МНОЖЕСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

МНОЖЕСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, рождение большого числа вторичных сильно взаимодействующих частиц (адро-нов) в одном акте столкновения частиц при высокой энергии. М. п. характерны для столкновения адронов, однако в редких случаях они наблюдаются и при столкновениях др. частиц, если их энергия достаточна для рождения неск. адронов (напр., при электронных столкновениях на ускорителях со встречными пучками). При столкновениях адронов с энергией выше неск. Гэв М. п. доминируют над процессами одиночного рождения мезонов и упругого рассеяния частиц. Впервые М. п. наблюдались в космических лучах, однако тщательное их изучение стало возможным после создания ускорителей заряженных частиц высоких энергий. В результате исследований взаимодействия частиц космич. лучей с энергией до 10"- 10⁷ Гэв в лабораторной системе координат, а также частиц от ускорителей с энергией до ~ 10³Гэв (встречные пучки) выявлены нек-рые эмпирич. закономерности М. п.

С наибольшей вероятностью в М. п. рождаются самые лёгкие адроны - пи-мезоны, составляющие 70-80% вторичных частиц. Значит, долю составляют также К-мезоны и гипероны (~ 10-20%) и нуклон-антинуклонные пары (порядка неск. процентов). Многие из этих частиц возникают от распада рождающихся резонансов.

Вероятность столкновения, сопровождаемого М. п. (эффективное сечение М. п.), при высоких энергиях почти не зависит от энергии сталкивающихся частиц (меняется не более чем на неск. десятков процентов при изменении энергии столкновения в 10⁴ раз). Приблизит, постоянство сечения М. п. привело к модели "чёрных шариков" для описания процессов столкновения адронов. Согласно этой модели, при каждом сближении адронов высокой энергии на расстояния, меньшие радиуса действия ядерных сил, происходит неупругий процесс множеств, рождения частиц; упругое рассеяние при этом носит в основном дифракционный характер (дифракция волн де Бройля частиц на "чёрном шарике"). Эта модель сыграла важную роль в развитии теории сильных взаимодействий (в частности, в установлении теоремы Померанчука о равенстве эффективных сечений взаимодействия частиц и античастиц при предельно высоких энергиях). С др. стороны, согласно квантовой теории поля, возможен медленный рост сечения М. п. с увеличением энергии Е, не быстрее, чем 1n² Е (теорема Фруассара).

Рис. 1. Фотография множественного рождения заряженных частиц, полученная в жидководородной пузырьковой камере "Мирабель", помещённой в пучок л-мезо-нов с энергией 50 Гэв на Серпуховском ускорителе.

Число частиц, рождающихся в различных актах столкновения адронов определённой энергии, сильно варьирует и в отдельных случаях оказывается очень большим (рис. 1). Ср. число вторичных частиц (п) (ср. множественность) медленно растёт с ростом энергии столкновения Е и практически не зависит от типа сталкивающихся адронов (рис. 2). При существующей точности измерений зависимость (п) от энергии одинаково хорошо описывается как логарифмической, так и степенной (типа Еv; v < 1) функцией от энергии, что затрудняет выбор между различными теоретич. моделями М. п., предсказывающими разные типы этой зависимости. Ср. множественность много меньш. максимально возможного числа вторичных частиц, к-рое определяется условием, что вся энергия столкновения в системе центра инерции (с. ц. и.) сталкивающихся частиц переходит в масс. покоя вторичных частиц. Так, при столкновении протонов с энергией 70 Гэв (от Серпуховского ускорителя) с протонами мишени могло бы рождаться до 70 я-мезонов, в действительности же ср. множественность заряженных частиц при этой энергии составляет 5-6 частиц. Это означает, что на создание массы покоя вторичных частиц идёт только небольшая часть энергии столкновения, т. е энергия тратится гл. обр. на сообщение осн. части генерированных частиц большой кинетич. энергии (большого импульса). В то же время характерной эмпирич. закономерностью М. п. является то, что поперечные (к оси соударения) компоненты p импульсов вторичных частиц как правило, малы. Ср. значение р составляет приблизительно 0,3-0,4 Гэв.

и почти постоянно в очень широкой области энергий. Поэтому вторичные частицы вылетают резко направленными и сужающимися по мере роста энергии потоками вдоль направления движения сталкивающихся частиц (в с. ц. и.- вперёд и назад, в лабораторной системе - по направлению движения налетающей частицы ).

Изучение М. п. очень существенно для выяснения структуры адронов и построения теории сильных взаимодействий. В этом отношении особое значение имеют закономерности, установленные при изучении спец. класса М. п.- т. н. инклюзивных процессов, когда из большого числа М. п., происходящих при столкновениях адронов "а" и "b", отбираются события с рождением определённой частицы "с" независимо от того, какие др. частицы (X) и в каком количестве сопровождают рождение частицы "с". На важность изучения инклюзивных процессов указал в 1967 А. А. Логунов, установивший на основе квантовой теории поля предельные законы возрастания их сечения с ростом энергии (аналогичные

теореме Фруассара). При экспериментальном исследовании инклюзивных процессов на Серпуховском ускорителе (1968) и сравнении полученных данных с результатами опытов при более низких энергиях был обнаружен своеобразный закон подобия в микромире - т. н. масштабная инвариантность, или скейлинг (scaling). Масштабная инвариантность состоит в том, что вероятность рождения "инклюзивной" частицы "с" с определённым значением продольного импульса PL (проекции импульса на направление движения сталкивающихся частиц) является при разных энергиях столкновения универсальной функцией от переменной х = PL/РМАКС, где рмакс - максимально возможное (при данной энергии) значение продольного импульса частицы "с" (рис. 3). Т. о., продольные импульсы вторичных частиц растут пропорционально энергии столкновения. Указания на существование такого рода зависимости получались ранее при изучении космич. лучей. Она вытекала из того факта, что энерге-тич. спектр вторичной компоненты космич. лучей почти точно повторяет форму энергетич. спектра первичной компоненты (Г. Т. Зацепин и др.). Масштабная инвариантность имеет глубокий физич. смысл. Объяснение её на основе модельных представлений о составном строении адронов было предложено в 1969 Р. фейн-маном. (В 1963 на возможность такой закономерности указывал амер. физик К. У ил сон.)

Экспериментальные данные показывают, что масштабная инвариантность наблюдается при столкновениях не только элементарных частиц, но и атомных ядер при релятивистских энергиях.

Из-за отсутствия полной и последоват. теории сильных взаимодействий для объяснения эмпирич. закономерностей, обнаруженных в М. п., используются различные теоретич. модели. В стати-стико-гидродинамич. моделях [развитых в работах В. Гейзенберга, Э. Ферми, Л. Д. Ландау (1949-53) и др.] предполагается, что для сильно взаимодействующих частиц в течение короткого времени столкновения успевает установиться статистическое равновесие между образовавшимися в результате соударения частицами. Это позволяет рассчитать мн. характеристики М. п., в частности ср. множественность, к-рая должна расти с энергией по степенному закону Е" с показателем степени v < 1 (в теории Ферми - Ландау v = 1/4. В др. классе моделей (итал. физики Д. Амати, С. Фубини, А. Стан-геллини и др., сов. физики Е. Л. Фейн-берг, Д. С. Чернавский и др.) считается, что рождение вторичных частиц происходит в -"периферических" или "мультипериферических" взаимодействиях адронов, возникающих в результате обмена между ними виртуальным я-мезоном или др. частицей. С конца 60-х гг. для теоретич. анализа М. п. широко используется представление о том, что сильное взаимодействие при высоких энергиях осуществляется путём обмена особым состоянием - "реджео-ном", являющимся как бы струёй частиц с монотонно меняющимся от частицы к частице импульсом (см. Сильные взаимодействия). Эти представления (развитые, в частности, сов. физиками В. Н. Грибовым, К. А. Тер-Мартирося-ном и др.) позволяют количественно объяснить мн. закономерности М. п. Согласно "мультипериферическим" моделям и модели "реджеонов", ср. множественность должна расти пропорционально логарифму энергии столкновения.

Лит.: Мурзин В. С., Сарыче-в а Л. И., Множественные процессы при больших энергиях, М., 1974 (в печати); Б е-ленький С. 3., Ландау Л. Д., Гидродинамическая теория множественного образования частиц, "Успехи физических наук", 1955, т. 56, в. 3, с. 309; Ф е и н б е р г Е. Л., Множественная генерация адронов и статистическая теория, там же, 1971, т. 104, в. 4, с. 539; Feynman R., Very high-energy collisions of hadrons, "Physical Review Letters", 1969, v. 23, p. 1415; Е ж е л а В. В. [и др.], Инклюзивные процессы при высоких энергиях, "Теоретическая и математическая физика", 1973, т. 15, № 2; Т е р - М а р т и-росян К. А., Процессы образования частиц при высокой энергии, в кн.: Материалы 6-й зимней школы по теории ядра и физике высоких энергий, ч. 2, Л., 1971, с. 334; Розенталь И. Л., Множественные процессы при больших энергиях, "Природа", 1973, № 12.

С.С.Герштейн.