На переднем крае физики высоких энергий
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Современный этап физики космических лучей характеризуется все более глубоким проникновением в самую суть элементарных процессов взаимодействия частиц высокой энергии. Еще выше по шкале энергий продвинулись физики в изучении ядерных взаимодействий методом ядерных фотоэмульсий. В принципе это самый простой метод в ядерной физике, так как он не нуждается в капризной и сложной аппаратуре типа камер Вильсона. Достаточно собрать стопку сложенных вместе больших фотоэмульсионных слоев толщиной 400—600 микрон каждый и послать затем эту стопку с помощью воздушного шара в стратосферу.
Современные воздушные шары из тонкой полиэтиленовой пленки, объем которых исчисляется сотнями тысяч кубометров, позволяют в течение нескольких десятков часов продержать стопки весом в сотни килограммов на высотах 30— 35 километров. Это дает возможность зарегистрировать в таких стопках сравнительно редкие случаи взаимодействия с ядрами вещества частиц, обладающих иногда энергиями до миллиона миллиардов электроновольт.
И, наконец, своеобразные «рекорды» в регистрации процессов сверхвысоких энергий были поставлены с помощью очень сложных установок, занимающих огромные площади и регистрирующих широкие атмосферные ливни. Такая аппаратура позволяет изучать весьма редкие частицы космического излучения, обладающие грандиозными энергиями — примерно до 5.1019 электроновольт. Пролетая сквозь атмосферу Земли, они рождают в ней многие миллиарды элементарных частиц (в основном электроны, позитроны и фотоны).
ИОНИЗАЦИОННЫЙ КАЛОРИМЕТР
До последнего времени считалось, что любая действительно элементарная частица материи может участвовать в процессе столкновения с другой такой же частицей только как нечто целое. При очень высоких энергиях (порядка 10 12 электроновольт) сталкивающихся частиц энергия удара может в десятки раз превосходить полную энергию покоя каждого из сталкивающихся партнеров. Каким же образом расходуется эта энергия! Полагали, что результатом столкновения является образование сильно разогретого (до температур порядка 10 12 градусов) сгустка ядерной материи, который затем очень быстро расширяется, распадаясь на десятки отдельных частиц — мезонов. Процесс распада такого сгустка проще всего рассматривать в движущейся вместе со сгустком системе координат, которая в этом случае является системой центра инерции сталкивающихся частиц.
Действительно, допустим, что кто-либо бросил легкий камешек в окно быстро идущего поезда и разбил стекло, осколки которого разлетятся во все стороны. Наиболее естественное описание явления физик произведет в системе координат, связанной с поездом, и тогда энергия брошенного камня будет определяться в основном скоростью движения самого поезда. Наоборот, если речь будет идти о пробивании стекла пулей, скорость которой гораздо больше скорости поезда, то может оказаться удобней описывать явление в системе координат, связанной с движущейся пулей: скорость пули в результате удара несколько снизится, а осколки выбитого кусочка стекла полетят вперед в направлении движения пули.
В том случае, однако, если бы массы «снаряда» и непосредственно разбитого им стекла оказались близкими, сам «снаряд» сильно потерял бы свою скорость после удара, а осколки стекла приобрели бы значительную скорость в том же направлении. Поэтому удобней всего было бы рассматривать процесс в системе координат с промежуточной скоростью, в которой итоговый импульс сталкивающихся частиц (до и после удара) равен нулю. В такой системе координат разлет всех образовавшихся осколков должен происходить более или менее симметрично в обе стороны — вперед и назад по линии взаимного сближения сталкивающихся тел. С другой стороны, наблюдая только разлет осколков и не зная заранее скорости «снаряда», можно вычислить величину этой скорости, определив сначала скорость системы центра инерции «снаряда» и разбитого им стекла.
Казалось бы, что те же самые соображения будут применимы и к случаю, на первый взгляд еще более простому: столкновению двух совершенно одинаковых элементарных частиц, например протонов, когда роль «осколков» играют образованные в процессе удара новые частицы — мезоны. Однако для того, чтобы проверить, так ли это на самом деле, надо было найти прямой способ измерения скорости или энергии падающего на слой вещества «снаряда» — быстрой частицы космического излучения.
Следуя идее, предложенной физиком Н. Л. Григоровым, ученые создали для этого особый прибор — так называемый ионизационный калориметр. Важнейшей частью аппаратуры является несколько рядов ионизационных камер, позволяющих точно измерять число проходящих через каждый ряд заряженных частиц. Все эти частицы создаются в процессе взаимодействия с ядрами вещества либо непосредственно в каком-либо специальном фильтре верхней части установки, либо в последующих ядерных взаимодействиях вторичных и третичных частиц в массивных слоях свинца или железа, заполняющих пространство между рядами измерительных камер.
В результате удается измерить полную энергию, унесенную всеми продуктами исходного взаимодействия падающей частицы и затраченную в процессе торможения частиц на ионизацию атомов вещества, а в конечном итоге — на его разогрев. Несмотря на ничтожно малую величину энерговыделения — она составляет около одной тридцатимиллионной части малой калории (в пересчете на тепловые единицы) — использование высокочувствительных электрических методов регистрации частиц позволяет произвести измерение энергии первоначальной частицы с точностью около 30 процентов.
Однако сам по себе калориметр недостаточен для получения наглядной картины столкновения частиц и разлета продуктов их взаимодействия. Очень полезной для этой цели оказалась камера Вильсона — прибор, в котором каждая из заряженных частиц оставляет след. При этом, помещая камеру в магнитное поле, можно по искривлению следов определить энергии и скорости каждой из вторичных частиц.
Основной интерес результатов, полученных недавно в результате опытов, состоит в том, что разлет рождающихся частиц почти в половине случаев оказался резко несимметричным и направленным либо вперед, либо назад. Единственно разумное объяснение этого факта основано на учете «структурности» сталкивающихся между собой протонов, каждый из которых можно в грубом приближении представить себе в виде плотной сердцевины (керна), окруженной более «рыхлым» образованием — мезонным «облаком».
Действительно, если основная масса мезонов рождается в результате взаимодействия массивной части падающего протона с относительно легкой частью неподвижного протона, то и скорость центра инерции будет близка к скорости падающей частицы. Поэтому частицы полетят преимущественно вперед. Если же, наоборот, в «игру» вступит более массивная часть неподвижного протона, то, условному наблюдателю, связанному с системой центра инерции, покажется, что продукты взаимодействия полетели в основном назад — против направления движения падающей частицы.
В настоящее время многие физики работают над созданием теории, которая могла бы правильно описать процессы взаимодействия частиц с учетом их структуры — взаимодействий как центрального типа (с образованием одной возбужденной системы после столкновения), так и периферического, характеризуемого сравнительно слабой потерей энергии падающей частицей.
Автор: Г. Б. Жданов.