Кандидат физико-математических наук Ю. ПОБОЖИЯ, наш специальный корреспондент.
Непрерывны ли пространство, и время! Или существуют элементарные кванты длины, и времени! Долгое время эти вопросы связывались с проблемой применимости квантовой электродинамики - квантовой теории электромагнитного поля, и его взаимодействия с заряженными частицами.
Эти вопросы стимулировали работы сибирских физиков по созданию ускорителей на встречных пучках. Разработанные установки позволили провести впоследствии серию экспериментов по изучению любопытного семейства недавно открытых элементарных частиц - так называемых векторных мезонов. Эти частицы представляют собой своеобразный мост между электромагнитными, и ядерными силами.
Результаты экспериментов, проведенных на ускорителях со встречными пучками, открывают новую эпоху в ускорительной технике предвидится резкий скачок в область предельных энергий. О новом методе экспериментальной ядерной физики рассказано в этой статье.
Эпиграфы глав - выдержки из выступлений академика Г. И. Будкера, под руководством которого разрабатывался, и в первых же экспериментах доказал свое значение метод встречных пучков.
ВСТРЕЧНЫЕ ПУЧКИ
Ускорители заряженных частиц - это микроскопы современной физики. Как, и при пользовании обычным микроскопом, мы можем судить о структуре наблюдаемого объекта по картине рассеяния на нем потока частиц - световых квантов в оптическом микроскопе, частиц высокой энергии в ускорителе.
У каждого микроскопа есть предел зоркости, предельная малость деталей, которые можно различить с его помощью. Оптики называют этот предел разрешающей способностью, и доказывают, что он определяется длиной волны того излучения, которое используется для наблюдений. Поэтому, скажем, ультрафиолетовый микроскоп зорче обычного, приспособленного для работы в видимом свете ультрафиолетовый свет лежит за коротковолновой границей спектра.
Есть подобный предел, и у ускорителей заряженных частиц - тех инструментов, при помощи которых физики заглядывают в структуру микромира. Чтобы понять, каков этот предел, сравним предыдущий абзац с эпиграфом. В одном случае говорится о световых волнах, в другом - о потоке световых квантов. Для физиков привычна эта двойственная природа света - ходкий пример той всеобщей корпускулярно-волновой двойственности, которая присуща материи. Говоря кратко и общо, это значит, что всякое излучение в определенных условиях обнаруживает свою раздробленность на отдельные порции - кванты и может считаться потоком частиц. И наоборот пучок частиц высокой энергии в ускорителе можно рассматривать, как излучение с определенной длиной волны. Каждая частица - квант такого излучения. Чем выше частота излучения, тем большей энергией наделен его квант. И наоборот, чем выше энергия частиц, тем короче длина соответствующей волны, «замещающей» частицу (физики называют такую волну дебройлевской).
Согласно этому правилу, потоку электронов с энергией, измеряемой десятками тысяч электрон-вольт, соответствует излучение с длиной волны, не превышающей стомиллионной доли сантиметра. Эта величина намного меньше длины любой из световых волн, составляющих солнечный спектр. Разогнав электроны до такой энергии, можно, по-видимому, увидеть в их «свете» детали, неразличимые в любой оптический микроскоп. Именно эта идея легла в основу электронного микроскопа.
Каждому, наверное, доводилось видеть изображения, полученные с его помощью. Похожие на снимки с экрана телевизора, эти зрительные картинки естественны, но вовсе не необходимы для того, чтобы вникнуть в природу микрообъектов. О рассеянии ускоренных частиц физикам столь же подробно рассказывают фотографии треков в пузырьковых, и искровых камерах, графики, осциллограммы и колонки цифр на бумажной ленте, сбегающей с печатного устройства ЭВМ.
Направив альфа-излучение радиоактивного препарата на тонкую металлическую фольгу, и изучив картину рассеяния альфа-частиц, Эрнест Резерфорд открыл структуру атома и обнаружил в центре его ядро размером 10~12 см. Энергия альфа-частиц, применявшихся в этом историческом эксперименте, составляла несколько миллионов электрон-вольт (Мэв, как сокращают физики название этой величины). Чтобы вскрыть электромагнитную структуру ядерных кирпичиков - протонов, и нейтронов, Роберту Хофштадтеру, американскому физику, понадобился поток электронов, разогнанных до энергии, близкой к миллиарду электрон-вольт. (Эту величину сокращенно обозначают гигаэлектрон-вольт, или еще более кратко - Гэв.)
Итак, чем выше энергия, до которой разгоняются заряженные частицы в ускорителе, тем выше «разрешающая способность» ускорителя, тем более мелкие детали микромира можно обнаружить и изучить с его помощью.
Однако ускорители предназначены не только для исследования, но, и для «производства» элементарных частиц. Вспомним о связи энергии и массы, о знаменитом соотношении Эйнштейна, где коэффициентом пропорциональности между массой, и энергией служит квадрат скорости света. Чем выше энергия разогнанных частиц, тем более массивные новые частицы могут рождаться в их столкновениях.
Семья элементарных частиц неизменно пополнялась по мере роста предельной энергии ускорителей. А она за последние десятилетия нарастала в геометрической прогрессии - от десятка миллионов электрон-вольт, достигнутых на первых послевоенных циклотронах, до 70 миллиардов электрон-вольт, до которых ускоряются протоны на серпуховском ускорителе.
Росли энергии, росли размеры, росла и стоимость ускорителей. И вместе с тем все отчетливее вырисовывался принципиальный недостаток, общий для всех ускорителей, в которых частицы, разогнанные до околосветовых скоростей, налетают на неподвижную мишень. Бомбардируемая частица покоится, и огромная доля энергии высокоскоростного «снаряда» расходуется на ее разгон, переходит в энергию общего движения столкнувшихся частиц со скоростью, также близкой к световой.
Лишь ничтожная часть энергии, добытой такой дорогой (в переносном и в буквальном смысле слова) ценой, идет на реакцию между частицами. Вот наглядный пример. Недавно в США обсуждался проект ускорителя на 1 000 Гэв. Предполагалось, что он будет стоить миллиард долларов; в столкновениях ускоренных частиц с неподвижной мишенью смогут осуществиться реакции, требующие для своего протекания 50 Гэв. Стоит всмотреться в эти цифры. 50 Гэв - величина огромная, но она составляет лишь 5 процентов от энергии, затраченной на ускорение частицы. Образно говоря, 50 миллионов долларов при этом расходуется на науку, а 950 миллионов выбрасывается на ветер, на ненужный разгон реагирующих частиц.
Какой смысл в этом их движении? Где еще, в, какой отрасли науки найдется исследователь, работающий в движущейся системе координат? Нелепо выглядел бы зоолог, изучающий животных на бегу да еще, и утверждающий, что так оно удобнее. А ведь именно т;ак и обстоит дело с обычными ускорителями традиционного типа, и сам экспериментатор и вся наблюдательная аппаратура покоятся, а взаимодействующие частицы проносятся мимо с околосветовой скоростью!
Может быть, физики попросту не задумываются над этим, как не задумываемся мы над тем, что весь видимый мир проецируется на сетчатку нашего глаза в перевернутом виде? Привычка!
Но, когда стоимость ускорителей становится существенной для бюджета даже больших государств, стоит забыть о привычке. Стоит поискать новые способы ускорения заряженных частиц, стоит согласиться, что самый естественный среди них такой, при котором столкновение частиц не приводит к их дальнейшему совместному движению. Добиться этого можно, направляя две частицы навстречу друг другу. Если они сталкиваются с равными импульсами, центр инерции пары остается на месте, и вся энергия, обретенная частицами при ускорении, расходуется на реакции между ними.
Такова идея метода встречных пучков, успешно развиваемого в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР. Надо сказать, что идея эта не нова. Ее подсказывает теория относительности. Что же мешало ее практическому осуществлению?
Плотность пучка разогнанных частиц в обычном ускорителе почти в миллиард миллиардов раз меньше плотности твердого вещества, из которого приготовлена бомбардируемая мишень. И если заменить мишень другим пучком, вероятность столкновения частиц резко упадет.
Правда, эту вероятность можно повысить. Можно сделать пучки обильнее, повысить число частиц в пучке. Можно пополнять пучок, впрыскивать в него новые частицы по ходу ускорения. Можно сфокусировать, сжать пучок в тонкий шнур. Можно, наконец, заставить пучки проходить друг сквозь друга многократно.
Подобные уловки детально обсуждались, когда метод встречных пучков только зарождался. Сейчас эти дискуссии позади. Позади, и те трудности, которые одна за другой вставали на пути экспериментаторов, воплощавших новый метод «в железе»
Например, когда сводили пучки, более сильный уродовал, а затем уничтожал слабый. Объяснение этой неустойчивости дал молодой сотрудник Института ядерной физики Александр Скринский, ныне академик. Понимание явления позволило найти средства борьбы с ним.
Благодаря экспериментаторскому мастерству сибирских физиков новый метод стал реальностью, важным средством физики высоких энергий. Установки на встречных пучках сооружены или сооружаются во многих странах. Успешные эксперименты проведены советскими, и американскими, французскими и итальянскими учеными.
Метод доказал свою эффективность в работе с самой первой установкой на встречных пучках ВЭП - 1. Она строилась в те годы, когда коллектив исследователей, возглавляемый будущим академиком Г. И. Будкером, еще назывался Лабораторией новых методов ускорения Института атомной энергии имени Курчатова. Встречные пучки электронов ускорялись в этой установке на орбитах с радиусом 43 см до энергии 160 Мэв. Изучалось рассеяние электронов на электронах. Для проведения подобного эксперимента с неподвижной мишенью потребовался бы ускоритель, разгоняющий электроны до энергии 100 Гэв. Таких ускорителей нет до сих пор.
Сейчас не представляется возможным построить, и ускоритель позитронов на 2 000 Гэв, где с неподвижной мишенью можно было бы провести те эксперименты по взаимодействию электронов и позитронов, которые ведутся сибирскими физиками на установке ВЭПП - 2. На полутораметровой кольцевой дорожке этого ускорителя впервые в мире столкнулись встречные электронные, и позитронные пучки.
Об этих исследованиях будет рассказано в следующих главах. Заканчивая эту, хотелось бы сказать несколько слов о преимуществах традиционных ускорителей с неподвижной мишенью. Вторичные частицы, образовавшиеся при столкновении первичных на лету в системе, движущейся с околосветовой скоростью, от рождения обладают высокой энергией. Существует достаточно широкий круг исследований, в которых необходимы такие пучки.
Другое, уже отмечавшееся преимущество старого метода - исторически сложившиеся традиции, опыт работы, готовая аппаратура. Но, по-видимому, это преимущество не настолько велико, чтобы оправдан многократное соотношение между расходами на строительство дорогостоящих ускорителей старого типа, и новых установок на встречных пучках с весьма дешевой, если можно так выразиться, энергией взаимодействия частиц.
Не удивительно, что метод встречных пучков стал основой исследований по физике высоких энергий в Институте ядерной физики СО АН СССР. В момент своей организации он не был богат, не был отягощен ни старым оборудованием, ни традициями.
- Что это?
- Если угодно, «антисвет». Свечение антивещества. Совсем точно - синхротронное излучение позитронов. Излучение электронов такое же, но мы его не видим электроны летят навстречу позитронам, и излучают в противоположном направлении. Стремительные частицы светят в магнитном поле, как светит своим прожектором мчащийся паровоз. Правда, тот, развернувшись на крутом вираже рельсового пути, только на миг сверкнет в глаза наблюдателю. Излучение нескончаемой, густой, неровной вереницы позитронов, летящих со скоростью света по кольцевой орбите, высвечивает в темном окошечке неугасимое, живое, неутомимо пульсирующее изображение.
Встречная орбита электронов проходит вблизи от позитронной. В плане обе даже совпадают, в пространстве напоминают рамки складного стула, сложенного чуть-чуть не до конца. Или два близких меридиана на глобусе. Об одном из «шарниров», одном из «полюсов», одной из двух точек, где пересекаются орбиты, вы догадываетесь здесь происходят столкновения электронов, и позитронов - желанные столкновения, лежащие в основе метода встречных пучков. Другой пункт встречи расположен в диаметрально противоположном участке кольцевой дороги. Здесь, в небольшом пространстве специального резонатора, создается высокочастотное электромагнитное поле, мощность которого в несколько раз превышает мощность Останкинской телебашни. Проходя сквозь него, частицы восполняют энергию, потраченную на синхротронное излучение. Иначе магнитное поле сильнее закрутит ослабевший, замедлившийся поток, и пучок зацепит за внутреннюю стенку кольцевой полости, в которой кружатся встречные хороводы электронов, и позитронов. Когда требуется, потери энергии можно восполнять даже с определенным избытком, подобрав должную частоту волн, так, что магнитное поле приходится постепенно, и осторожно наращивать, чтобы ускоренный пучок не коснулся внешней стенки. Так можно поднять энергию пучка до 700 Мэв. Чего это стоит, знают те, кто часами, и днями напролет настраивал ускоритель на максимальную энергию, управляя капризными пучками враждебных друг другу частиц. «Наверное, - шутит академик Будкер, - нет на свете больших миротворцев, чем те, кто умеет смирить антивещество с веществом, кто заставляет их часами существовать в одном пространстве, и в любви, и согласии рожать новые частицы, столь необходимые для физиков»
И тот, и другой пучок то, и дело пополняется добавочными частицами. Их должно быть немало, ведь вероятность многих реакций, которые происходят при встрече пучков, очень низка. Накопленные частицы не должны гибнуть в столкновениях с атомами газа, недооткачанного из полости, и, чтобы этого не случилось, там поддерживается высокий, почти космический вакуум.
Вакуумная полость находится внутри того огромного железного кольца, которое вы видите на снимке, и внизу, на схеме. Кольцо именуется накопителем (1). Верхняя, и нижняя его половинки - полюса магнита, создающего то постоянное магнитное поле, которое закручивает траектории частиц (2) в кольцевые орбиты. Высокочастотное электромагнитное поле, от которого частицы восполняют свои энергетические потери на синхротронное излучение, подводится в резонатор (3) по трубе, протянутой над накопителем. Невидимый на снимке диаметрально противоположный участок кольца (4), где происходят столкновения частиц, и разнообразные реакции между ними, в дни эксперимента окружен наблюдательной аппаратурой - искровыми камерами, счетчиками.
Справа, и слева под железное кольцо подныривают нетолстые серебристые трубы. По ним в накопитель поступают электроны, и позитроны - первые в своем месте (5), вторые в своем (6). Суставчатые трубы исходят из одной точки, оставшейся вне поля зрения фотоаппарата, а начинается общий ствол этих двух ветвей, и вовсе в другом зале. И только схема, помещенная внизу, расскажет об инжекторе (7) с электронной пушкой внутри, где зарождается поток электронов, о небольшом синхротроне (8), где они проходят предварительное ускорение до 250 Мэв. Раз в секунду синхротрон «выплевывает» в отводную трубу стомиллиардную порцию электронов, в экспериментальном зале их дорога раздваивается, но поворотный магнит (9), побуждающий их сворачивать налево, включается редко в основном, не уклоняясь от своей главной обязанности, они прямой наводкой бьют по вольфрамовой мишени (10), высекая из нее снопы вторичных частиц. Из них для дальнейшего отбираются лишь позитроны. Система с параболическими «ха-ха» линзами (11, судя по схеме, им идет такое название) формирует позитронный пучок. Десять тысяч электронов нужно потратить, чтобы получить один позитрон. Вот почему так редко используется левый путь, по которому в накопитель раз в полчаса впрыскивается пучок электронов, сжатый квадрупольными линзами (12) до диаметра в несколько миллиметров. А в другом боку железного кольца навстречу ему в вакуумную полость втекает такой же пучок позитронов.
РУБЕЖ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
Первая установка со встречными электронными пучками была установкой одного эксперимента. Она была предназначена для проверки пределов применимости квантовой электродинамики на малых расстояниях путем изучения углового распределения упругого рассеяния электронов на электронах.
Проверка? Но, что побуждало к ней ученых?
Квантовая электродинамика - одна из наиболее отработанных, наиболее совершенных отраслей современной физики. Ее предсказания неизменно подтверждаются опытом, а данные новых экспериментов надежно объясняются ею.
И все-таки есть в квантовой электродинамике некоторая незавершенность. Так, например, электрон рассматривается в ней, как точка. Между тем мы привыкли к тому, что всякий реальный физический объект имеет протяженность в пространстве, а в пределах этой протяженности - некоторую структуру.
Реальный размер электрона, будь он найден, очевидно, и стал бы минимальным пределом длин, до которых применима квантовая электродинамика, подобно тому, как размеры протона, и нейтрона очерчивают границы той области пространства, внутри которой господствуют ядерные силы, сильные взаимодействия, законам квантовой электродинамики не подлежащие.
Но, как измерить электрон? Как выявить его структуру? Быть может, с помощью другого электрона, заставив их столкнуться друг с другом? При достаточно энергичном соударении структура частиц должна проявиться при их соударении, должна сказаться в их дальнейшем движении, которое тогда уж наверняка отступит от предписаний квантовой электродинамики. Итак, вот он, метод проверки старой, заслуженной теории - рассеяние электронов на электронах.
С этого, и начались эксперименты сибирских физиков. Потом перешли ко встречным электрон-позитронным пучкам, ко взаимодействиям между электронами, и позитронами, разогнанными навстречу друг другу до энергии 670 Мэв.
Мы уже говорили, что большую энергию ускорителя можно трактовать, как возможность изучать все более тонкую микроструктуру вещества. Однако те отклонения от квантовой электродинамики, которые физики надеялись обнаружить на малых длинах, могли бы объясняться не структурой элементарных частиц, а иной, более глубокой причиной - микроструктурой самого пространства. А вместе с ней микроструктурой времени, свойства которого связаны со свойствами пространства закономерностями квантовой механики. Уже давно физиков занимает вопрос быть может, в природе не существует реальных длин меньше некоторой минимальной? Эта элементарная длина могла бы лечь, и в основу корректной квантовой электродинамики, и в основу теории элементарных частиц. По законам квантовой механики элементарной длине можно было бы поставить в соответствие элементарный квант энергии, и элементарную порцию массы. И это объяснило бы наконец фундаментальное свойство материи дробиться, квантоваться в виде элементарных частиц.
В Новосибирске, и Стэнфорде, парижском пригороде Орсэ, и итальянском городке Фраскати, где к концу 60-х годов уже работали установки на встречных эпектрон-позитронных лучках, настойчиво сличали предсказания квантовой электродинамики с данными экспериментов, в которых сталкивались позитроны и электроны.
"Столкновения могли привести к нескольким различным процессам. Частицы могли претерпеть взаимное рассеяние. Могли аннигилировать, породив два гамма-кванта. Могли образовать два мю-мезона - положительный, и отрицательный, «мю-плюс» и «мю-минус»
Об этих частицах стоит сказать несколько слов. Отрицательный мю-мезон очень похож по своим свойствам на электрон, положительный - на позитрон. Одинаковы у них и заряды и другие характеристики. Все, кроме массы. Масса мю-мезона велика - примерно в двести раз больше массы электрона. Это различие, по-видимому, имеет, какое-то значение. Но, какое? Поведение мю-мезонов до сих пор полностью согласовывалось с нормами квантовой электродинамики. Если бы удалось обнаружить хотя бы некоторое отступление от этих норм, объяснение могло бы быть двояким либо квантовая электродинамика неверна, либо мю-мезоны являются носителями, каких-то новых сил, квантовой электродинамике не подвластных.
В настойчивых экспериментах применимость квантовой электродинамики была проверена до расстояний порядка 10-14 сантиметров, и временных промежутков порядка 10-25 сек> Говоря образно, до этих значений была «прощупана» структура пространства-времени. Никаких отклонений от квантовой электродинамики заметить не удалось.
Сами по себе эти результаты имеют очень важное значение. Старая, заслуженная теория подверглась новым для нее испытаниям - и вновь оправдалось традиционно высокое доверие к ней. А вместе с тем был отработан новый, и очень важный для физики высоких энергий экспериментальный метод - метод встречных пучков.
За годы работы было немало любопытных находок. Вот одна из них двойное тормозное излучение. Рассеиваясь друг на друге, два электрона (или пара электрон - позитрон) изменяют направление движения, иными словами, направление вектора скорости. Изменение скорости есть ускорение, а ускорение заряженной частицы всегда сопровождается излучением одного, а при большей энергии и двух квантов (и тогда излучение называют двойным тормозным). В традиционных ускорителях, когда одна из соударяющихся частиц покоилась, а после соударения обе устремлялись вперед, излучаемые кванты вылетали также вперед. В столкновениях частиц, налетающих друг на друга, кванты излучения могут разлетаться в разные стороны. Уже в первых экспериментах такое излучение было обнаружено, и теперь надежно служит для калибровки отлаживаемых установок на встречных пучках. •
Но это еще не все. Энергия двух испущенных квантов электромагнитного излучения может воплотиться в пару частиц - электрон и позитрон. Столкнулись две частицы, а разлетелись четыре. Такую возможность еще в 1934 году предвидел, и в общих чертах описал Л. Д. Ландау (этот процесс впоследствии был назван двойным электророждением). Вывод вошел в учебники. Но ведь не все предсказания теоретика загодя учитывает экспериментатор хотя процесс двойного электророждения проявил себя сразу же, как только встречные пучки были ускорены до соответствующих энергий, его не заметили, посчитали огрехом опыта, фоном - словом, прозевали. Впервые к назойливому фону внимательно пригляделся сибирский физик Алексей Хабахпашев. Устойчивый фон не поддавался никакому объяснению! Лишь после долгих обсуждений молодой исследователь Владимир Балакин вспомнил о старой работе Ландау. Последовали новые, более кропотливые разборы данных эксперимента, теоретики принялись за расчеты. Результаты исследований двойного электророждения сибирские физики опубликовали в 1971 году.
ВЕКТОРНЫЕ МЕЗОНЫ
Очень быстро стало ясно, что встречные пучки могут использоваться для постановки экспериментов более широкого класса.
Пока сооружалась установка ВЭПП-2, были обнаружены ро-омега и фи-мезоны, которые представляют острые резонансы в процессе рождения ни, и ка-мезонов при электрон-позитронной аннигиляции. Естественно, первые эксперименты были проведены в районе этих резонансов, как наиболее легко осуществимые и наиболее интересные в тот момент.
Образность, так часто не признаваемая за языком науки, весьма свойственна речи физиков, когда они говорят об элементарных частицах. И если в их разговоре вы услышите о тяжелом гамма-кванте, о связующем звене между ядерными, и электромагнитными силами, о первом посланнике светлого царства квантовой электродинамики в темную страну сильных взаимодействий, - знайте, речь идет о ро-мезоне.
С гамма-квантом его сравнивают за совершенно одинаковые квантовые характеристики (спин, заряд). Но у гамма-кванта нет массы, или, как принято говорить, его масса покоя равна нулю. А ро-мезон обладает вполне определенной, ненулевой массой. Вот почему его называют тяжелым гамма-квантом.
Другие эпитеты даны по более важным причинам. Поведение гамма-кванта описывается квантовой теорией электромагнитных взаимодействий. Он, говоря строго, и является их носителем ведь всякий электромагнитный сигнал, бегущий волною по электромагнитному полю, можно рассматривать, как поток квантов электромагнитного излучения.
Ро-мезон в рамки квантовой электродинамики не укладывается, поскольку обладает сильным взаимодействием подобно всем своим родственникам по семье так называемых векторных мезонов, куда наряду с ним входят омега, и фи-мезоны.
Исследуя свойства ро-мезона, похожего на хорошо изученный гамма-квант, физики надеются понять особенности пока еще очень слабо познанного сильного взаимодействия, механизма ядерных сил.
Вот еще одна возможность проникнуть в темный лес ядерных взаимодействий с просторов хорошо обжитых электромагнитных полей. Когда взаимодействуют электрон, и позитрон, разогнанные до энергии около 150 Мэв каждый, при их аннигиляции может родиться пара пи-мезонов - положительный, и отрицательный. Если же энергия каждой частицы превысит порог в 500 Мэв, станет возможным появление на свет пары ка-мезонов, также различных по заряду.
И те, и другие мезоны участвуют в сильных взаимодействиях. А рождаются они от частиц, обладающих лишь электромагнитным взаимодействием. Малейшее отклонение от его законов в таком процессе - это, и есть наглядное, ничем не замутненное проявление ядерных сил. И это, несомненно, также поможет навести мосты между теориями различных по природе взаимодействий.
К слову о порогах рождения тех, и других частиц. Возьмем из них для примера пи-мезоны. Вероятность их появления на свет спадает по пологой кривой по мере того, как растущая энергия аннигилирующей электрон-позитронной пары удаляется от порогового значения. И вдруг график вероятности резко взмывает вверх и, достигнув максимума при значениях, в сорок раз выше прежних, резко снижается, и продолжает свой ход все по той же пологой кривой.
Чем объяснить этот неожиданный всплеск?
Когда суммарная энергия электрона, и позитрона приближается к значению 770 Мэв, сталкивающиеся частицы с большой вероятностью могут образовать при своем слиянии уже знакомый нам ро-мезон. Тот живет очень недолго за время своего существования он успевает пройти расстояние меньше размеров атомного ядра -, и затем распадается на пару пи-мезонов. Близ характерной отметки на шкале энергий часты слияния электронов, и позитронов в ро-мезон - обилен выход пи-мезонов. Над узким участком энергетической шкалы шириною всего около 100 Мэв кривая вероятности вздымается подобно кривой резонанса, знакомой механикам, и радиотехникам. Вот почему короткоживущие частицы, которым свойственна такая закономерность, называют резонансами. Так называют, и векторные мезоны.
Параметры векторных мезонов, найденные советскими, и французскими физиками в Новосибирске, и в Орсэ, - это, пожалуй, самое важное из завоеванного методом встречных пучков. Отметим, что энергию, необходимую для рождения векторных мезонов в электрон-позитронных столкновениях, можно получить только с помощью встречных пучков.
Векторные мезоны исследуются, и на традиционных ускорителях с неподвижной мишенью. Но в происходящих там процессах участвуют, и иные частицы, обладающие ядерными силами и, следовательно, относящиеся к той же области физики, которая разработана не так совершенно, как квантовая электродинамика. Недостаточная ясность теории затуманивает толкование эксперимента, в задачу исследования векторных мезонов проникают посторонние, лишние неизвестные.
От таких упреков свободен метод встречных электрон-позитронных пучков. И недаром самые точные данные по векторным мезонам, вошедшие в современную мировую справочную литературу, основаны на исследованиях по методу встречных пучков.
БУДУЩИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Если для легких частиц метод встречных пучков позволяет на совсем маленькие установках ставить эксперименты, недоступные при обычном использовании ускорителей для тяжелых частиц, минимальная интересная установка оказывается вполне серьезной.
Использовав предложенный в 1962 году автором доклада метод электронного охлаждения, мы приступили в 1966 году к разработке проекта протон-антипротонных экспериментов на встречных пучках.
Если тело движется по окружности, значит, на него действует центростремительное ускорение. Это знает всякий, кто знаком с механикой.
Если заряженная частица движется с ускорением, значит, она должна испускать электромагнитное излучение. Это знает всякий, кто знаком с электродинамикой. Знают об этом, и читатели, прочитавшие предыдущие главы.
Двигаясь по своим круговым орбитам в поле поворотных магнитов, встречные пучки электронов, и позитронов непрерывно излучают свет, так называемое синхротронное излучение. При создании установок со встречными пучками это излучение имело решающее значение. Оно гасит колебания частиц в пучке, сжимает пучок в тонкий шнур, и позволяет накапливать в нем частицы. Итак, синхротронное излучение - одна из гарантий успешного воплощения идеи встречных пучков.
На пучки протонов, и антипротонов такая гарантия, к сожалению, не распространяется. Дело в том, что интенсивность синхротронного излучения при заданной энергии обратно пропорциональна четвертой степени массы излучающей частицы, так, что тяжелые частицы практически не светят, закручиваясь в магнитном поле. Для того, чтобы сжимать пучки тяжелых частиц, подавлять хаотические движения частиц в пучке, и пришлось изобрести особый прием - метод электронного охлаждения.
Пустим вдоль пучка антипротонов пучок электронов с той же самой средней скоростью. С точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с пучком, скопление разнородных отрицательно заряженных частиц - антипротонов, и электронов - представится смесью двух газов - антипротонного, и электронного. Кинетическая энергия неупорядоченного движения частиц - это температура газов. Масса у антипротона много больше, чем у электрона, а значит, температура у антипротонного газа много выше, чем у электронного. Взаимодействуя с более холодным газом, он станет охлаждаться. А это, и означает, что хаотические колебания антипротонов в пучке станут затухать.
Встречные протон-антипротонные пучки, разогнанные до энергий в десятки Гэв, - один из проектов новосибирских физиков. Разрабатывается проект встречных мю-мезонных пучков. В заключение - еще о двух экзотических проектах. Об одном из них рассказывает рисунок на этой странице. Другой связан с синхротронным излучением. Ожидается, что на будущих электрон-позитронных установках его мощность будет настолько велика, что станет возможным сталкивать световые пучки, изучать рассеяние фотонов на фотонах. Исследовать микроструктуру света - давняя мечта физиков.
Новые установки вступают в строй, намечаются новые планы.
