С.А.Славатинский О ВЫДАЮЩЕМСЯ ФИЗИКЕ И ПРЕКРАСНОМ ЧЕЛОВЕКЕ ГЕОРГИИ ТИМОФЕЕВИЧЕ ЗАЦЕПИНЕ

INFN, Laboratori Nazionali dell Gran Sasso and Institute for Nuclear Research, Moscow.

С Георгием Тимофеевичем Зацепиным я имел удовольствие познакомиться еще в 1948 году в ФИАНе, куда я, будучи студентом физфака МГУ, регулярно приходил после участия в первой зимовке на памирской высокогорной научной станции ФИАН. Я продолжал тогда обработку полученных на зимовке материалов «по узким атмосферным ливням» в космических лучах, изучение которых проводил Иосиф Леонидович Розенталь, а я был у него на практике. Примерно в то же время Георгий Тимофеевич читал лекции в ядерном филиале физфака вблизи станции метро «Сокол». Помню, что эти лекции меня поразили ясностью изложения, и особым, характерным для Георгия Тимофеевича стилем: от общей постановки проблемы, со стройной логикой, с увлечённостью и энтузиазмом, к частным случаям. Именно на этих лекциях, мы начали понимать, что изучение космических лучей – увлекательное и важное занятие. К сожалению, лекции не были опубликованы, как и многие другие разработки Георгия Тимофеевича того времени. По-видимому, у него просто не хватало времени, может быть и желания тратить время на уже известное, т.к. его привлекало все новое и неизвестное. С подобной ситуацией я столкнулся несколько позже, уже будучи аспирантом ФИАНа.

Для работы мне потребовалось срочно изучить основные преобразования специальной теории относительности (СТО). Я поискал в каталогах литературу на русском языке и в то время просто ничего подходящего не нашёл. Я спросил совета у Георгия Тимофеевича, что читать. Он ответил, что сам прорабатывал этот материал и составил для себя конспект и предложил его мне. Это оказалось чёткое и краткое изложение всех необходимых для практической работы преобразований и формул СТО, по существу изложение всей кинематики СТО. После детального изучения этого конспекта, я вернул его Георгию Тимофеевичу и, помню, поинтересовался, почему столь ценное пособие им не опубликовано. Ответ был – нет времени на публикацию уже решённых проблем.

Помню и некоторые другие консультации, полученные у Георгия Тимофеевича по проблемам, как мне казалось, далёким от его непосредственной работы. В частности, это были проблемы, связанные с капельной моделью ядер и образованием релятивистских, серых и чёрных следов в ядерной эмульсии. Но помню, что меня поразила доскональность и полнота знаний Геооргия Тимофеевича и в этой области, широта его эрудиции.

В то время, в конце сороковых и начале пятидесятых годов, в понимании процессов, происходящих в космических лучах, сложилась весьма интересная ситуация. Был уже накоплен значительный объём экспериментальных данных, часто, на первый взгляд, противоречивых и не связанных друг с другом. Например, атмосферные ливни подразделялись на узкие (с размером до нескольких метров), просто ливни (пошире) и широкие. Именно Георгий Тимофеевич тогда впервые экспериментально установил, что ШАЛ существенно более «широкие» в прямом смысле этого слова, чем это считал первооткрыватель ШАЛ французский физик Оже. Оже и его сотрудники установили, что наибольшая ширина ШАЛ составляет около ста метров. Опыты на Памире Георгия Тимофеевича показали, что существуют ШАЛ с шириной в один и больше километров. В 50-х годах не зря шутили, что «ливни Оже» (так назывались тогда ШАЛ) стали уже ливней Зацепина. И действительно, всестороннее изучение ШАЛ проводилось Георгием Тимофеевичем в горах Памира на разных установках, на установках, расположенных на разных высотах – на Памирской станции на высоте 3860 м и на перевале Ак-Байтал (высота 4900 м) с разными детекторами и разной конфигурацией счётчиков. Георгий Тимофеевич работал вместе с нами, будучи уже известным учёным, умеющим детально объяснить и смысл очередного эксперимента и принципы работы электронных схем.

К началу пятидесятых годов под руководством Георгия Тимофеевича были измерены многие характеристики ШАЛ: спектр плотностей ШАЛ и кривая раздвижения, то-есть зависимость числа ШАЛ от расстояния между детекторами, высотный ход числа ШАЛ. Было установлено, что в составе ШАЛ имеются не только частицы электронно-фотонной компоненты, но и проникающие частицы – мюоны, и, главное, ядерно-активные частицы – адроны, генерирующие вторичные, проникающие, или электронно-ядерные ливни. Последнее обстоятельство явилось важным звеном в разработке ядерно-каскадной теории образования ШАЛ, созданной Георгием Тимофеевичем. В его основополагающей работе в 1949 году была впервые сформулирована идея о том, что основным процессом при прохождении космических лучей через атмосферу Земли, включая и образование ШАЛ, является ядерно-каскадный процесс. Впервые он получил и знаменитую формулу, устанавливающую связь пробега поглощения частиц с пробегом их взаимодействия, коэффициентом неупругости и наклоном первичного спектра космических лучей. Я помню, как эту только что полученную им формулу он тестировал на нас – студентах, излагая чёткую логику своих рассуждений. Интересно подчеркнуть, что уже тогда, видимо чисто интуитивно, Георгий Тимофеевич ввёл предположение об однородности функции распределения числа рождающихся частиц, её зависимости лишь от отношения энергии частицы к начальной энергии. Именно такая идея легла позже, через десятки лет, в идеологию фейнмановского скейлинга.

Вместе с тем стало ясно, что необходимо как на высоте гор, так и на уровне моря, создавать новые большие установки ШАЛ, более совершенные и информативные. Под общим руководством Георгия Тимофеевича и других физиков такие установки были созданы и продолжают успешно работать по настоящее время.

Пятидесятые годы явились годами всеобщего признания основных идей Георгия Тимофеевича об определяющей роли ядерно-каскадных процессов при прохождении космических лучей через атмосферу Земли. Первые, достаточно полные, решения ядерно-каскадных уравнений были даны в работе Иосифа Леонидовича Розенталя. Под руководством Георгия Тимофеевича образовалась группа молодых теоретиков, развернувших детальнейшие расчёты потоков всех компонент космических лучей для разных уровней в атмосфере Земли и под Землёй, включая мюонную и нейтринную компоненты. По-видимому, уже в это время Георгий Тимофеевич увидел большие перспективы подземных исследований проникающих частиц космических лучей, что и определило его основную деятельность, начиная с шестидесятых, на многие последующие годы.

Однако, вернемся к пятидесятым годам. Цикл работ по изучению космических лучей на Памире получил высокую оценку и был удостоен Государственной премии первой степени. На банкет в ресторан «Метрополь» были приглашены все сотрудники лаборатории космических лучей ФИАНа и участники Памирских работ из других организаций. Так закончился, можно сказать, первый «героический» период изучения космических лучей на Памире. В последующий период, вплоть до переезда в начале шестидесятых годов на Тянь-Шаньскую высокогорную научную станцию, на Памире были развернуты несколько научных работ и Георгий Тимофеевич проявлял к ним большой интерес. Я имею в виду создание первой в космических лучах большой прецизионной установки с камерой Вильсона в магнитном поле в сочетании с ионизационным калориметром и большой комплексной установки по изучению ШАЛ. Эти установки позволили получить много нового и интересного.

Я работал на первой из этих установок и знаю, как Георгий Тимофеевич не только интересовался полученными результатами, но и сам непосредственно обрабатывал и анализировал часть полученных данных. Такое тесное сотрудничество с ним было чрезвычайно плодотворным как в этой работе на «магните», так и позже на новой еще более крупной установке, построенной на Тянь-Шаньской Высокогорной станции ФИАНа в начале шестидесятых годов.

Первые итоги работы с камерой Вильсона и калориметром были доложены на Международной конференции по космическим лучам в Москве в 1959 году. По материалам этой работы имелось короткое, но крайне содержательное выступление Георгия Тимофеевича. В нём Георгием Тимофеевичем была высказана основная идея о причинах несимметричного разлёта частиц в системе центра масс в нуклон-нуклонных взаимодействиях при энергии в сотни ГэВ, а именно, идея образования тяжёлого кластера, движущегося относительно СЦМ (то-есть была предложена модель одного файербола). В дальнейшей работе коллектива, продолжившего эти исследования на Тянь-Шаньской станции были определены многие детали такой модели, в частности впервые были получены распределения коэффициента неупругости в нуклон-нуклонных взаимодействиях (до того из работ Н.Л.Григорова было оценено лишь среднее его значение), было показано, что импульсный спектр рождённых частиц близок к спектру излучения, характерному для чёрного тела, что наиболее вероятная зависимость множественности от энергии имеет логарифмический вид (хотя и не закрыт был степенной характер этой зависимости), наконец было показано, что доля странных частиц невелика, а основным продуктом соударения нуклонов являются пионы. Следует подчеркнуть, что все эти данные были получены задолго до пуска ускорителей на энергии в сотни ГэВ и безусловно способствовали созданию мультипериферической теории взаимодействия адронов.

Экспериментальные данные, полученные в работе на «магните» вошли в мою докторскую диссертацию, Георгий Тимофеевич был моим главным оппонентом на защите диссертации в 1967 году. Георгий Тимофеевич сделал ряд замечаний по существу, в целом он активно поддержал диссертацию. Здесь хотелось бы сказать о чрезвычайно высоких человеческих качествах Георгия Тимофеевича. За всё время работы и контактов с ним я убедился, что всегда на первом месте для него была наука и научные результаты и безусловная поддержка того, что он считает правильным и новым. На всякую новую идею, новую мысль он немедленно отзывался, был готов ее всесторонне обсудить и выдвинуть свои «за» и «против», которые так щедро стимулируют всякую научную деятельность. Контакты с ним всегда приносили мне большую пользу и большое удовольствие.

Как я уже говорил, в шестидесятые годы основные интересы и научная деятельность Георгия Тимофеевича переносятся на подземные исследования на организуемой им крупномасштабной Баксанской обсерватории. Я не буду писать об этом периоде, это сделают полнее и лучше меня другие его ученики, работающие с ним по этой тематике.

Несмотря на очень большую загруженность в этот период как научными, так и организационными делами, переход из ФИАНа во вновь образованный Институт Ядерных Исследований РАН, Георгий Тимофеевич остался вполне доступен не только для обсуждений, но и для участия в других экспериментальных исследованиях. В шестидесятых годах Георгий Тимофеевич стал научным руководителем большого мюонного эксперимента, развернутого Ириной Вячеславовной Ракобольской в Московском университете. Экспериментальная установка располагалась в подземных помещениях метро, в качестве детекторов тормозных фотонов, образованных мюонами в свинце, использовались рентгеновские пленки. На начальном этапе методику рентген-эмульсионных камер разработал и внедрил в нашей стране Юрий Александрович Смородин.

Первая собранная им и его группой рентген-эмульсионная камера площадью около 1 м² имела всего несколько слоев и была установлена в подземной лаборатории Тянь-Шаньской научной станции ФИАН. Число зарегистрированных мюонов в ней было столь небольшим, что за обнаружение каждого мюона, по доходившим до ФИАНа слухам, Юрий Александрович выставлял бутылку шампанского.

Работа в метро отличалась большим размахом и вскоре вошла в ряд крупных исследований спектров как горизонтальных, так и вертикальных потоков мюонов в ТэВ-ной области. Первый же результат этой работы показал ошибочность данных проф.Койфеля (США) о наличие большого сечения процесса прямой генерации мюонов. По мере увеличения статистики полезных событий, в работе были надёжно определены и вертикальный и горизонтальный энергетические спектры мюонов вплоть до энергии около 60 ТэВ. Из этих данных получена величина сечения образования чармированных частиц при энергиях в десятки и сотни ТэВ.

В конце 60-х годов я и Юрий Александрович Смородин совместно выступили с предложением о создании крупнейшей в мире рентген-эмульсионной камеры на Памире для регистрации адронов и гамма-квантов, образуемых в стволах широких атмосферных ливней. Группы таких высокоэнергичных частиц в ШАЛ получили название гамма-адронные семейства. Подготовленный в ФИАНе проект этого эксперимента показывал, что речь идёт о регистрации частиц, генерируемых первичными частицами космических лучей с энергией, превышающей 10¹⁵ эВ. Георгий Тимофеевич детально ознакомился с проектом и одобрил наше предложение использовать толстый блок углерода для регистрации адронов. Именно Георгий Тимофеевич ранее осуществлял регистрацию адронов по их взаимодействию в толстых углеродных блоках. Поначалу проект эксперимента «Памир» встретил много возражений и опасений в его реальности. Помню, что Сергей Николаевич Вернов встречно предложил установить рентген-эмульсионную камеру небольшого размера, но на пике Ленина, чтобы иметь большую статистику за счёт большей высоты расположения установки. Вскоре группа альпинистов сделала попытку найти сброшенные с самолета элементы эмульсионной камеры на, вершине пика Ленина, но их экспедиция кончилась неудачей, и к сожалению, ни одна из камер найдена не была. Одновременно, мы с Вадимом Матвеевичем Максименко и Иномом Бобаджановичем Бобаджановым (сотрудником Физико-технического института Таджикской АН) выбрали площадку для будущей установки вблизи перевала Ак-Архар на высоте 4380 м над уровнем моря. Оглядываясь назад, можно смело сказать, что лишь благодаря большой поддержке Георгия Тимофеевича и Николая Алексеевича Добротина нам удалось осуществить эксперимент «Памир» в полном масштабе уже в 1973 году, после выхода специального постановления Правительства, предусматривавшего безвозмездную поставку для нас эшелона с листовым свинцом (2000 тонн!), штатные единицы (около 100 единиц для всех институтов – участников сотрудничества «Памир») и ежегодное финансирование работы (в старых деньгах около 300 тыс.руб. в год!). Научным руководителем эксперимента с самого его начала был и остаётся по настоящее время Георгий Тимофеевич.

Особенно плодотворным было его участие в Памирских рабочих встречах, на которые собирались все участники эксперимента. А институтов-участников было много: ФИАН (головной институт сотрудничества «Памир»), ИЯИ РАН, НИИЯФ и кафедра космических лучей МГУ, Институт физики Грузинской АН, Физико-технические институты Узбекской АН и Таджикской АН и Институт физики высоких энергий Казахской АН. Из иностранных участников – два научных центра Польши: Лодзинский Университет и Пединститут г.Кельцы.

Позже, в начале 80-х годов, в памирской работе приняли участие сотрудники двух Японских научных центров – Васеда и Токийский университеты, Бразилии – университет г.Кампинес и университет Сан-Андрес в Боливии. Общее число участников эксперимента возросло приблизительно до 70 человек. И вот на ежегодных рабочих встречах сотрудничества «Памир» шли горячие обсуждения методических и научных результатов, полученных в разных группах как бывшего СССР, так и за рубежом, и сопоставление результатов измерений, их достоверности, текстов статей. Я полагаю, что только огромный научный авторитет Георгия Тимофеевича, его доброжелательность даже при критических выступлениях, его поддержка наиболее интересных результатов позволили такому огромному числу участников эксперимента (а каждый считал себя конечно же самым, самым ...) слаженно и бесперебойно работать в течение почти четверти века.

Конечно же, бывали в работе Сотрудничества и неординарные ситуации, когда один и тот же экспериментальный материал разными участниками Сотрудничества интерпретировался совершенно по разному. Так, обнаруженный группой МГУ избыток частиц в глубоких свинцовых камерах на глубине более 50 см свинца, в МГУ был объяснён как результат генерации чармированных частиц. Но следовало очень большое сечение генерации Ламбда₀, и D – мезонов, больше 2 мб/нуклон. Тот же экспериментальный результат, по мнению Юрия Александровича Смородина, может быть объяснён наличием большого потока каонов с энергией в десятки ТэВ на высоте Памира. Наконец, обсуждается еще одна, более экзотическая, возможность – приписать наблюдаемые проникающие частицы новым неизвестным пока адронам, обладающим очень малым сечением взаимодействия. Для нахождения однозначного ответа на этот вопрос оказалось необходимым собрать на Памире специально сконструированную эмульсионную камеру, содержащую большой воздушный зазор. К сожалению, из-за отсутствия финансирования этот важный эксперимент пока «заморожен».

Здесь уместно отметить, что мы ещё не потеряли надежду продолжить этот и другие эксперименты на Памире только благодаря активной поддержке Георгия Тимофеевича, его «походам» в Академию наук, в Комитет по науке и технике, включению Памирской группы в состав «Школы Георгия Тимофеевича Зацепина".

В конце этой статьи хотелось бы кратко сказать, что ли было получено нового в эксперименте «Памир», в котором роль и участие Георгия Тимофеевича были весьма существенными, а часто – определяющими. Прежде всего, в эксперименте «Памир» был получен огромный фактический материал о взаимодействии частиц первичных космических лучей с ядрами атомов воздуха в области сверхускорительных энергий – от нескольких ПэВ до сотен ПэВ. Характерной особенностью этих данных является высокое пространственное разрешение частиц благодаря применению для их регистрации рентген-эмульсионных камер. При указанной энергии частицы с наибольшими энергиями расположены на расстояниях в миллиметры и даже доли миллиметров друг от друга и вся используемая раньше техника экспериментов не позволяла такие частицы разрешить. По существу речь идёт об определении «тонкой структуры» стволов широких атмосферных ливней. Благодаря большому размеру эмульсионных камер в эксперименте «Памир» получены статистически хорошо обеспеченные результаты, существенно превышающие данные других экспериментов с подобными камерами. В результате измерены не только средние характеристики, но и их распределения в разных интервалах энергии первичных частиц. Основная масса данных относится к области энергии 1-10 ПэВ. В этой области наблюдено около 1000 гамма-адронных семейств – частиц с наибольшими энергиями, составляющими стволы ШАЛ. В итоге были измерены распределения по множественности гамма-квантов и адронов, их энергетические спектры и пространственные распределения, определено среднее значение коэффициента неупругости и показано, что он логарифмически растёт с увеличением энергии. В эксперименте определены угловые распределения частиц, показано, что пробег их поглощения в атмосфере существенно падает с ростом энергии. Из всей совокупности экспериментальных данных были определены:

1) сечение взаимодействия протонов с ядрами атомов воздуха при энергии 5 ПэВ. Пересчёт к сечению протон-протон хорошо согласуется с данными, полученными на ускорителях;

2) впервые было установлено, что эффект Ландау-Померанчука-Мигдала в свинце справедлив начиная с энергии 10 ТэВ;

3) впервые были получены данные о существенном нарушении скейлинга в области фрагментации для нуклон-ядерных взаимодействий при средней энергии равной 10 ПэВ, а именно инклюзивное сечение пионов при X=0.3 падает в 2-3 раза, а инклюзивное сечение протонов, точнее коэффициент неупругости К растёт с ростом энергии логарифмически. Для взаимодействия р + N = р + ..., согласно ускорительным данным, он равен 0.65 при энергии 300 ГэВ и увеличивается до 0.85 при энергии 10 ПэВ. Причина таких изменений сечений, согласно модели кварк-глюонных струн, состоит в перерассеяниях частиц на других нуклонах даже лёгких атомных ядер, таких как азот;

4) вплоть до энергии 10 ПэВ продолжается логарифмический рост среднего поперечного импульса пионов;

5) наблюдено образование полужёстких кварк-глюонных струй во фрагментационной области благодаря регистрации бинокулярных семейств и впервые оценено сечение их образования (при доле энергии X > 0.05 и поперечном импульсе струи P_ст > 5ГэВ/с);

6) зарегистрировано существенно большее число частиц под большой толщиной свинцового поглотителя. Произведена оценка сечения генерации чармированных частиц в свинце, оказавшейся близкой к 2 мб/нуклон, хотя не исключено, что такие проникающие частицы являются новыми неизвестными частицами. Решающий эксперимент для ответа на этот вопрос находится в стадии исследования (если будет финансироваться!).

В целом, все указанные выше свойства взаимодействий могут быть поняты и описаны моделью кварк-глюонных струй, основанной на квантовой хромодинамике и теории Редже. Это важный вывод о том, что как ускорительные данные, так и данные, полученные в космических лучах до энергии 10 ПэВ описываются единой теоретической Стандартной Моделью.

В области более высоких энергий эксперимент «Памир» претендует на открытие нового явления – компланарного испускания частиц с наибольшими энергиями. Ранее на ускорителях такое явление не наблюдалось. Более того, очень трудно понять, каким образом наблюдаемая компланарность не замазывается вторичными взаимодействиями частиц в атмосфере Земли. Одна из гипотез Георгия Тимофеевича состоит в том, что сами вылетающие компланарно частицы необычны, а именно обладают большой проникающей способностью вследствие, по-видимому, очень малого коэффициента неупругости их взаимодействия с ядрами атомов воздуха. Эта идея сейчас находится в стадии расчёта и сопоставления с данными эксперимента «Памир». Если это так, то наблюдаемые явления будут резко несоответствовать Стандартной Модели, и, может быть, иметь выход на новую физику при сверхвысоких энергиях.

В заключение хочется от всей души пожелать выдающемуся физику и прекрасному человеку, Георгию Тимофеевичу Зацепину здоровья и новых выдающихся успехов во всех его многочисленных и интереснейших научных исследованиях.