появятся в виде реальных частиц, если при соударении исходных протонов
выделится достаточно большая энергия.
В 1969 году Ч. Янг со своими сотрудниками построили модель
"множественного рождения" адронов, основанную на представлениях о
фрагментации сталкивающихся адронов. В результате соударения, скажем,
протона-снаряда и протона-мишени каждый из них как бы рассыпается на части -
фрагменты, главным образом мезоны. Именно такой механизм образования частиц
авторы считали главным. В сущности, он очень похож на способ множественного
рождения шаров, который мы рассматривали в примере с необычными бильярдными
шарами.
Через некоторое время Р. Фейнман внес важные изменения в эту картину.
Фрагментация протона-снаряда и протона-мишени, конечно, существует, отметил
он, но адроны, которые возникают как фрагменты сталкивающихся протонов, не
являются определяющими. Главный механизм "множественного рождения"
заключается в образовании большого числа сравнительно медленных частиц, в
основном пи-мезонов, которые отнюдь нельзя считать фрагментами
сталкивающихся протонов.
Явление, связанное с образованием таких сравнительно медленных частиц,
получило название пионизации. Если попытаться пояснить его на основе простой
картины сталкивающихся и размножающихся шаров, то придется привлекать весьма
необычные представления.
Оказывается, что в результате соударения воображаемые бильярдные шары
могут не только разваливаться на фрагменты, но и как бы сбрасывать с себя
часть массы. Такие порции от каждого из шаров на небольшое время слипаются и
образуют особый объект, который уже нельзя считать частью одного из шаров.
Через некоторое время этот своеобразный объект распадается на новые шары.
Так что чем дальше, тем больше необычных свойств приходится приписывать
этим бильярдным шарам. Это лишь подчеркивает, насколько далеки привычные
механические объекты от того, что наблюдаются в микромире!
Существование фрагментации и пионизации было доказано экспериментально,
однако наблюдаемая картина "множественного рождения адронов оказалась
значительно сложнее, чем предполагалось в фейнмановской модели.
Например, исследователи установили, что образующиеся адроны обладают
сильной взаимосвязью, иными словами, акты рождения каждой частицы ни в коем
случае не являются независимыми друг от друга. Вероятность появления каждого
нового адрона зависит от числа уже образовавшихся адронов, причем, чем
больше их появилось, тем охотней рождаются новые.
Это свойство нельзя понять, не привлекая представлений о каких-то
единых образованиях из очень большого числа адронов, которые могут
появляться хотя бы на очень малое время в результате соударения.
Идеи о возможном появлении таких единых образований - своеобразных
сгустков адронной материи - возникли довольно давно и были связаны с особой
точкой зрения на природу "множественного рождения".
Впервые эта точка зрения была сформулирована Э. Ферми еще в 1950 году.
В результате соударения протонов возникает чрезвычайно раскаленный сгусток
вещества, считал он. Этот сгусток образуется очень быстро и очень быстро
разогревается до огромных температур, поскольку вся энергия столкнувшихся
протонов выделяется в микроскопически малом объеме пространства. Сразу же
после образования сгусток начинает интенсивно распадаться на адроны,
излучать их, подобно тому, как раскаленное тело излучает свет, то есть поток
фотонов, и излучает до тех пор, пока не высветит всю свою энергию.
Советский физик И. Померанчук заметил в модели Э. Ферми один весьма
странный момент: сгусток начинал распадаться на реальные адроны сразу же
после соударения. При этом вещество сгустка было сжато до чрезвычайно
высоких плотностей, и трудно было предположить, что в такой ситуации
появится хоть один реальный адрон. Гораздо естественнее считать, что сгусток
сначала должен расшириться и охладиться, а уже после этого он распадется на
реальные адроны.
Модель И. Померанчука, которую впоследствии развил другой советский
теоретик, Е. Фейнберг, не сразу нашла себе применение. Трудно было
согласовать ее с данными наблюдений в предположении, что весь процесс в
целом выглядит так, как предписывает эта модель. Однако образуются ли
раскаленные сгустки адронного вещества, к описанию распада которых ее и
следовало применять?
В 1958 году группа краковских физиков под руководством М. Менсовича
исследовала события, вызванные частицами космических лучей в стопках
фотоэмульсионных пластинок, побывавших в стратосфере. При энергии налетающей
частицы порядка 1 ТэВ (тысяча миллиардов электрон-вольт) были обнаружены
любопытные процессы образования двух группировок вторичных мезонов,
вылетающих в противоположных друг другу направлениях. После всех необходимых
расчетов получалась такая картина, словно эти мезоны происходят от распада
каких-то сгустков адронной материи, причем характеристики распада были очень
похожи на те, которые встречались в уже упомянутой модели равновесного
излучения фотонов раскаленными телами. Отсюда и появилась идея, что в
экспериментах обнаружены сверхгорячие объекты с температурой порядка
триллиона (1012) градусов, которые распадаются за очень малое время на 10-12
мезонов.
У М. Менсовича и его сотрудников этот объект, по-видимому,
ассоциировался с образом известной шаровой молнии - компактным, но крайне
неустойчивым комком высокотемпературной плазмы, который иногда образуется во
время грозы и наводит ужас на очевидцев своими причудливыми передвижениями.
Этот сгусток так и был назван файрбол (огненный шар).
Впоследствии такого типа события регистрировались "космиками"
неоднократно, и наиболее выдающиеся файрболы даже получали свои имена. Не
так давно, в 1971 году, был сфотографирован гигантский ливень, названный
"Андромеда" - основное почернение фотопластинки напоминало контурами
изображение туманности Андромеды и имело средний диаметр свыше 3 сантиметров
Согласно расчетам ливень был вызван попаданием в атмосферу частицы с
энергией не менее 1016 электрон-вольт.
Однако подобные единичные явления не позволяли с уверенностью говорить
о существовании нового класса адронных объектов. Во-первых, всегда
оставалась надежда, что при более тщательном анализе большого набора данных
на ускорителях "файрбольный эффект" объяснится уже известными частицами и
взаимодействиями между ними. Во-вторых, приняв гипотезу о файрболах, физики
сталкивались с из ряда вон выходящими свойствами, которые даже при богатом
воображении трудно было приписать какому бы то ни было частицеподобному
образованию.
Такая точка зрения усилилась еще и в связи с наступлением "резонансного
потопа". Резонансы, представляющие собой короткоживущие ассоциации
сцепившихся вместе двух или трех адронов, позволили объяснить некоторые
тонкие детали "множественного рождения", в частности, появление довольно
сильных взаимосвязей между некоторыми парами и тройками образующихся
мезонов. Однако, как вы помните, они были достаточно похожи на обычные
адроны обладали определенными, не зависящими от способа рождения массами и
другими параметрами. У файрболов, которые должны были формироваться из
гораздо большего числа мезонов (до 10), подобной устойчивости параметров не
наблюдалось - получалось так, что их массы более или менее равномерно
разбросаны по огромному интервалу от 1,5 до 3,5 - 4 ГэВ. Величина же массы
существенно зависит от того, каким способом образовался файрбол.
На сегодняшний день ситуация с существованием файрболов по-прежнему не
ясна. Однако есть очень веские доводы в пользу того, что именно они или
объекты с очень близкими свойствами обеспечивают сильную взаимосвязь актов
рождения адронов.
В общем "множественное рождение" адронов представляет собой очень
сложный тип процессов Он сложен и для экспериментального исследования, и для
теоретической интерпретации.
Очень интересно обсудить этот процесс в связи с теми представлениями о
структуре адронов, которые мы рассматривали в предыдущих разделах. В самом
деле, наличие у реальных адронов весьма сложной структуры - одна из наиболее
трудных проблем как раз для теории их образования.
Интуитивно ясно, что рождение составного объекта с развитой
пространственной структурой не происходит мгновенно, как какой-то
элементарный акт. Требуется определенное время, чтобы такой объект
сформировался, испытал необходимую эволюцию.
Элементарный мгновенный акт рождения или гибели частицы -
представление, заимствованное из атомной физики, где излучение атома
рассматривается как мгновенное испускание фотона электроном Возможно, что
такая картина хороша лишь постольку, поскольку мы считаем фотон элементарной
частицей
Адрон - частица явно не элементарная, и его образование следует считать
опять-таки неэлементарным актом с определенной длительностью во времени.
На первом этапе обязательно должен образоваться особый "кварковый
атом", скажем, пара из кварка и антикварка - своеобразный зародыш мезона,
отражающий его зарядовые характеристики. Появление "кваркового атома" может
проходить очень быстро, практически мгновенно, поскольку кварки представляют
собой истинно элементарные бесструктурные частицы.
Однако последующие этапы превращения зародыша в реальный адрон должны
иметь некоторую длительность. "Кварковый атом" постепенно приобретает свое
"кварковое море", внешнюю оболочку из виртуальных адронов, то есть
"одевается" и принимает те размеры и формы, которые свойственны реальному
адрону. Только после этого новая частица становится реальным адроном и
покидает область взаимодействия. Вся операция по формированию адрона
занимает не менее 10-23-10-24 секунды - за это время адрон и достигает
нормальных размеров порядка 10-13 сантиметра.
Таким образом, простая схема внутреннего устройства адрона, которую мы
обсуждали ранее, одновременно отражает те стадии развития, которые должен
пройти адрон в процессе рождения, является как бы экономичной формой записи
программы эволюции адрона - от элементарного "кваркового атома" до реальной
структурной частицы.
Все это может показаться слишком "страшным". Казалось бы, нарисована
довольно ясная картина строения адрона - валентные кварки плюс две
оболочки, - к чему же теперь все усложнять, называть эту структуру "записью
программы эволюции"?
Что поделаешь! Усложнение здесь необходимо, и, конечно, не ради самого
усложнения.
Дело в том, что картина строения адрона имеет объективный смысл тогда и
только тогда, когда она верна в любой ситуации. Иначе мы вынуждены были бы
рисовать множество картинок с подписями типа: "Таким видится адрон такой-то
частице при таких-то условиях, а таким при таких-то".
Как вы уже успели убедиться, описание структуры частицы обязательно
связано с ее поведением в определенных реакциях. Физик не может говорить о
внутреннем устройстве микрообъекта, не подвергая этот микрообъект
разнообразным и довольно сильным воздействиям со стороны других
микрообъектов. Непосредственно в эксперименте мы наблюдаем поведение частиц
только в различных реакциях с другими частицами.
На основе замеченных, подчас весьма необычных закономерностей этого
поведения мы должны проделать особую реконструкцию, создать единый образ
частицы, который согласуется со всеми данными наблюдений. При этом мы лишены
приятной возможности отбросить все абстракции и сложные построения в сторону
и просто взять и посмотреть, как же выглядят эти частицы "на самом деле".
Потому что на самом деле они выглядят именно так, как... ведут себя в
различных реакциях.
В этом смысле физик, изучающий микромир, находится примерно в том же
положении, что и палеозоолог, пытающийся по тысячам косвенных данных
восстановить внешний вид и повадки какого-нибудь ископаемого ящера. Но
специалисту по древнейшей фауне легче хотя бы потому, что он имеет
возможность наблюдать собственными глазами других животных, пока не
перешедших в разряд ископаемых...
Картина строения адрона из валентных кварков и двух оболочек основана
главным образом на исследовании рассеяния электронов. Именно таким и
"видится" адрон электрону. Примерно такими же представляются друг другу и
адроны в процессах взаимного рассеяния. Теперь же перед нами встала новая
задача: выяснить, хороша ли схема с точки зрения процессов рождения адронов?
Иными словами, необходимо приспособить эту схему строения к описанию особого
типа реакций их образования. Раньше мы имели дело как бы с готовым адроном,
а теперь должны понять, как этот адрон приготавливается. Ведь готовые
реальные адроны не "сидят" внутри других адронов, они рождаются только в
результате соударений.
Именно поэтому и необходимы все разговоры об эволюции, обсуждение
законов формирования структурного адрона.
То, что адроны постепенно формируются, как бы наращивая свою структуру,
позволяет нам понять общую причину сильной взаимосвязи между актами их
испускания. Ведь новые адроны формируют свою структуру за счет единого
строительного материала - кварков-партонов, - который в изобилии существует
в течение всего времени взаимодействия между столкнувшимися частицами.
А теперь попробуем нарисовать упрощенную картину "множественного
рождения".
Предположим, что сталкиваются между собой два протона. Их внешние
оболочки, состоящие из виртуальных адронов, возбуждаются, почти готовые
виртуальные адроны получают необходимую энергию, достраивают свою структуру
и сбрасываются с каждого протона. Этот процесс и соответствует фрагментации.
Родившиеся таким образом адроны представляют собой как бы фрагменты -
осколки одного из столкнувшихся протонов. Но, как вы помните, фрагментация -
лишь один, и при том не основной, механизм "множественности рождения".
Основное число новых частиц появляется не в качестве фрагментов какого-либо
протона, а производится, так сказать, коллективно обеими сталкивающимися
частицами. Что же происходит в этом случае?
[Image001]
Возможная картина поэтапного формирования адронов в области
взаимодействия в процессах аннигиляционного типа (разделение на стадии
сугубо условное).
На самой ранней стадии образуется партонная "каша" - неравновесное
вещество, состоящее из "голых" адронов. Расширение этого сгустка
сопровождается формированием пространственных неоднородностей - относительно
небольших сгустков виртуальных частиц - своеобразных зародышей реальных
адронов. На последней стадии формирование завершается, "зародыши" успевают
разойтись на довольно большие расстояния и, разделив между собой "шубу",
перестают взаимодействовать. Далее регистрируются свободные адроны, причем с
большими взаимными корреляциями - памятью о происхождении из общего
партонного сгустка.
Оказывается, здесь для объяснения такого механизма рождения приходится
привлекать свойства кварков-партонов, в основном их способность сильно
взаимодействовать на сравнительно больших расстояниях.
В промежуток времени, когда столкнувшиеся протоны взаимодействуют между
собой, их внешние оболочки испытывают сильное возбуждение и частично
разрушаются. Это может сопровождаться следующим интересным явлением.
Начинают активно взаимодействовать между собой кварки-партоны из кварковых
морей - промежуточных оболочек каждого протона.
"Морской кварк", находящийся в одном из протонов, воспринимает
аналогичный кварк из другого протона как "беглеца", так же как он воспринял
бы своего соседа по кварковому морю, попытавшегося уйти на большое
расстояние и покинуть собственный протон. Таким образом, кварки из "морей"
немедленно начинают взаимную атаку, пытаясь затащить друг друга в свою
структуру. Роль арканов, которые кварки из различных протонов набрасывают
друг на друга, играют силы, переносимые глюонами.
Результаты этих микросражений могут быть самыми разнообразными. Каждый
из протонов приобретет и потеряет то или иное количество кварков, но в
среднем итог окажется ничейным, наподобие известной ситуации с двумя
равносильными командами, перетягивающими канат. Однако взаимодействие
кварковых морей не пройдет бесследно.
Каждый из протонов как бы выплеснет из себя определенное количество
кварков-партонов, которые не смогут ни возвратиться назад, ни попасть в
другой протон. Порции кварков-партонов из каждого протона объединятся в
единый сгусток своеобразного партонного вещества, который уже не принадлежит
ни одному из столкнувшихся протонов, а представляет собой какой-то особый
объект. Этот объект в высшей степени нестабилен. Но для того чтобы он
распался к концу взаимодействия, в нем должны успеть сформироваться реальные
адроны. Ведь отдельные кварки-партоны его покинуть не могут, они будут
немедленно затянуты назад этим сгустком или одним из протонов.
Исходного строительного материала для формирования реальных адронов в
этом сгустке вполне достаточно. Первоначально - по условиям своего
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг