книги из ГПНТБ / Мурзин В.С. Множественные процессы при высоких энергиях

Достижения последних лет подтверждают предположения о зна­ чительной роли генерации нуклон-антинуклонных пар при высоких энергиях. Анализ ядерной компоненты широких атмосферных лив­ ней указывает, что сечение генерации нуклон-антинуклонных пар быстро растет с энергией в интервале от 10 до 103—ІО4 Гэв, причем доля этих частиц достигает 15% при указанных максимальных энер­ гиях, после чего остается приблизительно неизменной [104—107]. Результаты, полученные на встречных пучках в ЦЕРНе, показы­

вают (рис. 5.18), что при энергии ІО3 Гэв при X « 0,1 отношение

3,5% полного числа частиц. Представляет интерес также отношение числа частиц и анти­

частиц при X = 0. При энергиях ІО3 Гэв получены следующие соотношения:

пя+Іпп- \х=0 = 1,00 ± 0,05;

К + / К - 1 , = 0 « U ;

РІР |*=о = 1,8 + 0,2 (0,6< Р х < 1,0).

Ранее мы видели, что сечение образования /(“-мезонов при 24 Гэв (х = 0) существенно меньше сечения образования /(+-мезо- нов. Сближение сечений сопровождается их ростом. Сечения ге­ нерации пионов при х = 0 мало меняются в области энергий ~103 Гэв и их отношение близко к единице. Значительное различие сечений генерации протонов и антипротонов при ІО3 Гэв может означать, что доля антипротонов будет продолжать расти при Е0 >

168

ния /С* = К0* и В±/В°, мы получаем принципиальную возможность определить отношения числа каонов и барионов к числу пионов в области энергий выше ІО3 Гэв. Такой метод может быть исполь­ зован при высоких энергиях и в пузырьковых камерах на ускори­ телях, где идентификация частиц встречает трудности. К сожа­ лению, точность данных, полученных до настоящего времени в кос­ мических лучах, недостаточна для одновременного применения урав­ нений (5.37) и (5.39).

Малхотра и Рагаван [109], опираясь на уравнение (5.39), оце­ нили суммарный вклад каонов и барионов. Сечения взаимодействия различных частиц с ядрами эмульсии, входящие в формулу (5.39), были получены на базе модели Глаубера (см. п. 5.4.5), причем были использованы параметры, апробированные Абул-Магдом на серпу­ ховских данных, а также данные об элементарных сечениях при максимальных изученных энергиях:

°полн іпР) = 24.3 мбарн; схполн (Кр) = 20,5 мбарн;

Стполн ІРР) = 39>° мбарн; СТП0ЛН (рр) = 44 мбарн.

Расчет дает для сечений, усредненных по всем ядрам эмульсии, следующие соотношения Іоіп (К), оіп (л) и т. д. — сечения неупру­ гого взаимодействия каонов, пионов и других частиц с ядрами эмульсии]:

SK = аіп (К)/оіп (л) = 0,930; S B = оіп (В)/аіп (л) = 1,20;

S b = От (В)/аіп (л) = 1,26.

Взятое различие сечения взаимодействия барионов и антибарионов оправдано тем, что вторичные частицы имеют энергию, много меньшую первичной, и поэтому при Е0 ж ІО3 Гэв попадают в диа­ пазон энергий Е0 С ІО2 Гэв, т. е. в область энергий Серпуховского ускорителя.

С учетом этих результатов и экспериментального значения Q0 = 0,28 + 0,04, относящегося к энергиям 103—104 Гэв (среднее Зч-5 Тэв), авторы получили

А±/я ± = (0,42 ± 0,08)— 1,32В±п±.

Если вклад барионов мал, что получаем верхнюю оценку доли каонов

(0,42 ± 0,08) пп±.

Аналогично

пв± (0,32 ± 0,06) пя±.

* Очевидно, что это соотношение справедливо при условии, если гиперо­ ны образуются редко.

169

Согласно данным [108], полученным на встречных пучках в ЦЕРНе при ІО3 Гэв, в области пионизации 7—8% всех частиц составляют барионы и антибарионы, т. е.

пв±Іпп± ~ 0,1-

Тогда вклад каонов будет <10,3. Это опять верхняя оценка, посколь­ ку доля барион-антибарионных пар может расти в области энергий

500—1000 Гэв.

Тонвар и др. [ПО] из анализа широких атмосферных ливней оценивают долю барионов в (15±г)%- Тогда

/С* = (0,20 ±0,09) я* •

Л. В. Волкова и Г. Т. Зацепин [111] из сопоставления спектров мюонов, измеренных под различными углами, нашли, что отноше­ ние /(і /Ѵсі 0,2 вплоть до первичной энергии 1000 Гэв.

Прямая идентификация частиц в фотоэмульсионных работах [112] приводит к оценке (см. [П.1])

К* = (0,34 ± 0 ,10)я*.

МетодЛфавнения числа заряженных частиц с числом фотонов дает нижний предел доли каонов и барионов, поскольку фотоны мо­ гут возникать не только от распада я°-мезонов, но и от распада синглетов типа г]0-мезона и других резонансов. По данным, соб­ ранным Фуджимото [113], R = (0,40 ± 0,03). Тогда /С± + В ± ^

>(0,25 ± 0,09) я±.

Это не противоречит другим оценкам. Наконец, из сравнения

спектра мюонов, возникающих от распада каонов и пионов, со спектром фотонов в атмосфере также были получены оценки доли каонов [114], которые, однако, страдают большими погрешностями

^^ « 0 , 2 0

вобласти энергий 2 • ІО4 — 6 • ІО5 Гэв.

5.5.4. Заключение

Можно считать установленным, что доля каонов и антипрото­ нов, а следовательно, и сечение их образования быстро растут с энергией в интервале энергий от порога рождения до 2 • ІО3 Гэв.

170

Такое поведение сечения образования странных частиц и антипро­ тонов может создать определенные трудности для различного рода статистических и гидродинамических теорий, в которых темпера­

к ядерному распаду и распадающиеся под воздействием слабых или электромагнитных сил. Времена жизни частиц на много по­ рядков превышают характерное ядерное время 10-23—10~24 сек. Резонансы распадаются из-за ядерного взаимодействия. Их времена ненамного больше ядерного времени. Проявляются резонансы либо в виде максимумов в сечении взаимодействия при определен­ ных энергиях, либо как пики в распределениях эффективных масс в многочастичных реакциях. Обычно эти пики проявляются на фоне значительного количества каналов реакции, не приводящих к дан­ ному резонансу. Выделение резонанса сводится к фитированию распределения с помощью брейт-вигнеровских и фазовой кривых. Это дает возможность определить сечение резонанса в данном канале реакции. Задача осложняется необходимостью учитывать «отражения» резонансов в других каналах, которые искажают фазо­ вое распределение. С ростом множественности роль таких отраже­ ний возрастает.

* В модели Хагедорна температура сначала растет, а затем достигает постоянного значения.

171

Количество известных бозонных и барионных резонансов очень велико. Надежно установлено несколько десятков резонансных состояний, укладывающихся в SU (3)-систему.

В нашу задачу не входит рассмотрение свойств резонансов и их систематики. Состояние этого вопроса освещено в интересном обзоре Ланиуса [117].

Однако с точки зрения механизма множественного рождения частиц вопрос о роли резонансов имеет первостепенное значение. В этой связи уместно выяснить: не образуются ли все или подав­ ляющая часть, или хотя бы значительная часть вторичных частиц при множественном рождении в прямом или каскадном распаде различных резонансов? Не сводится ли большинство каналов реак­ ций в конечном итоге к двухчастичным? Данный параграф посвя­ щен обсуждению этих вопросов.

5.6.2. Зависимость сечения генерации резонансов

от энергии

В настоящее время изучен энергетический ход лишь небольшого числа резонансов. Наибольшим сечением образования при энергиях ^ 20 Гэв отличаются р- и со-мезоны из числа бозонных резонансов и N*236 из числа барионных.

Вне области, где ограничения накладываются фазовым объемом, сечения всех остальных каналов образования резонансов уменьша­ ются с ростом энергии или остаются приблизительно постоянными. Это иллюстрируется данными по сечению образования некоторых

172

В области более низких энергий (не показанных в таблице) се­ чения растут, что связано с увеличением фазового объема. При бо­ лее высоких энергиях сказывается влияние матричного элемента,

которое приводит к падению се­ чения. Типичный пример пове- б',.ибарн

дения сечения образования ре­ зонанса показан на рис. 5.20.

Число возможных каналов образования резонансов увели­ чивается с ростом энергии и общий вклад резонансов может и не падать. Известно, что зна­ чительная часть фазового объема пуста, что вызвано ограниче­

нием р± . При высоких энергиях все события концентрируются на фазовой плоскости вблизи оси р ц. Поэтому падение вклада от­ дельных каналов реакции неудивительно.

Сечение образования резонансов в каждом определенном канале

173

В табл. 5.20 приведены значения п для некоторых квазидвухчастичных реакций с участием резонансов [118, 119].

Из таблицы видно, что зависимость от р определяется показа­ телем п = 1ч-2. Имеются каналы двухчастичных реакций, сечения которых слабо зависят или не зависят от первичного импульса. Такое поведение характерно для дифракционных процессов. Мор­ рисон высказал предположение [120], что существует специальный класс D-резонансов, возникающих в процессах дифракционной диссоциации.

5.6.3.Сечения образования резонансов

вразличных каналах реакции

Сечения отдельных каналов образования резонансов уменьша­ ются с энергией. Однако это еще не означает, что с ростом энергии резонансы играют все меньшую роль. При увеличении энергии число каналов рождения резонансов растет, могут появляться новые бо­ лее тяжелые резонансы и общий вклад процессов с участием резо­ нансов (в том числе дифракционных) может не уменьшаться. Нап­ ример, образование р-мезона происходит с одинаковой вероятностью при всех энергиях от 2 до 20 Гэв [121] в реакциях с тремя—шестью пионами в конечном состоянии. К сожалению, этот вопрос почти не исследован в области энергий выше 20 Гэв. Поэтому дальнейшие выводы будут относиться к диапазону сравнительно низких энер­ гий. Выделение резонансов в области энергий выше 20 Гэв доста­ точно сложная задача. Существование методических трудностей приводит к тому, что данные разных авторов значительно от­ личаются друг от друга.

174

В работе [122] были сопоставлены различные методы вычитания фона.

1.Фоновая кривая рассчитывалась из инвариантного фазового объема и как обычно находился минимум разности эксперименталь­ ной кривой и суммы фазовой и брейт-вигнеровской кривых, взятых

сподлежащими определению весами.

2.Фоновая кривая получена с учетом экспериментальных распределений по рц и р±[123].

3.Вклад фоновых комбинаций определялся методом максималь­ ного импульса [124].

Указанные три метода дают заметно различающиеся резуль­ таты. Например, в реакции рр -> ррп+л ~ л ' при 10 Гэв суммарное

большие различия наблюдаются в разных работах. Следует также отметить, что в нерезонансном фоне при больших множественностях могут скрываться какие-либо неизвестные или нераспознанные резонансы. Поэтому получаемый на опыте вклад резонансов скорее занижен, чем завышен. Лучше изучены реакции с образованием двух или трех пионов в конечном состоянии. Поэтому в настоящее время нельзя дать полного ответа на вопросы, поставленные в п. 5.6.1. Однако во многих случаях вклад таких нефитируемых реакций не очень большой. Например, даже в шестилучевых зт+р-взаимодей- ствиях при энергии 8 Гэв [126] неиспользованные каналы составля­ ют —45% всего сечения с образованием шести заряженных частиц.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что роль резонансов во множественных процессах велика. Касо и др. [125] показали, что практически все двухпионные конечные состояния образуются через резонансы, а в трехпионных реакциях доля нерезонансных процессов не более 15%.

В работах [122, 125, 127, 128] исследовалась генерация резонан­ сов в реакциях столкновения двух протонов с двумя и тремя пио­ нами в конечном состоянии (четырехлучевые события).

В табл. 5.21 приводятся значения суммарных сечений образо­ вания резонансов в этих процессах.

Т а б л и ц а 5.21 Сечения образования резонансов в четырехлучевых рр-столкновениях

*Третий метод

**Первый метод.

175

Учитывая, что суммарное сечение четырехлучевых взаимодей­ ствий при 10 Гэв близко к 7 мбарн, нетрудно убедиться, что прак­ тически во всех взаимодействиях возникают резонансы. При этом наибольший вклад при 10 Гэв дают изобара У*гзб и другие барионные резонансы. Доля безонных резонансов невелика (несколь­ ко процентов) [122, 123, 125, 127, 128]. Согласно данным [122] полное сечение четырехлучевых событий почти поровну распределяется между реакциями:

В реакции 1 лишь в 6,5% случаев отсутствуют резонансы, в реак­ ции 2 — в 10% и в реакции 3 — в 47%. Таким образом, в четырех­ лучевых взаимодействиях лишь в 22% случаев не найдены резонан­ сы. Значительную долю составляют образования одновременно двух резонансов. Из табл. 5.22, в которой представлены данные о сече­ ниях квазидвухчастичных реакций при 10 Гэв, следует, что около 37% всего сечения является квазидвухчастичным.

Т а б л и ц а 5.22 Сечения квазидвухчастичных реакций в четырехлучевых /»^-столкновениях

при 10 Гэв

В канале реакции 1 без нейтральных частиц 71 % всего сечения составляют двухчастичные реакции, с рождением я°-мезона— 31% и с нейтроном — 23% [1221.

В работе Александера и др. [129] изучалась генерация резонан­ сов при многочастичной аннигиляции антипротонов при 7 Гэв. В реакциях с шестью пионами в конечном состоянии было обнару­ жено в среднем (0,76 + 0,16) р°-мезона и (0,14 ± 0,01) (о°-мезона в расчете на одно взаимодействие. Авторы считают, что (58 +15)% шести-и (58+10)%восмичастичных реакций идут через образование бозонных резонансов Азіоо, Уз40о и Аз60о с массами соответствен­ но 3,1; 3,4 и 3,6 Гэвіс2, распадающихся на шесть и восемь пионов.

В я+р-взаимодействиях при р = 3,65 Гэвіс с образованием трех и четырех пионов нерезонансные каналы реакции составляют около 20% сечения [118]. Этот результат близок к данным, полученным

176

я+р-Взаимодействия при 8 Гэв с шестью заряженными частицами

вконечном состоянии исследованы Бардадин-Отвиновской и др.

[126].В данной работе удалось идентифицировать 55% всех событий:

В44% случаев наблюдалось более одного резонанса в каждом взаимодействии, а в канале 1 в 10% реакций образуется три резо­ нанса. В реакции 2 в 7% случаев возникают три резонанса. В об­ щем около 50% всех событий включают резонансы.

Втабл. 5.24 приведены данные [131], полученные при энер­ гиях 16 Гэв.

Случаи, в которых больше одного я°-мезона (не анализируются), 0 = 3,13 + 0,18 мбарн. Сечения образования резонансов А/+++, pft

вреакции 1 и со в реакции 2 при 11 Гэв равны 120 мкбарн. Суммарное сечение генерации резонансов близко к полному

сечению реакций 1—3. Это означает, что практически в каждом слу­ чае образуется резонанс, причем преобладают бозонные резонансы.

Аналогичная картина наблюдается и в /Ср-взаимодействиях, Гольдзак и др. [132] проанализировали реакцию

/ѓР-> К° ря+ я - яг

1 7 7