Горизонты научного поиска

Третье международное совещание по физике сверхвысоких множественностей проходило в Дубне с 3 по 5 июня. С каждым годом растет интерес научного сообщества к этой проблеме, возникают новые идеи, идет поиск решений.

В неупругих адронных взаимодействиях при высокой энергии рождается большое количество частиц. Это явление было открыто еще в тридцатые годы 20-го века в космических лучах. Оно указывает на сложную структуру адронов и достаточно сложный механизм их взаимодействия. Теоретически до сих пор не удается описать даже основные характеристики процесса множественного рождения (МР), например, распределение событий по числу вторичных частиц (множественность) или распределение частиц по массе и др. По мере уточнения наших знаний о структуре частиц рисуется все более детальная картина МР.

Общепринятая сейчас кварковая модель трактует барион как систему, состоящую из трех кварков, а мезон строится из кварка и антикварка. Эти конституенты или партоны называются валентными. Они составляют как бы скелет частицы, например, задают ее основные квантовые числа. Кварки несут заряд сильного взаимодействия, который называется цветом. Кварки связаны в адроне цветным глюонным полем. Но одного скелета оказывается недостаточно для понимания свойств частиц. Вводится понятие моря виртуальных кварков и глюонов, которые непрерывно возникают и исчезают вокруг валентных кварков, составляя, образно выражаясь, плоть и кровь частиц. При взаимодействии адронов большой энергии их конституенты рассеиваются и удаляются друг от друга, пытаясь покинуть область взаимодействия. В процессе их перерассеяния образуются новые кварки и глюоны - возникает каскад партонов. Между кварками натягиваются струны цветного глюонного поля. При большом растяжении струны рвутся. В точках разрыва образуются кварк-антикварковые пары, которые на конечном этапе партонного каскада (когда энергия относительного движения партонов исчерпана) объединяются в адроны (барионы и мезоны).

Таким образом, в области взаимодействия материя может находиться в двух фазах: в виде газа адронов и в виде газа кварков и глюонов. Последняя фаза называется кварк-глюонной плазмой (КГП). Это пока еще гипотетическое пятое состояние вещества. Предполагается, что оно может образоваться в реакции МР при плотности вещества, в 5-10 раз превышающей плотность ядерной материи в невозбужденном состоянии. Поиску КГП посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ. Актуальность вопроса еще подчеркивается тем, что на ранней стадии эволюции Вселенная могла проходить фазу КГП. Если плазма будет открыта и исследована в лаборатории, то это знание станет важным элементом космологии.

Процесс МР характеризуется большим количеством параметров и свойств. Имеется обширный экспериментальный материал о распределении событий взаимодействия адронов по множественности вторичных частиц, по углу и энергии. Эти данные позволяют проверять и развивать теоретические модели, описывающие партонный каскад и превращение партонов в адроны (адронизацию). Установлено, что при взаимодействии тяжелых ядер (свинец, золото) при энергии в системе центра масс 20-130 ГэВ часть вторичных частиц термализуется, то есть ведет себя как газ в равновесном состоянии. Этот процесс достаточно хорошо описывается законами статистической термодинамики. Но на это состояние накладывается коллективное движение материи - система расширяется в продольном и поперечном направлениях (за продольное принимается линия движения первичных частиц), что значительно усложняет картину МР и ставит перед теорией новые проблемы. Вопросам статистической термодинамики на конференции были посвящены доклады А.Н.Сисакяна и И.Д.Манджавидзе. Они указали на необходимость получения экспериментальных данных при очень большой множественности, значительно превышающей среднее значение. Для протонных взаимодействий на коллайдерах речь идет о множественности более 300-500, для ядерных взаимодействий - более 1000. Обсуждались новые подходы к вычислению распределения по множественности в этой области, где известные модели сильно расходятся с экспериментом.

Эту же проблему рассматривал Л.Енковский (Киев), но с другой точки зрения. Он анализировал зависимость характеристик МР от энергии сталкивающихся частиц. В области энергии 10-20 ТэВ в системе центра масс (будущий коллайдер LHC) партонный каскад становится очень плотным, партоны экранируют друг друга, и протон становится подобным черному (непрозрачному) диску. Удивительно, но теория (модель U-матрицы) допускает ситуацию, когда протон становится "чернее черного"! На языке оптики это означает нарушение принципа Бабине, согласно которому полное сечение упругого рассеяния не может превышать неупругое сечение. Докладчик назвал это явление антиэкранированием партонов. Оно приводит к модификации распределения по множественности. Экспериментаторам предлагается повысить точность, расширить область измерений и искать в распределении по множественности нерегулярности типа изломов.

Другие важные параметры - это пространственные и временные размеры области, в которой развивается процесс МР. Классический (развитый в Дубне М.И.Подгорецким и Г.И.Копыловым) метод измерения этих величин состоит в наблюдении интерференции тождественных частиц с малым относительным импульсом. В докладе Г.А.Козлова дан обзор теоретических основ этого метода. Новость состоит в том, что автор рекомендовал для анализа экспериментов формулы, которые наиболее последовательно (на сегодняшний день) учитывают многочастичные корреляции и сложное движение материи в области взаимодействия. Предсказывается также корреляция нетождественных частиц.

И.М.Дремин (Москва) сделал обзор сравнительно нового математического направления анализа сложных образов - исследование с помощью вейвлетов. В переводе с английского термин "вейвлет" означает "маленькая волна". Этот подход аналогичен широко известному Фурье-анализу, но полный набор базисных функций разложения имеет локальный характер в пространстве двух (или более) параметров. Вейвлет-анализ позволяет обнаружить многочастичные корреляции, то есть группы частиц, образующие в некотором пространстве устойчивые образы. В процессах МР найдены кольцевые события в пространстве быстроты и азимутального угла. Одна из интерпретаций этого класса событий состоит в утверждении, что партоны, двигаясь в плотном ядерном веществе, излучают черенковские глюоны. Это новое явление требует более детального экспериментального и теоретического исследования.

Замечательно, что оргкомитет нашел разумный баланс теоретических и экспериментальных докладов. В числе последних можно отметить сообщение Ф.Римонди (Италия) об исследовании МР на Теватроне ФНАЛ. В результате взаимного заинтересованного обсуждения и теоретики и экспериментаторы получили материал и идеи для дальнейшего движения.

В моем выступлении был предложен проект эксперимента на ускорителе У-70 (Протвино). При взаимодействии протонов с энергией 70 ГэВ, согласно закону сохранения энергии, может образоваться максимально 69 пионов. В настоящее время при энергии 70 ГэВ наблюдались редкие события МР с максимальным числом заряженных частиц 16. Мы планируем создать установку, которая позволит регистрировать события с множественностью до 50-60 вторичных частиц. Это очень редкие и экзотические явления. Ожидается, что одно такое событие случается на 109 событий столкновений первичных протонов в водородной мишени. Ясно, что аппаратура должна иметь уникальную способность отбирать редкие события и позволять разделять большое количество частиц. При множественности около 50-60 (это близко к кинематическому пределу 69) большая часть первичной энергии материализуется. В системе остается мало свободной энергии, и все частицы имеют малый относительный импульс. Иными словами, образуется капля холодной адронной материи или КГП. Согласно статистике, пионы должны образовать три конденсата соответственно их электрическим зарядам - положительному, отрицательному и нейтральному. В такой плотной системе большую роль будут играть многочастичные корреляции. Есть основания ожидать образование большого количества прямых (не от распада известных частиц) фотонов. Одна из причин - аннигиляция пионов в плотном и холодном газе. Другая - возможное образование многопионного связанного состояния. В процессе его формирования (падения пионов в коллективную потенциальную яму) энергия должна отводиться мягкими фотонами. Их регистрация и даст сигнал об этом гипотетическом процессе. (Соображения о многопионном связанном состоянии родились в дискуссии с В.Б.Беляевым.)

В заключение следует сказать, что участники симпозиума разъехались обогащенные новыми идеями, дружественными связями и ожиданием открытий.

Профессор В. НИКИТИН

В этот раз в работе ежегодного третьего международного совещания приняли участие многие известные исследователи и среди них - видный итальянский ученый, профессор Университета г. Болонья Франко Римонди. Профессор Римонди длительное время плодотворно работает в эксперименте СДФ на Теватроне (Фермилаб) - крупнейшем из ныне действующих адронных коллайдеров. Результаты своих последних исследований он представил в докладе на тему: "Мягкие и жесткие взаимодействия в протон-антипротонных столкновениях при =1800 и 630 ГэВ". В своем интервью еженедельнику "Дубна" итальянский ученый сказал:

Я очень благодарен организаторам конференции за приглашение. С учеными ОИЯИ меня связывает взаимный интерес в изучении множественных процессов, поэтому тематика конференции мне очень близка. Как известно, результаты новых теоретических идей и исследований профессоров А.Н.Сисакяна и И.Д.Манджавидзе по физике сверхвысоких множественностей привлекли внимание широких слоев научной общественности во многих ведущих исследовательских центрах мира. Меня особенно заинтересовали новые теоретические и методические результаты, полученные дубненскими учеными под руководством профессора А.Н.Сисакяна для эксперимента АТЛАС (ЦЕРН).

На мой взгляд, после успешного вхождения группы специалистов ОИЯИ в коллаборацию СДФ, под руководством профессора Ю.А.Будагова и при участии профессора Г.Беллетини, перед нашим сотрудничеством открылись богатые перспективы в этой уникальной новой области теории и экспериментальных исследований. Уверен, что сотрудничество ученых ОИЯИ и моей группы будет плодотворным, и рассчитываю, что совместные научные исследования приобретут новый импульс в результате визита в университет г. Болонья докторов физико-математических наук И.Д.Манджавидзе и Ю.А.Кульчицкого, которые проведут анализ имеющейся у нас экспериментальной информации с установки СДФ в рамках новых теоретических представлений А.Н.Сисакяна и И.Д.Манджавидзе.

Материал подготовила Н.С.КАВАЛЕРОВА