На передньому краї фізики високих енергій

Атом

Сучасний етап фізики космічних променів характеризується все більш глибоким проникненням в саму суть елементарних процесів взаємодії частинок високої енергії. Ще вище за шкалою енергій просунулися фізики у вивченні ядерних взаємодій методом ядерних фотоемульсій. В принципі це найпростіший метод в ядерній фізиці, так як він не потребує примхливої і складної апаратури типу камер Вільсона. Досить зібрати стопку складених разом великих фотоемульсіонних шарів товщиною 400-600 мікрон кожен і послати потім цю стопку за допомогою повітряної кулі в стратосферу.

Сучасні повітряні кулі з тонкої поліетиленової плівки, обсяг яких обчислюється сотнями тисяч кубометрів, дозволяють протягом декількох десятків годин протримати стопки вагою в сотні кілограмів на висотах 30-35 кілометрів. Це дає можливість зареєструвати в таких стопках порівняно рідкісні випадки взаємодії з ядрами речовини частинок, що володіють іноді енергіями до мільйона мільярдів електроновольт.

І, нарешті, своєрідні «рекорди» у реєстрації процесів надвисоких енергій були поставлені за допомогою дуже складних установок, що займають величезні площі і реєструють широкі атмосферні зливи. Така апаратура дозволяє вивчати вельми рідкісні частинки космічного випромінювання, що володіють грандіозними енергіями – приблизно до 5.1019 електроновольт. Пролітаючи крізь атмосферу Землі, вони народжують в ній багато мільярдів елементарних частинок (в основному електрони, позитрони і фотони).

ІОНІЗАЦІЙНИЙ КАЛОРИМЕТР

До останнього часу вважалося, що будь-яка дійсно елементарна частинка матерії може брати участь у процесі зіткнення з іншою такою ж часткою тільки як щось ціле. При дуже високих енергіях (порядку 10 12 електроновольт) частинок, що зіштовхуються, енергія удару може в десятки разів перевершувати повну енергію спокою кожного з партнерів. Яким же чином витрачається ця енергія! Вважали, що результатом зіткнення є утворення сильно розігрітого (до температур порядку 10 12 градусів) згустку ядерної матерії, який потім дуже швидко розширюється, розпадаючись на десятки окремих частинок – мезонів. Процес розпаду такого згустку найпростіше розглядати в рухомій разом зі згустком системі координат, яка в цьому випадку є системою центру інерції частинок, що стикаються.

Дійсно, припустимо, що будь-хто кинув легкий камінчик у вікно швидкого поїзда і розбив скло, скалки якого розлетяться на всі боки. Найбільш природний опис явища фізик виробить в системі координат, пов’язаній з поїздом, і тоді енергія кинутого каменя буде визначатися в основному швидкістю руху самого поїзда. Навпаки, якщо мова буде йти про пробите скло кулею, швидкість якої набагато більше швидкості поїзда, то може виявитися зручніше описувати явище в системі координат, пов’язаній з рухомою кулею: швидкість кулі в результаті удару дещо знизиться, а скалки вибитого шматочка скла полетять вперед у напрямку руху кулі.

У тому випадку, однак, якби маси «снаряда» і безпосередньо розбитого ним скла виявилися близькими, сам «снаряд» сильно втратив би свою швидкість після удару, а скалки скла придбали б значну швидкість в тому ж напрямку. Тому найзручніше було б розглядати процес в системі координат з проміжною швидкістю, в якій підсумковий імпульс частинок, що зіштовхуються (до і після удару) дорівнює нулю. У такій системі координат розліт всіх утворених скалок повинен відбуватися більш-менш симетрично в обидва боки – вперед і назад по лінії взаємного зближення тіл. З іншого боку, спостерігаючи тільки розліт скалок і не знаючи заздалегідь швидкості «снаряда», можна обчислити величину цієї швидкості, визначивши спочатку швидкість системи центру інерції «снаряда» і розбитого ним скла.

Здавалося б, що ті ж самі міркування будуть застосовні і до випадку, на перший погляд ще більш простому: зіткнення двох абсолютно однакових елементарних частинок, наприклад протонів, коли роль «осколків» грають утворені в процесі удару нові частинки – мезони. Однак для того, щоб перевірити, чи так це насправді, треба було знайти прямий спосіб вимірювання швидкості або енергії падаючої на шар речовини «снаряда» – швидкої частинки космічного випромінювання.

Дотримуючись ідеї, запропонованої фізиком Н. Л. Григоровим, вчені створили для цього особливий прилад – так званий іонізаційний калориметр. Найважливішою частиною апаратури є кілька рядів іонізаційних камер, що дозволяють точно вимірювати число заряджених частинок, що проходять через кожен ряд. Всі ці частинки створюються в процесі взаємодії з ядрами речовини або безпосередньо в якомусь спеціальному фільтрі верхньої частини установки, або в наступних ядерних взаємодіях вторинних і третинних частинок в масивних шарах свинцю або заліза, що заповнюють простір між рядами вимірювальних камер.

В результаті вдається виміряти повну енергію, віднесену всіма продуктами вихідної взаємодії падаючої частинки і витрачену в процесі гальмування частинок на іонізацію атомів речовини, а в кінцевому підсумку – на його розігрів. Незважаючи на мізерно малу величину енерговиділення – вона становить близько однієї тридцятимільйонної частини малої калорії (у перерахунку на теплові одиниці) – використання високочутливих електричних методів реєстрації частинок дозволяє провести вимірювання енергії первісної частки з точністю близько 30 відсотків.

Однак сам по собі калориметр недостатній для отримання наочної картини зіткнення частинок і розльоту продуктів їх взаємодії. Дуже корисною для цієї мети виявилася камера Вільсона – прилад, в якому кожна із заряджених частинок залишає слід. При цьому, поміщаючи камеру в магнітне поле, можна по викривленню слідів визначити енергії та швидкості кожної з вторинних частинок.

Основний інтерес результатів, отриманих нещодавно в результаті дослідів, полягає в тому, що розліт народжених частинок майже в половині випадків виявився різко несиметричним і спрямованим або вперед, або назад. Єдино розумне пояснення цього факту засновано на обліку «структурності» зіткненних між собою протонів, кожен з яких можна в грубому наближенні уявити собі у вигляді щільної серцевини (керна), оточеного більш «пухким» утворенням – мезонною «хмарою».

Дійсно, якщо основна маса мезонів народжується в результаті взаємодії масивної частини падаючого протона з відносно легкою частиною нерухомого протона, то і швидкість центру інерції буде близька до швидкості падаючої частинки. Тому частинки полетять переважно вперед. Якщо ж, навпаки, в «гру» вступить більш масивна частина нерухомого протона, то, умовному спостерігачеві, пов’язаному з системою центру інерції, здасться, що продукти взаємодії полетіли в основному назад – проти напрямку руху падаючої частинки.

В даний час багато фізиків працюють над створенням теорії, яка могла б правильно описати процеси взаємодії частинок з врахуванням їх структури – взаємодій як центрального типу (з утворенням однієї збудженої системи після зіткнення), так і периферичного, що характеризується порівняно слабкою втратою енергії падаючої частки.

Автор: Г. Б. Жданов.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что для настоящего пребывания на переднем крае физики высоких энергий, очень важно для всякого ученого также отлично знать английский язык, ставшей как некогда латынь настоящим международным языком науке. Но даже если с английским языком у какого-нибудь талантливого ученого складываются не очень хорошие отношения, то в таком случае на помощь могут прийти различные языковые курсы, тут вам и английский для начинающих, и для середнячков и уже продвинутых знатоков языка Шекспира.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *