МНО́ЖЕСТВЕННОЕ РОЖДЕ́НИЕ ЧАСТИ́Ц

МНО́ЖЕСТВЕННОЕ РОЖДЕ́НИЕ ЧАС­ТИ́Ц, об­ра­зо­ва­ние боль­шо­го чис­ла вто­рич­ных ад­ро­нов при столк­но­ве­нии час­тиц очень вы­со­кой энер­гии. Так, напр., в столк­но­ве­нии двух про­то­нов с энер­гией 100 ГэВ ка­ж­дый ро­ж­да­ет­ся ок. 20 вто­рич­ных час­тиц (в осн. $π$-ме­зо­нов). При встреч­ном со­уда­ре­нии двух ядер зо­ло­та с энер­гия­ми 100 ГэВ/ну­клон мо­жет ро­ж­дать­ся до 3000 вто­рич­ных час­тиц. М. р. ч. впер­вые бы­ло об­на­ру­же­но в про­цес­сах столк­но­ве­ния кос­мич. час­тиц вы­со­кой энер­гии в кон. 1940-х гг. Свой­ст­ва М. р. ч. де­таль­но изу­че­ны в мно­го­числ. экс­пе­ри­мен­тах на ус­ко­ри­те­лях; пред­ло­же­ны тео­рии, объ­яс­няю­щие это яв­ле­ние. М. р. ч. мо­жет про­ис­хо­дить и при столк­но­ве­ни­ях леп­то­нов с леп­то­на­ми (в про­цес­сах элек­трон $+$ по­зи­трон $→$ адроны) и ад­ро­на­ми. М. р. ч. мо­жет про­ис­хо­дить в лю­бом столк­но­ве­нии, в ко­тором квар­кам и глюо­нам ад­ро­нов пе­реда­ёт­ся дос­та­точ­но боль­шая энер­гия, ко­то­рая за­тем транс­фор­ми­ру­ет­ся во вто­рич­ные час­ти­цы.

Час­ти­цы, ро­ж­дён­ные при столк­но­ве­ни­ях, име­ют в ср. ма­лые по­пе­реч­ные им­пуль­сы и ле­тят в двух уз­ких ко­ну­сах во­круг на­прав­ле­ний, за­да­вае­мых им­пуль­са­ми стал­ки­ваю­щих­ся час­тиц. Со­став вто­рич­ных час­тиц сла­бо за­ви­сит от их энер­гии и ти­па ре­ак­ции: $π$-ме­зо­ны со­став­ля­ют ок. 80–90%, K-ме­зо­ны и др. стран­ные час­ти­цы – ок. 10–20%, оча­ро­ван­ные час­ти­цы – ок. 1%. $π$- и $\text K$-ме­зо­ны в зна­чит. сте­пе­ни яв­ля­ют­ся про­дук­та­ми рас­па­да ко­рот­ко­жи­ву­щих ре­зо­нан­сов ($ρ, ω, \text K^*$ и др.). Ср. мно­же­ст­вен­ность вто­рич­ных час­тиц (чис­ло час­тиц, ро­ж­дён­ных в од­ном ак­те) очень ма­ла по срав­не­нию с мак­си­маль­но воз­мож­ной мно­же­ст­вен­но­стью $E/mc^2$, оп­ре­де­ляе­мой пол­ной энер­ги­ей $E$ стал­ки­ваю­щих­ся час­тиц. Рас­пре­де­ле­ние мно­же­ст­вен­но­сти до­ста­точ­но ши­ро­кое, с дис­пер­си­ей по­ряд­ка сред­не­го зна­че­ния.

В ко­неч­ном со­стоя­нии М. р. ч. мо­гут воз­ни­кать ред­кие кон­фи­гу­ра­ции, со­дер­жа­щие разл. ад­рон­ные струи с боль­шим по­пе­реч­ным им­пуль­сом, а так­же со­стоя­ния с силь­но по­вы­шен­ной мно­же­ст­вен­но­стью. Чис­ло струй­ных кон­фи­гу­ра­ций уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том пол­ной энер­гии. Струи чёт­ко про­яв­ля­ют­ся в ре­ак­ции элек­трон $+$ по­зи­трон $→$ адроны, где ко­неч­ное со­стоя­ние при не очень боль­ших энер­ги­ях об­ра­зо­ва­но дву­мя квар­ко­вы­ми струя­ми, а с рос­том энер­гии по­яв­ля­ют­ся и глю­он­ные струи. Наи­бо­лее слож­ная кар­ти­на воз­ни­ка­ет при столк­но­ве­нии тя­жё­лых ядер, ко­гда мо­жет ро­ж­дать­ся до 10³–10⁴ час­тиц. В этом слу­чае из-за боль­шой плот­но­сти час­тиц ста­но­вят­ся су­щест­вен­ны­ми разл. кол­лек­тив­ные яв­ле­ния в ко­неч­ном со­стоя­нии и воз­мож­ны пе­ре­хо­ды сис­те­мы в но­вые фа­зы (напр., в кварк-глю­он­ную плаз­му).

Тео­ре­тич. пред­став­ле­ния о силь­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях при вы­со­ких энер­ги­ях и о ме­ха­низ­мах М. р. ч. раз­ви­ва­лись в три эта­па. Пер­вый этап на­чал­ся с то­го, что В. Гей­зен­берг пред­ска­зал это яв­ле­ние ещё до его экс­пе­рим. от­кры­тия, ис­хо­дя из ана­ло­гии силь­но­го не­ли­ней­но­го ме­зон­но­го взаи­мо­дей­ст­вия с гид­ро­ди­на­ми­кой. Этот под­ход по­зво­лил Э. Фер­ми, Л. Д. Лан­дау и др. объ­яс­нить мн. ка­че­ст­вен­ные свой­ст­ва М. р. ч. Пред­по­ла­га­ет­ся, что при столк­но­ве­нии об­ра­зу­ет­ся не­кий на­гре­тый сгу­сток, ко­то­рый за­тем рас­ши­ря­ет­ся и рас­па­да­ет­ся на вто­рич­ные час­ти­цы.

На вто­ром эта­пе (1957–75) бы­ло ус­та­нов­ле­но, что осн. ха­рак­те­ри­сти­ки М. р. ч. поч­ти не за­ви­сят от тон­ких де­та­лей силь­ных взаи­мо­дей­ст­вий, а оп­ре­де­ля­ют­ся об­щи­ми свой­ст­ва­ми, та­ки­ми как уни­тар­ность, при­чин­ность, ре­нор­ми­руе­мость. Бы­ло ус­та­нов­ле­но, что в про­цес­се столк­но­ве­ния ад­ро­нов (в сред­нем) на­гре­тый сгу­сток не об­ра­зу­ет­ся, а про­ис­хо­дит лишь об­мен не­боль­шим им­пуль­сом. На этом эта­пе был раз­вит ред­жев­ский под­ход к ад­рон­ной фи­зи­ке вы­со­ких энер­гий (см. Ред­же по­лю­сов тео­рия), ко­торый ос­та­ёт­ся од­ним из осн. ме­то­дов опи­са­ния М. р. ч. В его ос­но­ве ле­жит мо­дель, со­глас­но ко­то­рой ам­пли­ту­ды взаи­мо­дей­ст­вия при вы­со­ких энер­ги­ях мож­но опи­сы­вать при по­мо­щи об­ме­на ред­же­о­на­ми – вир­ту­аль­ны­ми со­став­ны­ми час­ти­ца­ми с не­це­лым уг­ло­вым мо­мен­том. В ре­зуль­та­те та­ко­го об­ме­на стал­ки­ваю­щие­ся час­ти­цы мо­гут пре­вра­тить­ся в струи ад­ро­нов с ог­ра­ни­чен­ны­ми по­пе­реч­ны­ми им­пуль­са­ми или ис­пы­тать лишь уп­ру­гое ди­фрак­ци­он­ное рас­сея­ние или же мо­жет про­изой­ти рас­сея­ние с об­ме­ном кван­то­вы­ми чис­ла­ми ме­ж­ду стал­ки­ваю­щи­ми­ся час­ти­ца­ми. Осн. вклад в се­че­ние М. р. ч. вно­сит спец. ред­же­он – по­ме­рон с ва­ку­ум­ны­ми кван­то­вы­ми чис­ла­ми. При взаи­мо­дей­ст­вии ред­же­о­нов ам­пли­ту­де лю­бо­го про­цес­са столк­но­ве­ния со­пос­тав­ля­ет­ся со­во­куп­ность ред­же­он­ных диа­грамм; ка­ж­дая из них со­от­вет­ст­ву­ет оп­ре­де­лён­ной кон­фи­гу­ра­ции мяг­ких струй ад­ро­нов в ко­неч­ном со­стоя­нии. Это да­ёт воз­мож­ность вы­чис­лить ве­ро­ят­но­сти разл. про­цес­сов мно­жеств. ро­ж­де­ния час­тиц.

Тре­тий этап (с 1975 до на­ших дней) свя­зан с воз­ник­но­ве­ни­ем кван­то­вой хро­мо­ди­на­ми­ки (КХД) – тео­рии силь­ных взаи­мо­дей­ст­вий. Важ­ным ша­гом бы­ло по­строе­ние (Л. Н. Ли­па­тов с со­труд­ни­ка­ми, 1977) тео­рии пер­тур­ба­тив­но­го по­ме­ро­на как свя­зан­ной бес­цвет­ной сис­те­мы, со­стоя­щей в осн. из глюо­нов. Это по­зво­ли­ло объ­яс­нить зна­че­ния ря­да вхо­дя­щих в ред­жев­скую схе­му па­ра­мет­ров, а так­же опи­сать про­цес­сы жё­ст­ко­го М. р. ч. в глу­бо­ко не­уп­ру­гих леп­тон-ад­рон­ных ре­ак­ци­ях.

Мо­дель пар­то­нов (1965–75) да­ла яс­ную про­стран­ст­вен­но-вре­менну́ю кар­ти­ну взаи­мо­дей­ст­вий, при­во­дя­щих к М. р. ч. В её ос­но­ве пред­став­ле­ние о пар­то­нах как об эф­фек­тив­ных за­мо­ро­жен­ных внутр. сте­пе­нях сво­бо­ды бы­ст­рой час­ти­цы, ко­то­рые в КХД мож­но ото­жде­ст­в­лять с глюо­на­ми и квар­ка­ми. Кван­то­вое со­стоя­ние бы­ст­рой час­ти­цы мож­но изо­б­ра­зить как су­пер­по­зи­цию все­воз­мож­ных мно­го­пар­тон­ных вкла­дов. В до­мини­рую­щих кон­фи­гу­ра­ци­ях пар­то­ны вы­строе­ны по ло­га­риф­мам энер­гий, а по­пе­реч­ные им­пуль­сы пар­то­нов не­ве­ли­ки, так что ср. чис­ло пар­то­нов рас­тёт с уве­ли­че­ни­ем энер­гии при­мер­но ло­га­риф­ми­че­ски. При столк­но­ве­нии ад­ро­на, со­стоя­ще­го из пар­то­нов, с ми­ше­нью или с др. ад­ро­ном взаи­мо­дей­ст­ву­ют гл. обр. ма­ло­энер­гич­ные пар­то­ны. В ре­зуль­та­те это­го ко­ге­рент­ность сис­те­мы пар­то­нов раз­ру­ша­ет­ся, пар­то­ны раз­де­ля­ют­ся в про­доль­ном на­прав­ле­нии и ка­ж­дый из них по­сте­пен­но пе­ре­хо­дит в отд. ад­рон или ком­би­на­цию ад­ро­нов. Это раз­де­ле­ние про­ис­хо­дит за вре­ме­на, бо́льшие по срав­не­нию со вре­ме­нем столк­но­ве­ния $τ_0≈$ 10^–23 с. Пар­тон с эф­фек­тив­ной мас­сой $m$ и энер­ги­ей $ε$ пе­ре­хо­дит в час­ти­цы при­мер­но за вре­ме­на $τ(ε)≈τ_0ε/mc^2$, так что пол­ное вре­мя про­те­ка­ния про­цес­са М. р. ч. ве­ли­ко: $t≈τ_0E /mc^2$. В КХД ср. плот­ность ма­ло­энер­гич­ных пар­то­нов мед­лен­но уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том энер­гии бы­ст­ро­го ад­ро­на, что объ­яс­ня­ет рост се­че­ний. При по­вы­ше­нии энер­гии мо­жет дос­ти­гать­ся на­сы­ще­ние плот­но­сти ма­ло­энер­гич­ных пар­то­нов, и даль­ше рас­тёт лишь плот­ность пар­то­нов с боль­ши­ми по­пе­реч­ны­ми им­пуль­са­ми.

М. р. ч. – слож­ное кол­лек­тив­ное яв­ле­ние; его свой­ст­ва, изу­чен­ные в мно­гочисл. экс­пе­ри­мен­тах, в осн. на­хо­дят­ся в со­гла­сии с пред­ска­за­ния­ми тео­рии силь­но­го взаи­мо­дей­ст­вия.