На передньому краї фізики високих енергій
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
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.