Г.Б.Христиансен ВЫДАЮЩИЙСЯ ЭКСПЕРИМЕНТАТОР, ТЕОРЕТИК И ЧЕЛОВЕК

Впервые я встретился с Георгием Тимофеевичем Зацепиным в начале 1948 г. в Московском университете в связи с моим распределением на кафедру космических лучей. Передо мной был высокий молодой человек с красивой бородой, что в те времена казалось весьма необычным. Георгий Тимофеевич так увлекательно рассказал мне о предстоящей экспериментальной работе в горах (на Памире), что я, почти не раздумывая, сделал свой выбор в пользу Памирской экспедиции и широких атмосферных ливней.

Окрестности Памирской станции Академии наук в районе Чечекты (высота 3860 м над уровнем моря) производят незабываемое впечатление, в особенности, на молодого человека. Когда я поднялся над урочищем Чечекты в горы по дороге в сторону пика Зор-Чечекты и увидел огромную таинственную горную страну с маленьким вытянутым зеркалом озера Кара-Куль, я испытал настоящую радость. Но на следующий день не меньшую радость я испытал, осваивая под руководством Георгия Тимофеевича работу годоскопических счётчиков и электронику системы многократных совпадений. Георгий Тимофеевич умел так ясно, глубоко и возвышенно в лучшем смысле этого слова говорить о практических деталях методики и эксперимента, что это вызывало резонанс в молодой душе и навсегда оставалось в ней, вытесняя гелертерство университетских лет. Мы, студенты, искали тогда сложное в абстрактном и нам был дан важный урок: нужно искать сложное в конкретном. Играло также роль и психологическое воздействие, которое считается оптимальным при разнице в возрасте учителя и ученика от 7 до 10 лет. (Как раз это условие в данном случае выполнялось.)

На Памирской станции было много физической работы, непосредственно связанной с экспериментом. Георгий Тимофеевич и здесь оказывался впереди учеников, увлекая их своим примером. Так было и с тяжёлым трудом по созданию свинцовых «печек» для экранирования электронно-фотонной компоненты, так было и с работой по прокладке высокочастотного и силового кабелей, требующей и силы, и технической сноровки.

А вечерами мы слушали с помощью радиоприемников классическую музыку из Веллингтона. Новая Зеландия хорошо была слышна на Памире даже с тогдашней несовершенной радиоаппаратурой.

Мы, студенты, не знали, что в те дни Георгий Тимофеевич усиленно разрабатывал принципиально новую концепцию физики космических лучей – концепцию ядерно-каскадного процесса. Всё началось с обнаружения аномальной с точки зрения электромагнитной каскадной теории ширины широких атмосферных ливней в известном исследовании Д.В.Скобельцына, Г.Т.Зацепина и В.В.Миллера, проведённом в 1946 г. в Памирской экспедиции. Затем последовали экспериментальные результаты Г.Т.Зацепина об аномально большом содержании в ШАЛ проникающей компоненты – мюонов и ядерно-активных частиц и далее результаты об аномально медленном по сравнению с электромагнитной каскадной теорией поглощении ШАЛ в нижних слоях атмосферы. Георгием Тимофеевичем были проведены также эксперименты, доказавшие существование так называемых электронно-ядерных ливней и ядерно-каскадного процесса в них при энергиях, меньших первичных энергий, соответствующих широким атмосферным ливням (10¹⁴-10¹⁵ эВ)

Вся совокупность экспериментальных данных (включая полученные в то время данные о преимущественном рождении в электронно-ядерных ливнях пи-мезонов) была обобщена Георгием Тимофеевичем в ряде работ, включивших и строгую математическую теорию – уравнения ядерно-каскадного процесса (в создание этих уравнений внёс вклад и И.Л.Розенталь). В дальнейшем с учётом полученных экспериментальных данных о большой в среднем упругости взаимодействия нуклон-ядро Георгий Тимофеевич рассмотрел и проблему флуктуаций в развитии ШАЛ, используя изящную схему, в которой флуктуации определяются только поведением лидирующего нуклона. В дальнейшем эта картина получила количественное обоснование в рамках уравнения Колмогорова-Дмитриева для стохастических процессов, а сама идея Георгия Тимофеевича о лидирующем нуклоне оказалась плодотворной для многочисленных расчётных групп во всем мире, занимающихся необходимым для эксперимента моделированием развития различных компонент (электронов, адронов, мюонов, оптического излучения) широких атмосферных ливней. Столь же велики и плодотворны были усилия Георгия Тимофеевича в разработке новой экспериментальной методики для исследования ШАЛ и первичного космического излучения, создающего ШАЛ. Ему принадлежит метод так называемых коррелированных годоскопов (техническую сторону этого метода разработал Л.Н.Кораблев), широко использовавшийся в многочисленных работах как в СССР, так и за рубежом. Достаточно сказать, что на базе этого метода была создана под руководством Георгия Тимофеевича и других установка ШАЛ МГУ в Москве, установки ФИАН на Памире и в дальнейшем установки в Казахстане и в ИФАН ГрузССР. Метод коррелированных годоскопов позволил повысить разрешающую способность эксперимента для определения потока частиц и положения оси ШАЛ в десятки раз, что означало переход от изучения статистических ансамблей ШАЛ к эре изучения индивидуальных ШАЛ. Эта эра была ознаменована открытием так называемого «излома» в первичном энергетическом спектре космических лучей при энергии 5*10¹⁵ эВ. Она продолжается и в настоящее время. Метод коррелированных годоскопов в сочетании с методом комбинированного фильтра (из углерода и свинца), также предложенным Георгием Тимофеевичем, позволил исследовать энергетическую структуру электронно-фотонной, адронной и мюонной компонент индивидуальных ШАЛ. Эти данные оказались в противоречии с рядом моделей адронных взаимодействий, в том числе с известной гидродинамической моделью Л.Д.Ландау и не менее известной скейлинговой моделью Р.Фейнмана. В настоящее время ядерно-каскадный процесс и его следствие – широкий атмосферный ливень – описываются в рамках «мягких» адронных взаимодействий по модели кварк-глюонных струн, во всяком случае, для энергий 10¹⁵ – 10¹⁷ эВ. Ввиду крайней сложности стохастического процесса, лежащего в основе ШАЛ, по крайней мере, в ближайшее время не представляется реальным, используя экспериментальные данные, определять с требуемой в настоящее время точностью отдельные параметры адронных взаимодействий при сверхвысоких энергиях. Однако, любая теоретическая гипотеза об адронных взаимодействиях при сверхвысоких энергиях (10¹⁵ - 10²⁰ эВ), если она имеет количественный характер, может быть проверена и принята или отвергнута. Выбор же модели адронных взаимодействий играет решающую роль для астрофизики космических лучей сверхвысоких энергий.

Постоянно предчувствуя назревающие научные проблемы ещё во времена Памирских экспедиций (50-ые годы), Г.Т.Зацепин обратил внимание на интересный эффект, связанный с взаимодействием ультрарелятивистских частиц космических лучей с фотонами околосолнечного пространства. Эффект заключался в возможном существовании коррелированных частиц из космоса (возникающих при расщеплении ядра фотонами) с образованием дву- или многоствольных ливней, охватывающих на Земле большие площади порядка сотен гектаров. Эта гипотеза еще ждёт своего экспериментального подтверждения. Значение же упомянутой работы Георгия Тимофеевича в том, что впервые в практику работы физиков-космиков были внедрены новые математические формулы – изящное понимание Г.Т. Зацепиным преобразований Эйнштейна-Лоренца. Кроме того, это глубокое ощущение духа теории относительности позволило Георгию Тимофеевичу (совместно с В.Кузьминым) сразу же после открытия «реликтового» излучения Пензиасом и Вильсоном опубликовать блестящую работу с предсказанием так называемого реликтового обрезания спектра первичных космических лучей в области энергий более 3*10¹⁹ эВ за счёт потери энергии на «реликтовом» излучении при однородном распределении источников космических лучей в Метагалактике. Эта работа Георгия Тимофеевича получила широкую известность в мировой науке среди астрофизиков, космологов и, конечно, физиков-космиков. (Она известна под названием GZK-эффекта и включает первую букву фамилии К.Грейзена – американского физика, сосчитавшего этот эффект независимо). Вряд ли можно в последнее время найти работу с таким индексом цитирования, как работы по GZK-эффекту, и столь актуальную, как эта, для современного эксперимента при сверхвысоких энергиях. Интенсивные поиски источников космических лучей с энергией более 3*10¹⁹ эВ ведутся с учётом GZK-эффекта.

В начале 60-ых годов Георгий Тимофеевич, проанализировав различные возможности объяснения известного «излома» в первичном энергетическом спектре при энергии около 3*10¹⁵ эВ, пришёл к выводу о необходимости утяжеления массового состава первичного космического излучения при переходе за «излом». Это теоретическое предсказание Георгия Тимофеевича нашло в последнее время экспериментальное подтверждение на установке ШАЛ МГУ, на которой ранее был обнаружен этот «излом».

Другая замечательная работа 60-ых годов, выполненная Георгием Тимофеевичем совместно с А.Е.Чудаковым, предвосхитила современное развитие ТэВ-ной гамма-астрономии на десятки лет вперёд. В этой работе показано, что число фотонов оптического диапазона в ШАЛ за счёт излучения Вавилова-Черенкова столь велико, что даже при энергии первичной частицы космического излучения порядка 10¹² эВ возможна регистрация фотонов ШАЛ современными ФЭУ в условиях фона от свечения ночного неба. ШАЛ из фотонов образуется за счёт кулоновского рассеяния позитронов и электронов, дающих черенковское излучение. Как известно, с помощью этого метода уже совсем недавно были открыты такие источники гамма-квантов с энергией более 1 ТэВ, как Крабовидная туманность и Галактика MRK-421. С помощью этого метода ведутся исследования принципиальной важности с точки зрения происхождения космических лучей – поиски гамма-квантов высокой энергии от остатков Сверхновых.

Для Георгия Тимофеевича вообще характерно постоянное стремление обнаружить новое в совершенно подчас неожиданных для других направлениях. Он был одним из главных инициаторов исследования солнечных нейтрино и мюонов и нейтрино космических лучей в нашей стране и за рубежом. Эти исследования создали фактически новое направление в физике, получившее во всем мире название «подземной физики» (underground physics).

Г.Т.Зацепин совместно со своими учениками развил строгую теорию генерации мюонов и нейтрино космических лучей в атмосфере. Были рассчитаны энергетические и угловые распределения этих частиц, сыгравшие определяющую роль в интерпретации экспериментов на рентген-эмульсионных камерах (РЭК) под землёй в МГУ, на установках Баксанской нейтринной станции, на, установке «мютрон» в Японии и на многих других установках мира. Так, использование точной теории в эксперименте РЭК, проводимом под руководством Георгия Тимофеевича, привело к фундаментальному выводу о рождении мюонов с энергией более 10 ТэВ в значительной степени за счёт чармированных частиц, рождаемых в адронных взаимодействиях при сверхвысоких энергиях. Трудно переоценить теоретические исследования Георгия Тимофеевича в этом направлении для будущей нейтринной астрономии высоких и сверхвысоких энергий, которая в настоящее время делает первые шаги.

Будучи одним из главных основоположников исследований космических лучей сверхвысоких энергий методом широких атмосферных ливней как в нашей стране, так и в мире, будучи одним из главных создателей «подземной физики» у нас и за рубежом, Г.Т.Зацепин в последние десятилетия отдаёт силы новому направлению - исследованию солнечных нейтрино. Несмотря на свою чрезвычайную сложность и необычную с точки зрения физика методику, эта задача так увлекла Георгия Тимофеевича, что под его руководством был создан и разработан принципиально новый галлий-германиевый метод, признанный во всем мире и нашедший применение в работах русско-американской коллаборации на Баксане, а также в работах немецко-итальянской группы в Гран-Сассо. Георгию Тимофеевичу удалось совместно с коллегами из Гран-Сассо доказать, что поток нейтрино аномально мал не только при высоких энергиях (0,816 МэВ), как в опытах Дэвиса, но и при меньших энергиях нейтрино (0,231 МэВ), что исключает возможность устранения расхождения эксперимента и стандартной солнечной модели за счёт небольшого изменения в этой модели температуры недр Солнца. С другой стороны, уже сделанные эксперименты оставляют мало возможности для существования осцилляций электронного нейтрино в мюонное, осцилляций, которые могли бы объяснить малый наблюдаемый поток электронных нейтрино при различных энергиях. В настоящее время Георгий Тимофеевич увлеченно разрабатывает новую гипотезу, позволяющую объяснить наблюдаемые данные о дефиците нейтрино различных энергий и, по-видимому, установленную корреляцию потока нейтрино и величины и направления магнитного поля Солнца существованием малого магнитного момента нейтрино и переходом нейтрино под влиянием магнитного поля Солнца в стерильное состояние, что препятствует реакции по обнаружению нейтрино. Пожелаем Георгию Тимофеевичу, чтобы это его предсказание оказалось таким же провидением, как и многие другие его гипотезы, блестяще подтвержденные экспериментом.

Выше я упомянул только часть работ Г.Т.Зацепина. Широко известны также его работа по возбуждению изобарного состояния нуклонов в нуклон-нуклонном взаимодействии при сверхвысоких энергиях – эта, в известном смысле, предтеча современной картины генерации вторичных частиц с большими фейнмановскими X, работы по исследованию поглощения мюонов в больших толщах грунта, использовавшие приближённый аналитический подход и позволившие получить ряд закономерностей (энергетический спектр мюонов под землей, их угловое распределение), столь важных для эксперимента. Значительный вклад был внесен также Георгием Тимофеевичем в развитие электромагнитной каскадной теории для тяжёлых элементов, что сыграло большую роль в правильной интерпретации экспериментальных данных.

Георгий Тимофеевич символизирует единство эксперимента и теории в современной физике. Глубоко вникая в методику эксперимента и совершенствуя её, Георгий Тимофеевич вместе с тем синтезирует экспериментальные факты на уровне новейших теоретических идей и возвращает эти идеи эксперименту. Георгию Тимофеевичу совершенно чужды эффектные и модные увлечения в экспериментальной и теоретической физике. Он творит на многие десятилетия вперёд. Его убеждённость в правильности такого пути и человеческое обаяние в сочетании со спартанской строгостью к самому себе производят неизгладимое впечатление на окружающих его многочисленных научных сотрудников, от самых юных до пожилых.

Эти же его качества и его замечательные научные результаты снискали ему славу и уважение во всем мировом сообществе, занимающемся физикой космических лучей. Международный авторитет Георгия Тимофеевича находится на самом высоком уровне.

Гениальный писатель русской земли Л.Н.Толстой писал, что «всё разнообразие характеров человека определяется тем, насколько человек живёт своими или чужими мыслями и чужими или своими чувствами». Лев Николаевич мечтал о человеке, живущем своими мыслями и чужими чувствами, т.е. о творческом человеке, переживающем и сочувствующем ближнему. Я сожалею, что Л.Н.Толстой не встретил Г.Т.Зацепина.