числу частиц в каскаде, т. е. энергии гамма-кванта. Если энергия гамма-кванта выше 1000 Гэв, то электронно-фотонный ливень получается настолько мощным, что вызываемое им пятно становится видимым невооруженным глазом. Измеряя почернение пятна с помощью микрофотометра, можно определить энергию гамма-кванта.
В элементарном акте взаимодействия при энергиях ~ 105 Гэв образуется 30 вторичных частиц. При этом примерно 20 из них — заряженные, а 10 — нейтральные пи-мезоны. Каждый нейтральный пи-мезон тут же распадается на два гамма-кванта. Если взаимодействие произошло на достаточном расстоянии от эмульсионной камеры, то гамма-кванты успеют разойтись и образуют на рентгеновской пленке семейство пятен почернения. Определяя почернение (т. е. энергию гамма-квантов) и расстояние между пятнами, можно получить обширную информацию о самом акте взаимодействия.
Если взаимодействие произошло на небольшой высоте над камерой, пятна почернения сливаются. При слишком большой высоте, напротив, начинают играть существенную роль взаимодействия гамма-квантов с атомами воздуха и образование новых гамма-квантов вторичными заряженными пи-мезонами. Поэтому наиболее подходящими оказываются высоты 100—1000 м.
Практически используется не один, а несколько слоев рентгеновской пленки и свинца, уложенных друг на друга. При этом удается проследить и профотометрировать под разной толщиной свинца электронно-фотонный ливень, Это позволяет определять энергию гамма-кванта не по одной точке на каскадной кривой, а по нескольким, что, естественно, надежнее и точнее.
Поскольку рентгеновская пленка покрыта эмульсией с обеих сторон, на ней получаются два пятна почернения. Если гамма-квант попадает на пленку не вертикально, а наклонно, то пятна смещены друг относительно друга. Измеряя смещение, можно определить положение оси каскада в пространстве, что не только дает дополнительную информацию об изучаемом семействе пятен, но и позволяет надежно отбросить все посторонние, случайно попавшие сюда пятна почернения.
Сравнительная простота эмульсионного метода, невысокая стоимость и относительно малая трудоемкость обработки первичных экспериментальных данных позволяют использовать эмульсионные камеры большой площади и, следовательно, изучать взаимодействия частиц очень высоких энергий.
Наука и человечество. 1975. Сборник – М., «Знание», 1974.