BADANIA ODDZIAŁYWAŃ W EMULSJACH JĄDROWYCH
Promieniowanie kosmiczne zawsze było źródłem cząstek o energiach znacznie przewyższających energie osiągane w akceleratorach cząstek na Ziemi. Nic więc dziwnego, że wiele odkryć w dziedzinie fizyki cząstek zostało dokonanych przy wykorzystaniu promieni kosmicznych. Detektorem cząstek szeroko używanym w całej historii badań promieni kosmicznych jest specjalny rodzaj emulsji fotograficznej - tzw. emulsja jądrowa.
Począwszy od lat pięćdziesiątych następuje szybki rozwój techniki lotów balonowych, co umożliwiło badanie promieni kosmicznych wysoko w atmosferze. Przeprowadzono szereg eksperymentów, w których detektory emulsyjne "naświetlono" promieniami kosmicznymi w lotach balonowych. Emulsja jądrowa stanowiła w nich zarówno tarczę, z którą oddziaływały promienie kosmiczne, jak i detektor produktów tego oddziaływania.
Pod kierunkiem profesora Mariana Mięsowicza od lat pięćdziesiątych prowadzono w Krakowie badania zjawisk elektromagnetycznych i oddziaływań jądrowych przy energiach rzędu 1012 eV. Badano rozwój kaskad elektronowo-fotonowych w dużych blokach emulsji. Po raz pierwszy zaobserwowano tzw. efekt Landaua-Pomeranczuka-Migdała, polegający na odstępstwie od klasycznej teorii Bethego-Heitlera opisującej rozwój kaskady, a objawiającego się jako spowolnienie rozwoju kaskady.
W kaskadach wysokich energii (rzędu 1012 eV) zaobserwowano w Krakowie niezgodność rozkładu energii par elektronowych z widmem Bethego-Heitlera, które powinno ten rozkład opisywać. Wytłumaczenie tej zagadki zostało znalezione w pracach Landaua i Pomeranczuka.
Powstawanie kaskad elektronowo-fotonowych w emulsjach jądrowych
Wygląd oddziaływania w emulsji jądrowej wywołanego przez jądro He.
W odległości 3 mm od oddziaływania - w punkcie A w pobliżu jednego z wyprodukowanych śladów (s4) następuje materializacja fotonu na parę e+e-.
W dalszych odległościach od punktu oddziaływania widać powstawanie kolejnych par p1, p2, p3..... Są to pary e+e- wysokiej energii, które poruszając się w materii powodują wypromieniowywanie fotonów, które dalej na swej drodze znowu materializują się i w efekcie powstaje cała lawina cząstek zwana kaskadą elektronowo-fotonową.
Jeżeli elektron wysokiej energii przechodzi przez gęsty ośrodek i wypromieniowuje foton, to na skutek małego przekazu pędu podłużnego, droga oddziaływania (później nazwano ją drogą formacji), na której następuje emisja fotonu, może być długa i dodatkowy proces rozpraszania kulombowskiego elektronu zmienia widmo wypromieniowanych fotonów. Ten ciekawy efekt koherencji potwierdzający teorię Landaua-Pomeranczuka został właśnie po raz pierwszy zaobserwowany doświadczalnie w Krakowie. Innym efektem zaobserwowanym w Krakowie jest tzw. efekt dipolowy przewidziany przez Czudakowa, a polegający na zmniejszeniu jonizacji na początku pary elektronowo-fotonowej (to znaczy w pobliżu miejsca powstania pary). Pola elektryczne elektronu i pozytonu lecących blisko siebie tuż po utworzeniu pary o wysokiej energii wzajemnie się ekranują, co powoduje zmniejszenie efektu jonizacji ośrodka. Innymi słowy, elektron i pozyton lecące razem jonizują ośrodek znacznie słabiej niż suma jonizacji wywołanej przez te dwie cząstki.
Przez wiele lat badano też wielorodną produkcję cząstek w oddziaływaniach jądrowych promieni kosmicznych z jądrami emulsji. Zaobserwowano zmniejszenie krotności wyprodukowanych cząstek, w stosunku do krotności jakiej należało oczekiwać w wyniku kaskadowego mnożenia cząstek. Jest to tak, jakby wytworzone w zderzeniach cząstki słabiej oddziaływały w jądrze. Zjawisko to wytłumaczono w oparciu o analogię do procesów koherentnych w oddziaływaniach elektromagnetycznych.
Wygląd śladów pozostawionych przez ciężkie jony w emulsji jądrowej
Szczegółowe badania rozkładów kątowych cząstek produkowanych w oddziaływaniach jądrowych przy wysokich energiach pozwoliło na sformułowanie tzw. dwucentrowego modelu emisji cząstek, oraz modelu "jetów" - emisji grup silnie skorelowanych cząstek w procesie wielorodnej produkcji. Zaobserwowanie dużych fluktuacji w rozkładach kątowych produkowanych cząstek, zarejestrowanych w eksperymencie JACEE zapoczątkowało badania zjawiska intermitencji, objawiającego się występowaniem niestatystycznych fluktuacji w emisji cząstek. Badanie intermitencji jest dziś szeroko stosowane jako jedna z głównych metod poszukiwania plazmy kwarkowo-gluonowej w zderzeniach jądrowych przewidzianej przez chromodynamikę kwantową.
W eksperymencie JACEE po raz pierwszy uzyskano dane doświadczalne dotyczące oddziaływań jądro-jądro przy energiach kilkudziesięciu GeV/nukleon - na wiele lat przed uzyskaniem wiązek ciężkich jonów o takich energiach z akceleratorów. Badanie oddziaływań promieni kosmicznych wysokich energii doprowadziło do bujnego rozkwitu fizyki cząstek. Dzisiaj wprawdzie potężne akceleratory stwarzają dogodniejsze warunki do badania cząstek, ale promienie kosmiczne ciągle stanowią istotne uzupełnienie możliwości badawczych. Co ciekawe - obecnie astrofizyka jest jedną z najważniejszych dziedzin zastosowania fizyki cząstek.
|
 |
 |
