МНОЖЕСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Рождение большого числа вторичных адронов в одном акте вз-ствия при высокой энергии. М. п. характерны для столкновения адронов, и при энергии выше неск. ГэВ они доминируют над процессами одиночного рождения мезонов и упругого рассеяния ч-ц. Однако М. п. наблюдаются и при столкновениях др. ч-ц, если их энергия достаточно высока: в процессах аннигиляции эл-нов и позитронов в адроны, в глубоко неупругих процессах рассеяния лептонов на адронах.

Впервые М. п. наблюдались в космических лучах, но тщат. их изучение стало возможным после создания ускорителей заряж. ч-ц высоких энергий. В результате исследований вз-ствия ч-ц косм. лучей, а также ч-ц от ускорителей с энергией до =103 ГэВ (встречные протонные пучки) выявлены нек-рые эмпирич. закономерности М. п.

С наибольшей вероятностью в М. п. рождаются самые лёгкие адроны — p-мезоны (70—80% вторичных ч-ц). Значит. долю составляют также К-мезоны и гипероны (=10—20%) и нуклон-антинуклонные пары (порядка неск. %). Многие из этих ч-ц возникают от распада рождающихся резонансов.

Фотографии множеств. рождения заряж. ч-ц, полученных: а — в жидководородной пузырьковой камере «Мирабель», помещённой в пучок p-мезонов с энергией 50 ГэВ на Серпуховском ускорителе; б — в косм. лучах.

Полное эфф. сечение М. п. при высоких энергиях слабо зависит от энергии сталкивающихся ч-ц (меняется не более чем на неск. десятков процентов при изменении энергии в 104 раз). Прибл. 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 яд. сил, происходит неупругий процесс множеств. рождения ч-ц; упругое рассеяние носит при этом в осн. дифракц. хар-р (дифракция волн де Бройля ч-ц на «чёрном шарике»). С др. стороны, согласно квант. теории поля, возможен медл. рост сечения М. п. с увеличением энергии ? не быстрее, чем ln2? (теорема Фруассара). Опыт показывает, что именно такая предельная зависимость, по-видимому, осуществляется при высоких энергиях, 8 — =102—104 ГэВ в лаб. системе (л. с.). Число ч-ц, рождающихся в разл. актах столкновения адронов определённой энергии, сильно варьирует и в отд. случаях оказывается очень большим (рис.). Ср. число вторичных ч-ц (ср. множественность) медленно растёт с ростом энергии столкновения и практически не зависит от типа сталкивающихся адронов (согласно эксперим. данным, возрастает с увеличением ? прибл., как ln?). Возможно, однако, что ср. множественность вторичных ч-ц, рождающихся с малыми импульсами в системе центра инерции (с. ц. и.) — в т. н. области пионизации — растёт с увеличением энергии по предельно допустимому закону (=?ц. и.)> а ч-ц с большими импульсами (область фрагментации), как ln?ц.и.. Ср. множественность много меньше максимально возможного числа вторичных ч-ц, к-рое определяется условием, что вся энергия столкновения в с. ц. и. сталкивающихся ч-ц переходит в массу покоя вторичных ч-ц. Это означает, что энергия тратится гл. обр. на сообщение осн. части генерированных ч-ц большой кинетич. энергии (большого импульса). В то же время характерной эмпирич. закономерностью М. п. явл. то, что поперечные (к оси соударения) компоненты импульсов вторичных ч-ц (р^), как правило, малы,— их ср. значение составляет прнбл. 0,3—0,4 ГэВ/с и почти постоянно в очень широкой области энергий. Поэтому вторичные ч-цы вылетают резко направленными и сужающимися по мере роста энергии потоками вдоль направления движения сталкивающихся ч-ц (в с. ц. и.— вперёд и назад, в л. с.— по направлению движения налетающей ч-цы). С др. стороны, при высоких энергиях сталкивающихся адронов с небольшой вероятностью рождаются вторичные ч-цы и с большими значениями р^ в виде адронных струй (т. е. неск. ч-ц с близкими направлениями движения). Существование таких струй интерпретируется как рассеяние на большие углы составляющих адронов — кварков. Наиболее отчётливо адронные струи наблюдаются в М. п. на встречных электрон-позитронных пучках и интерпретируются как аннигиляция пары е+е- в пару из кварка и антикварка, летящих в противоположных направлениях и превращающихся (фрагментирующих) в адроны. При аннигиляции е+е- в адроны наблюдаются также трёхструйные процессы, когда один из образующихся кварков (в соответствии с предсказаниями квантовой хромодинамики) испускает глюон, фрагментирующий в адроны.

Особое значение имеют закономерности, установленные при изучении спец. класса М. п.— и н к л ю з и в н ы х п р о ц е с с о в, когда из большого числа процессов множеств. образования ч-ц при столкновении адронов «а» и «b» отбираются события с рождением определённой ч-цы «с» независимо от того, какие др. ч-цы (X) и в каком кол-ве сопровождают её рождение. На важность изучения таких процессов указал в 1967 А. А. Логунов, установивший на основе квант. теории поля законы предельного возрастания их сечения с ростом энергии (аналогичные теореме Фруассара).

Одна из важнейших закономерностей М. п.— масштабная инвариантность (с к е й л и н г Ф е й н м а н а) — своеобразный закон подобия в микромире, заключающийся в том, что вероятность рождения «инклюзивной» ч-цы «с» с определённым значением продольного импульса pL (проекции импульса р на направление движения сталкивающихся ч-ц) при разных энергиях столкновения явл. универс. ф-цией от переменной x=рL/рмакс, где pмакс — максимально возможное (при данной энергии) значение pL ч-цы «с». Т. о., продольные импульсы вторичных ч-ц растут пропорц. энергии столкновения.

Масштабная инвариантность наблюдается также при аннигиляции пары е+е- в адроны и при столкновениях релятив. ат. ядер. Масштабная инвариантность др. типа (с к е й л и н г Б ь ё р к е н а) обнаружена в глубоко неупругих процессах рассеяния лептонов на нуклонах. Теоретически масштабная инвариантность может быть объяснена на основе составного строения адронов из кварков-картонов (амер. физик Р. Фейнман, 1969). Впервые масштабная инвариантность для отношения выходов К- /p-, р=/p- была установлена в экспериментах на Серпуховском ускорителе (1968). Исторически первые попытки описания М. п. были сделаны на основе статистико-гидродинамич. моделей движения адронного в-ва (нем. физик В. Гейзенберг, итал. физик Э. Ферми, Л. Д. Ландау (1949—53) и др.).

Распределение по числу ч-ц, рождаемых в М. п., подчиняется др. закону подобия — т. н. KNO-скейлингу. В соответствии с этим законом вероятность Р(n) образования n ч-ц, рождаемых в М. п., зависит от отношения z=n/ универс. образом: Р(n)=(sn/sнеупр) F(z), где sn.— сечение реакции с рождением га ч-ц, sнеупр — полное сечение неупругнх процессов. Ф-ция F(z) слабо зависит от типа сталкивающихся ч-ц и практически не зависит от полной энергии. Удовлетворительного теоретического объяснения такой закономерности пока не найдено.