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

предположение, что процессы кумулятивного типа должны иметь место и при множественном рождении адронов. Ос­ новным условием такого эффекта должна быть случайная встреча по крайней мере трех частиц высокой энергии в объеме с размерами, не превышающими радиуса сильных взаимодействий.

Прямым подтверждением этой смелой гипотезы явились результаты опыта, проведенного недавно на большом син­ хрофазотроне в Дубне В. С. Ставинским и его коллегами. Опыты состояли в изучении энергетического спектра пио­ нов, рожденных дейтонами (ядрами тяжелого водорода), разогнанными до энергии Е 0 = 9 Гэв. Оказалось, что в пионном спектре наблюдается довольно заметный «хвост» частиц, энергия которых превышает 4,5 Где (рис. 56). Расчеты показали, что вероятность такого внутриядерного кумулятивного эффекта можно определить, исходя из веро­ ятности сближения трех нуклонов (двух падающих и од­ ного неподвижного) на расстояние, не превышающее ра­ диуса сильных взаимодействий.

152

Н е слиш ком ли много моделей?

Па протяжении всей книги читатель имел возможность оз­ накомиться как с основными, изученными эксперименталь­ но свойствами и характерными чертами процесса множест­ венного рождения частиц, так и с моделями, разработан­ ными для теоретического описания и объяснения этих свойств, для понимания сущности явлений, предстающих перед физиками в виде огромного разнообразия различ­ ных реакций с участием единиц, десятков, а иногда и со­ тен элементарных частиц.

Краткое резюме основных экспериментальных данных может быть сформулировано в следующих 7 утверждениях

Е0 ~ 50—70 Гэв). При энергиях свыше 100 Гэв сечение pp-взаимодействий начинает расти.

2. Множественность процесса в среднем (jV) растет с

увеличением энергии примерно как Е \г вплоть до 50 — 70 Гэв, а в дальнейшем имеет тенденцию к выходу на ло­ гарифмический закон.

Топологические, или парциальные сечения (для фик­ сированной множественности) после резкого роста при ма­ лых энергиях (2—10 Гэв) имеют тенденцию к переходу че­ рез максимум.

3. Угловые распределения N (Ѳс), отнесенные к си­ стеме центра инерции сталкивающихся частиц, в среднем обнаруживают тенденцию к медленно нарастающей с ро­ стом энергии анизотропии (вытягивание в направлениях

0° и 180°).

4. Распределения поперечных импульсов частиц Fx(px) проходят через максимум при р± ~ т„с (т„ — масса

пиона); величины р \ спадают с самого начала примерно по одному и тому же (экспоненциальному) закону, который

выделяются, особенно при малой множественности, «ли­ дирующие» частицы, уносящие импульс, сравнимый с пер­ воначальным (ртах)5 и стремящиеся сохранить квантовые характеристики первичной частицы (барионное число,

153

заряд и пр.). Распределение по относительным импульсам X = рц//?тах при достаточно больших энергиях (и фик­ сированном значении р±) асимптотически стремится к своему предельному виду.

6. Состав рождаемых частиц при не очень высоких энергиях (десятки Гэв) отличается резким преобладанием пионов с заметной примесыо ^-мезонов и малой добавкой антинуклонов. При энергиях в сотни и тысячи Гэв заметно возрастает доля/ІГ-мезонов и очень сильно — антинуклонов.

7. При энергиях 10 Гэв и достаточной множествен­ ности на первой стадии взаимодействия имеет место тен­ денция к объединению частиц в более массивные сгустки («кластеры», или файрболы).

Для количественного описания этих семи фундамен­ тальных фактов привлекается по крайней мере восемь теоретических моделей, классификация которых дается в табл. 4 1. Следует отметить, что в таблицу сознательно не включен еще ряд моделей, которые либо количественно слабо разработаны, либо имеют лишь исторический ин­ терес и не выдержали «критерия практики» (таких очень немного), либо имеют слишком ограниченный диапазон применимости, либо, наконец, трудно поддаются нагляд­ ной физической интерпретации и носят формально ма­ тематический характер.

Втаблице отмечены знаком плюс те основные пункты,

вкоторых данная модель согласуется с опытом (по край­ ней мере не противоречит ему).

При первом же взгляде на таблицу усматривается си­ туация, которая нередко резюмируется на научных кон­ ференциях в виде тезиса «почти все модели описывают поч­ ти все экспериментальные факты»12 (впрочем, любители категорических утверждений даже не пользуются ого­ воркой «почти»),

Всвязи с этим хотелось бы обратить особое внимание на тот столбец табл. 4, в котором сопоставляются различные предсказания зависимости средней множественности рож­ дения частиц от энергии первичных адронов Е 0. Предска­

зание мультипериферических моделей состоит в том, что

1С точки зрения механизма множественного рождения частиц последние 2 мо­ дели являются лишь вариациями одной и той же идеи.

2Единственный знак минус в таблице означает не столько прямое противоре­ чие гидродинамической модели опыту, сколько утверждение о тенденци­ озной интерпретации соответствующих опытных фактов.

154

* Эти результаты не выводятся, а скорее постулируются.

выход иа зависимость типа N ~ ]g Е 0 должен происхо­ дить тогда, когда продольные импульсы частиц в системе центра инерции начинают существенно (в несколько раз) превосходить поперечные. И действительно, при энергиях Е 0 > 50 Гэв экспериментальные данные для среднего чис­ ла заряженных частиц неплохо укладываются в простую приближенную формулу

Nt ^ 3,5 lg Е0 (Гэв).

Однако сторонники гидродинамической или термоди­ намической модели указывают на то, что их предсказания в доступном для современных ускорителей диапазоне энер­ гий также неплохо согласуются с опытом. Некоторые ав­ торы даже предлагают обобщенную формулу, которая определяет среднюю множественность при любых энер­ гиях, а при достаточно больших Е 0 приобретает особенно простой вид

ІѴ3 ~ 2 £ Ѵ ‘ (Л>6),

Поэтому так важен «прорыв» к более высоким энергиям, который пытаютсяі осуществить физики, занимающиеся космическими лучами и утверждающие, что логарифми­ ческий закон дает явно заниженную множественность при энергиях порядка 1014 эв и выше (энергиях, определя­ ющих развитие широких атмосферных ливней).

Не менее важен и анализ распределения множествен­ ностей вокруг их среднего значения. Как отмечалось в главе 5, в гидродинамической модели трудно объяснить наблюдаемое на опыте широкое распределение (при кото­ ром средний квадратичный разброс вдвое превышает сред­ нюю множественность), да и вообще строгий количествен­ ный анализ этого распределения пока не выполнен. Боль­ шой интерес в связи с этим представляет анализ парных корреляций между углами вылета частиц, выполненный

вряде работ на ускорителях со встречными пучками. Об­ наружение явно выраженных корреляций в сочетании с «аномально» большим разбросом множественности рожде­ ния частиц приводит многих специалистов к выводу о су­ ществовании по крайней мере двух разных типов взаимо­ действия адронов. Один из них, возможно, укладывается

врамки мультипериферической модели, а другой, по-ви­ димому, как-то связан с процессом дифракционной гене­

156

рации частиц. Правда, разобраться в свойствах этого второго процесса при энергиях порядка ІО12 эв и выше по­ ка что как следует не удалось.

Означает ли обилие более или менее «подходящих» моделей многозначность истины, какую-то уступку фило­ софскому релятивизму? Или, может быть, это — сугубо временное положение, когда ученые пробуют разные под­ ходы к одному и тому же процессу, способы подчеркнуть его разные стороны; подходы, которые в будущем сольются в единую строгую теорию аналогично тому, как квантовая физика осуществила органический синтез волновых и корпускулярных описаний частиц материи? Или, наконец, произойдет в будущем «переоценка ценностей», когда ка­ кие-то исходные понятия окажутся бессмысленными, по­ добно случаям с флогистоном в науке о тепловых явлениях или с эфиром в теории электромагнетизма?

Автору представляется наиболее вероятным, что если не все, то большинство моделей не исключают, а скорее дополняют друг друга. И хотя между моделями существу­ ет глубокая внутренняя связь, в природе могут реализо­ ваться процессы действительно разного типа даже при оди­ наковых начальных условиях столкновения.

Для обоснования этой точки зрения рассмотрим взаи­ моотношения моделей сначала в пределах одного класса, а затем и между классами.

Простые периферические модели типа одночастичного обмена, которых вполне достаточно, скажем, для описа­

ростом множественности происходит «кластеризация», объе­ динение частиц в один сгусток, напоминающий файрбол. Как показали исследования советского теоретика В. II. Грибова и его сотрудников, при достаточно высоких энергиях подобная модель логически неизбежно приводит к распаду единого сгустка на несколько четко отделенных друг от друга частей. Получается нечто вроде газа, нахо­ дящегося в критическом состоянии и испытывающего тен­ денцию к конденсации в отдельные плотные сгустки ве­ щества. Чтобы выяснить, в какой мере эффект «кластери­ зации» способен обеспечить распад единого сгустка на два (или более) файрбола, нужны более детальные исследова­ ния корреляций между импульсами частиц при энергиях

157