Следы первого "кентавра"

Космические лучи самой высокой энергии (до 100 млрд. ГэВ) представляют особый интерес не только для исследователей космических лучей, но и для ядерной физики вообще. Столь высокие энергии невозможно получить даже на самых мощных современных ускорителях. Например, коллайдер (ускоритель на встречных пучках) в ЦЕРНе может довести энергию сталкивающихся частиц до 540 ГэВ, а при определенных условиях - до 900 ГэВ. Однако во Вселенной рождаются частицы с энергиями, в миллионы раз более высокими.

Земная атмосфера "перехватывает" эти высокоэнергетические частицы. Первичная частица сталкивается с молекулой воздуха, разбрасывая вокруг нейтральные и заряженные пионы, а плотно сгруппированный основной компонент тяжелых осколков ("адронное ядро") продолжает двигаться в прежнем направлении. Заряженные пионы, распадаясь, рождают мюоны, которые удается зарегистрировать у поверхности Земли (см. Мезон, да не тот); нейтральные пионы исчезают в фейерверке электронов высокой энергии и гамма-квантов. По параметрам этого "ливня частиц" можно оценить энергию первичной космической частицы.

Одно из самых удивительных открытий в физике космических лучей было сделано в 1973 г., когда удалось зарегистрировать первое событие типа "кентавр". Необычным в этих событиях является то, что "адронное ядро" (обычно включающее около сотни протонов, нейтронов и других тяжелых частиц) регистрируется без обычно сопровождающих его гамма-квантов, что указывает на отсутствие образования нейтральных пионов. В таком случае первичная частица действительно должна быть очень странной. Для объяснения этого явления предложена экзотическая новая ядерная частица, содержащая "верхний" кварк (ср. "очарованный кварк" из раздела Открытие "очарования") или, возможно, "намек" на глюон - частицу, связывающую кварки в адроне.

Фотографические методы лишь иногда используются для регистрации космических частиц высоких энергий, так как эти частицы крайне редки: при энергиях 100 млрд. ГэВ на 1 км² земной поверхности возможно не более 5 событий в столетие. Обычно выход детектора частиц соединяется с осциллографом. Однако в наблюдениях, проводимых в обсерватории Маунт-Чакалтая, детектором служили "сандвичи" из свинцовых и фотографических пластинок. Фотографическая пластина представляет собой слой ядерной эмульсии, на который наложена рентгеновская пленка - для обнаружения частиц высокой энергии. Черные точки, которые они оставляют на пленке, служат метками, указывающими, где в ядерной эмульсии следует искать микроскопические треки частиц.

1973 г. Обсерватория Маунт-Чакалтайя, Боливия Коллектив ученых из Бразилии и Японии Двухэтажная эмульсионная камера № 15 Негативная рентгеновская пленка фирмы 'Сакура'. Я. Фудзимото, Япония [5, 15, 155, 291]

Один такой детектор, однако, не позволяет однозначно интерпретировать событие. Поэтому в установке используется двойной детектор: один пакет пластин расположен над мишенью из асфальта, в которой происходят столкновения, а другой помещается под мишенью и отделен от нее воздушным промежутком, что позволяет частицам после столкновения разлететься на достаточное расстояние. Верхний пакет служит экраном, задерживающим электроны и гамма-кванты из потока частиц. Адроны беспрепятственно проходят через этот экран, но в мишени они взаимодействуют с ее атомами, порождая миниатюрные ливни частиц, которые регистрируются нижним детектором и анализируются. Такие ливни называют "С-струями" - по химическому символу углерода, содержащегося в мишени.

Показанное на этом снимке первое зарегистрированное событие "кентавр" оставило след на рентгеновской пленке нижнего детектора. По многим признакам оно больше напоминает воздушный ливень, нежели С-струю, однако свинцовые пластины верхнего детектора должны были задержать все компоненты воздушного ливня, за исключением адронного ядра. По плотности следов (40-50 точек в кружке диаметром 0,6 см; шкала внизу проградуирована в миллиметрах) суммарная энергия космических лучей оценивается в 330 тыс. ГэВ. При таких энергиях пленки в верхнем детекторе должны быть полностью зачернены - однако, вопреки всякой логике, пленки остались почти чистыми. Подобно мифическому кентавру, полулошади-получеловеку, это ядерное событие таково, что по его "верхней" части (т. е. следам, отмеченным верхним детектором) ничего нельзя сказать о "нижней", и наоборот.

Считают, что в данном событии, происшедшем на высоте 50 м над Маунт-Чакалтая (5220 м над уровнем моря) неопознанная частица при столкновении породила 74 адрона (и ни одного пиона), 6 из которых достигли эмульсионного слоя. Ученые ЦЕРНа начали охотиться за "кентаврами" на ускорителе, хотя энергии, достигаемые в коллайдере, недостаточно высоки. Поисками (пока безуспешными) заняты сейчас две исследовательские группы, но открытия, вероятно, ждут их в области более высоких энергий.