Файл: Жданов Г.Б. Множественная генерация частиц.pdf

путем обмена нуклонов одним помероном. Вероятность такого обмена в отличие от однопионного сначала растет, а затем почти не убывает с ростом начальной энергии сталкивающихся нуклонов (в то время как при пионном обмене эта вероятность после достижения максиму­ ма уменьшается обратно пропорционально квадрату энергии).

Процессы образования небольшого числа пионов при столкновении пиона с протоном, как правило, труднее поддаются объяснению в рамках простой периферической модели обмена одной виртуальной частицей. Во всяком случае, часто приходится учитывать два или даже три возможных способа обмена; р-мезоном (с массой 765 Мэв), ш-мезоном (с массой 785 Мэв) или Л 2-мезоном (с массой 1310 Мэв). «Приятное» исключение составляет лишь реак­

с интересом изучается в последнее время и дает неплохое подтверждение основныхзаконов «реджистики» в наиболее чистых условиях в большом диапазоне энергий сталки­ вающихся частиц.

Обратимся еще раз к диаграмме типа приведенной на рис. 21. Очевидно, что в силу симметрии начальных усло­ вий протон 1 («снаряд») и протон 2 («мишень») могут менять­ ся ролями — каждый из них может превратиться в воз­ бужденную систему. При распаде этой системы испускает­ ся помимо бариона еще 1—2 пиона, вылетающие обычно в направлении, близком к направлению исходного про­ тона. При этом надо учесть, что протон-мишень, кото­ рый в системе координат центра инерции двух частиц движется в обратном направлении, после преобразования к лабораторной системе окажется летящим тоже вперед, но под большим углом, а более быстрый мезон может иногда вылететь под углом больше 90° даже в лаборатор­ ной системе. Взглянув на таблицу резонансов со схемами их распада, мы можем убедиться, что квазидвухчастичный процесс позволяет получить в конечном состоянии не бо­ лее 4 —6 свободных частиц (включая нейтральные).

Однако, несмотря на ограниченность своего «репертуа­ ра», квазидвухчастичные и сводимые к ним реакции пред-

68

Рис. 23. Два возможных варианта мультипериферического процесса

а) общий вид диаграммы мультипериферического процесса; б) один из вариантов процесса с обменом виртуальными я-мезонами и рожде ием частиц через р-резонансы

тавляют собой богатейшее «учебное поле» для экспери­ ментатора, так как они позволяют получить исчерпываю­ щую информацию о свойствах любых виртуальных частиц.

Пожалуй, подробнее всего изучены реакции типа N N N А (с участием нуклонов N и рождением резонан­ са А), а также реакции типа nN -*■ рN, nN —> fN, nN ->рД и nN -V /А (с участием пиона и нуклона). Все эти реакции хорошо описываются заданием единого закона взаимодейст­ вия виртуального пиона со свободными (реальными) нуклонами и пионами.

Очень интересна также реакция pN -> NNKK, которая позволяет узнать законы обмена «почти свободным» К-ме- зоном в процессе рождения свободных К- и анти-А-час-

виртуальных частиц резонансы р, А2 и А. Наконец, особый случай представляет изучение импульсного распределения протонов вблизи верхней границы возможных энергий

69

70

И вот оказалось, что с учетом всех законов сохранения физических величин в конечном состоянии никак не уда­ ется набрать достаточное число возможностей множествен­ ного мультипериферического рождения частиц, чтобы обес­ печить необходимую вероятность возврата в исходное состо­ яние, т. е. упругого рассеяния сталкивающихся частиц на нулевой угол. Попытка собрать заново умозрительно разобранный механизм промежуточных взаимодействий частиц потерпела провал из-за недостатка «винтиков» и «деталей» конструкции (у неумелых часовщиков почему-то получается, как правило, обратная ситуация — избыток деталей). Наиболее удачная обнаруженная позднее воз­ можность полной «сборки» упругого взаимодействия из всех неупругих состоит в «разрешении» использовать до­ статочно тяжелые «детали», на которых «держится» вся «лестница» механизма, символически изображенного на рис. 23, б. К этому вопросу мы еще вернемся в шестой главе.

Несмотря на большие вычислительные трудности и не­ определенность выбора между различными вариантами, мультипериферическая модель в последние годы приобре­ ла огромную популярность у физиков и особенно у теоре­ тиков. Можно указать и причины этого успеха.

Во-первых, оказалось, что можно на опыте детально изучить простейшие типы периферических процессов, свя­ занные с одноступенчатым обменом виртуальными пионами (таковы, в частности, реакции л*р А++р° и л +р Д++ю при начальном импульсе я +-мезона 3,7 Гэв/с). Для этих реакций характерно неравномерное (анизотропное) рас­ пределение рождаемых частиц по азимутальным углам. Если бы виртуальный пион, подобно реальному, обладал нулевым значением собственного момента количества движения (спина), то не было бы причины для появления анизотропии в распределении азимутальных углов. Отсю­ да с неизбежностью следует вывод, что спин виртуального пиона (и вообще любой виртуальной частицы) отличается от спина соответствующей реальной частицы и в соответствии с основной гипотезой реджистики изменяется с изменением массы частицы и передаваемого ею импульса. Этим важ­ ным обстоятельством вызвано использование в перифери­ ческих моделях «реджизованных» виртуальных частиц.

Во-вторых, выяснилось, что доля частиц, рождаемых через промежуточную стадию образования и расцада ре-

72

Рис. 25. Доля пионов Л, рождаемых через промежуточную стадию резонансовв

зонансов, вообще говоря, довольно велика и главное не так уж сильно меняется с ростом множественности процесса. Так, например, общая доля пионов, рождаемых при взаи­ модействии их с протонами путем образования пяти наи­ более «популярных» резонансов р, /, со, т) и Д++, умень­ шается примерно вдвое (от 50 до 25%), когда общее чис­ ло пионов растет от трех до пяти, и при этом слабо за­ висит от начальной энергии сталкивающихся частиц (рис. 25). Поэтому и «соблазнительно» было считать, что рождение резонансов протекает путем резонансного взаимо­ действия сталкивающихся между собой виртуальных час­ тиц в мультипериферической цепочке типа изображенной на рис. 23, б.

Сложные пути «реджистики», успехи и трудности мультипериферической модели

Отметим еще раз две основные особенности сильных взаи­ модействий при высоких энергиях. Первая — это наличие очень тесной связи между упругим рассеянием и множест­ венным рождением частиц. Вторая — характерная для множественного рождения сравнительно высокая доля энергии, сохранившейся (хотя бы в среднем) у одной ча­ стицы (в лабораторной системе координат).

Для изучения процессов было бы очень хорошо постро­ ить модель, с помощью которой можно строго вывести все основные свойства упругого и неупругого процесса. Та­ кие модели неоднократно предлагались. Пожалуй, наибо­ лее популярной и детально разработанной оказалась

73

Модель, основанная на представлении об обмене вирту­ альными частицами, трактуемая математически на основе идей Редже с использованием амплитуд как аналитиче­ ских функций комплексных угловых моментов.

Первым пробным камнем «реджистики» было объяс­ нение энергетического хода полного (упругого и неупру­ гого) сечения сильных взаимодействий основных частиц (нуклонов, пионов и ІГ-мезонов) и их античастиц с про­ тонами и с нейтронами. На рис. 26 приведена сводка современных экспериментальных данных вместе с теоре­ тическими кривыми. Как видно, теория очень хорошо сог­ ласуется с экспериментом по крайней мере вплоть до эиергии 60 Гэв, т. е. в пределах, достигнутых с помощью советского ускорителя в Серпухове.

При увеличении энергии происходит постепенное сбли­ жение сечений античастиц и соответствующих им частиц

6,

Рис. ,26. Экспериментальные данные по энергетическому ходу полных сечений взаимодействия частиц и античастиц (протоны, пионы, каоны) с протонами и результаты расчетов по модели Редже (сплошные кривые)

74

(более медленное — для пионов), которые должны прак­ тически сойтись при энергиях порядка ІО12 эв. Советский физик Померанчук теоретически предсказал это постепен­ ное (асимптотическое) сближение сечений при неограничен­ ном росте энергий.

Для той же асимптотической области должно осу­ ществиться совершенно определенное отношение сечений протонов, пионов и каонов (К-мезонов), которое достиг­ нуто пока лишь в довольно грубом приближении.

Удалось теоретически объяснить, почему с ростом энергии может происходить не только уменьшение сече­ ний, но и их последующее возрастание (в одних случаях раньше, как это случилось для і£+-мезонов, в других — позже).

Следует отметить, что согласие теории с экспериментом обошлось довольно дорого. Во-первых, понадобилось учесть возможности обмена виртуальными частицами 5 ти­ пов, каждому из которых соответствует своя траектория Редже, т. е. свой закон изменения положения полюса амплитуды взаимодействия с величиной переданного им­ пульса t. Речь идет о траекториях р, со, А, Р и Р ', при­ чем последние два соответствуют вакуумным полюсам, которые переносят с собой только нулевые квантовые числа и поэтому могут участвовать в «невымирающих» с ростом энергии процессах дифракционного типа. Общее число свободных параметров, которыми располагали тео­ ретики для «подгонки» энергетического хода сечений под эксперимент, превышает 30!

Во-вторых, пришлось учесть, что при продвижении к более высоким энергиям возрастает роль особенностей амплитуд, более сложных, чем полюса.

Не вдаваясь в дебри теории аналитических функций комплексного переменного, можно наглядно объяснить эту ситуацию как неизбежность обмена парами виртуаль­ ных частиц или процесса перерассеяния адронов. Сама

«сильное взаимодействие» означает взаимодействие через виртуальные частицы, вероятность испускания которых близка к единице, в отличие от электромагнитных взаимо­ действий, где в выражении для вероятности появляется дополнительный коэффициент 1/137. Поэтому при отсутст­ вии ограничений в энергии вероятность повторного обмена

75