Создается довольно странная, с точки зрения привычной физики, ситуация — свойства самой простой реакции сильно зависят от свойств гораздо более сложных реакций, где могут участвовать многие объекты. Очевидно, все дело в необычности воображаемых шаров, столкновение которых мы обсуждаем. Эти шары охотно разваливаются при соударении и наверняка представляют собой сложные объекты. В момент, когда они сталкиваются и снова разлетаются, то есть взаимодействуют только упруго, они все равно чувствуют сложную структуру друг друга. И в конце концов не столь уж и удивительно, что силы, которые проявляются в таком упругом соударении, сильно зависят от внутреннего устройства этих шаров, от того, каким образом они могут разваливаться на отдельные части…
Вся притча о шарах служит нам, конечно, лишь целям наглядности. Обычные бильярдные шары ведут себя обычным образом, так, как и положено механическим объектам. А описанные здесь воображаемые опыты просто воспроизводят свойства сильновзаимодействующих частиц — адронов.
Сильные взаимодействия, в сущности, потому и называют сильными, что участвующие в них частицы способны интенсивно рождаться. И чем выше энергия сталкивающихся адронов, тем больше в среднем рождается новых адронов. Например, при самых высоких энергиях столкновения протонов, достигнутых в ЦЕРНе (2000 ГэВ), рождается в среднем более десяти только заряженных частиц.
Адроны способны упруго рассеиваться друг на друге. Например, протоны примерно в 20 процентах всех событий при высоких энергиях испытывают именно упругое соударение. Но остальные 80 процентов относятся совсем к иному типу процессов — процессам «множественного рождения». Это и означает, что вероятность образования некоторого числа новых адронов очень велика, и поэтому физики часто говорят, что «множественное рождение» представляет собой главное явление, основной тип реакций с участием адронов.
В 1963 году советские теоретики А. Логунов и А. Тавхелидзе показали, что упругое рассеяние адронов можно описать уравнением, которое представляет собой прямое обобщение уравнения Шредингера на случай движения очень быстрых частиц. Оказалось, что потенциальная энергия взаимодействия адронов действительно определяется в основном множественными процессами.
Большая интенсивность «множественного рождения» служит практически сильнейшим доказательством сложного внутреннего строения адронов.
В свое время Ч. Янг предложил такую наглядную картину. Упругие реакции между адронами возможны главным образом в том случае, когда сталкивающиеся адроны испытывают сравнительно слабый взаимный удар, то есть передают друг другу малый импульс и незначительно меняют направление движения, говорил он. События, в которых происходит передача большого импульса, крайне редки, и дело здесь в том, что адронам просто трудно передать друг другу большой импульс, сохранив свою целостность. Скорее всего они должны просто разваливаться на отдельные части — фрагменты, которые представляют собой не что иное, как обычные адроны. Адрон, не развалившийся при сильном ударе, — редкое явление!
Действительно, например, каждый из сталкивающихся протонов как бы насыщен мезонами, резонансами, парами барион — антибарион, которые охотно 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?