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

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.