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

продуктам их распада, вообще говоря, эквивалентно изме­ рению энергий в точках резонансного максимума сечения процесса упругого рассеяния тех же самых частиц. В этом

ления эффективных масс в «подходящих» реакциях мно­ жественного рождения пионов при неупругих взаимо­ действиях нуклонов (рис. 16).

Все резонансные пики на рис. 16, обозначенные сим­ волами Д или N, соответствуют определенным, указанным в скобках у соответствующего символа эффективным массам резонансов. В отличие от рассмотренных выше мезонных резонансов все эти резонансы принято назы­ вать барионными, поскольку они включают в себя тяже­ лую частицу — барион (в данном случае — протон). Со­ поставляя друг с другом эффективные массы резонансных состояний различных комбинаций частиц, можно увидеть, что очень часто одни и те же резонансные состояния могут распадаться по-разному. Так, например, известен ней-

45

Глава 3

ДИФРАКЦИОННЫЕ И КОГЕРЕНТНЫЕ СПОСОБЫ РОЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ

Дифракция частиц й ее неожиданные последствия

Еще в 1927 г. опытами Дэвисона и Джермера (США) было показано, что при прохождении пучка электронов сквозь пленки кристаллических веществ может происхо­ дить в точности то же явление дифракции, что и в опытах с рентгеновским излучением: на фотопластинке, поставлен­ ной за препятствием, образуется четкая система темных и светлых колец. Тогда-то и была впервые подтверждена гипотеза французского физика Луи де Бройля о том, что любая частица материи, несущая импульс р, является в то же время и волной, длина К которой связана с импульсом соотношением

р- Х — h .

Вэто соотношение входит уже упоминавшаяся выше посто­ янная Планка h = 6,6* ІО-27 эрг-сек.

Рассмотрим немного подробнее простейший случай дифракции волны-частицы на сферическом полностью непрозрачном препятствии радиуса R, которым может быть любая другая сильно взаимодействующая с первой частица, например нуклон (рис. 17). На всем пространстве за препятствием волна искажается, причем степень этого искажения зависит от угла рассеяния Ѳ. Действительно,

амплитуда волны меняется в пространстве по закону

sin я, поэтому две волны, «обходящие» препятствие

с разных сторон, полностью гасят друг друга при условии

AL = 2 R sin Ѳ = ХІ2 = h/2p

на фотопластинке, должно быть черное пятно, а радиус первого светлого кольца обратно пропорционален им-

47

Рис. 17. Дифракция волны на сферическом непрозрачном препятствии

Положение эст {П — первого минимума интенсивности рассеянной волны соот­ ветствует условию AL = 2R sin Ѳ, = ty2 при *mjn = L sin Ѳ, (K — длина волны, R — радиус препятствия, L — расстояние до экрана)

пульсу падающей частицы-волны и размерам непод­ вижной частицы-препятствия — и равен (в угловом выражении) Ѳх = h/ARp. Если в это соотношение под­ ставить конкретные величины, то, например, пион с энер­

Возвращаясь опять к корпускулярной картине явле­ ния, можно сказать, что здесь происходит рассеяние падаю­ щих частиц, причем вероятность рассеяния убывает с рос­ том угла. Иными словами, падающей частице сообщаются в разных случаях разные поперечные импульсы pj_ =

=р sin Ѳ, вероятностное распределение которых спадает

сростом угла рассеяния Ѳ, а значит, и величины импульса Pj_ по строго определенному закону.

Важно, что характерная величина поперечного импуль­ са при сильных взаимодействиях по порядку величины совпадает с массой пиона, умноженной на скорость света (рх — тс)• Соизмеримость этих величин вполне естествен­ на, если рассматривать всю картину взаимодействия как обмен виртуальными пионами, «облако» которых и опре­ деляет собой пространственную структуру ядерных час­

48

тиц. Как мы увидим впоследствии, тот же порядок величин поперечных импульсов характерен практически для любых (в том числе и неупругих) сильных взаимодействий, сопровождающихся множественным рождением частиц.

Посмотрим теперь, что изменится, если падающая частица встретится не с одним нуклоном, а с целым ядром. Прежде всего ядро — это препятствие большего размера. Поскольку нуклоны всегда примерно одинаково плотно «упакованы» в ядре (это связано, в частности, с короткодействием сильных взаимодействий), то общий объем ядра пропорционален атомному весу вещества А , а ра­

диус — у А. Структура каждого нуклона определяется испусканием виртуальных пионов, а это приводит к тому, что размер каждого нуклона г0 связан с массой пиона тк соотношением г0 — hlmnc (опять-таки из-за соотноше­ ния неопределенностей).

Итак, в первом приближении ядро — это почти непроз­ рачный шар (дальше мы увидим, насколько важна эта

оговорка «почти») с радиусом R = r0j/Z4.

Потребуем теперь, чтобы условия взаимодействия на­ летающей частицы — волны с каждым из нуклонов ядра были одинаковы. С волновой точки зрения это означает прежде всего, что соотношение фаз рассеянных волн должно быть примерно постоянным на всем протяжении ядра. Тогда все взаимодействия с нуклонами ядра будут

вфазе, или, как обычно говорят, когерентны, что приведет

ких взаимному усилению. Но это условие в свою очередь требует, чтобы изменение длины волны было мало по срав­ нению с размерами ядра R. Если обратиться теперь к вы­ писанным выше значениям для Д и г 0 и вспомнить соотно­ шение неопределенностей между длиной волны и импуль­ сом, то окажется, что необходимым условием когерент­ ности является малость передаваемой ядру продольной

составляющей импульса по сравнению с величиной

тпс I У А , а не только по сравнению с его начальной ве­ личиной.

Советские физики И. Я. Померанчук и Е. Л. Фейнберг первыми обратили внимание на то, что, несмотря на малую величину передаваемых импульсов, взаимодействие частиц может оставаться когерентным и дифракционным, и тем не менее «с точки зрения» налетающей частицы оказаться существенно неупругим. При этом частица-мишень будет

49

Играть роль не только непрозрачного, но й неизменного препятствия, а частица-снаряд развалится (диссоциирует) на отдельные части, суммарная масса которых превысит массу исходного «снаряда».

На первый взгляд получается совершенно парадок­ сальная ситуация. Один из «партнеров» взаимодействия нисколько не изменяет своего состояния, за исключением сравнительно небольшой «отдачи», второй же, будучи элементарной частицей, тем не менее возбуждается, прев­ ращаясь в значительно более тяжелую (и притом очень нестабильную) систему, совсем не проникая в мишень

идаже как будто не касаясь ее.

Итем не менее никакого нарушения принципа причин­

ности в этом явлении нет. Все дело в том, что здесь сущест­ венным образом сказываются волновые свойства элемен­ тарных частиц. Непрозрачное препятствие при высоких энергиях очень сильно искажает падающую волну, что приводит к коренному изменению ее характеристик и в первую очередь — к изменению соотношения между вели­ чиной энергии и импульса, несмотря на относительно очень малое изменение величины импульса. Действитель­ но, вспомним соотношение между энергией частицы Е, ее импульсом р и массой М :

Е 2 = р 2с2 + М 2с \

Из него видно, что при очень большом (по сравнению с величиной Мс) импульсе даже небольшое его уменьше­ ние при сохранении энергии оказывается возможным лишь при условии значительного возрастания массы. В то же время некоторое уменьшение импульса при встрече с препятствием является неизбежным следствием волновой природы элементарных частиц.

Предсказание теории получило впоследствии (в 1964— 1965 гг.) блестящее подтверждение в опытах на больших ускорителях. Оказалось, что при энергии порядка 10 Гэв падающий на ядерную мишень заряженный пион в неко­ торых, не столь уж редких случаях может «разваливаться» сразу на три, как правило, заряженных пиона, а падаю­ щий протон — на такой же протон и, сверх того, два, обычно заряженных, пиона. Особенно хорошо такие про­ цессы наблюдаются в фотоэмульсиях (рис. 18). В них отчетливо виден след падающей частицы и 3 следа разле­ тающихся под очень малыми (порядка нескольких граду-

50

сов) углами вторичных частиц. Никаких других следов, которые могли бы указывать на возбуждение ядра-мипіѳ* ни, из точки взаимодействия не выходит.

Опытный взгляд специалиста без труда узнает это событие на фоне большого числа «нормальных» процес­ сов множественного рождения частиц, если известна энер­ гия первичной частицы Е 0. Действительно, в системе центра инерции падающего протона и одного из нуклонов мишени должна выполняться симметрия разлета частиц относительно плоскости, перпендикулярной к направле­ нию падающей частицы. В той системе координат, где мы наблюдаем данное событие (лабораторной системе), эта плоскость преобразуется в конус с углом раствора, равным 1/ус радиан, причем величина уР (Лоренц-фак- тор 1 системы центра инерции взаимодействующих частиц)

•Лоренц-фактором вообще называется величина у = 1/V 1 — (ѵ/с)‘, где ѵ — скорость данной системы (или частицы), а с — скорость света. Величина у является очень важной характеристикой быстро движущейся частицы уже ротому, что она равна отношению ее полной энергии к энергии покор.

51