И.В.Ракобольская МЕЧТАЮ РАБОТАТЬ С ГЕОРГИЕМ ТИМОФЕЕВИЧЕМ ЗАЦЕПИНЫМ ЕЩЁ ДОЛГИЕ ГОДЫ...

Я знаю Георгия Тимофеевича Зацепина с 1938 года. Тогда он был ещё Юрой Зацепиным, учился на два курса старше нас, и иногда я встречала его в общей студенческой компании.

В 1941 г. мы заканчивали третий курс, а Юра уже пятый и увидела я его снова после войны, когда вернулась на четвёртый курс ядерного отделения. Г.Т.Зацепин работал ассистентом кафедры ядерной физики, и я сдавала ему какие-то спецкурсы. Он был неизменно вежлив и доброжелателен.

Дипломную работу мне предложил В.И.Векслер на подземной мюонной установке С.Азимова в метро «Кировская». Я должна была определить число дельта-электронов, образованных мюонами. Неожиданно, их оказалось больше, чем ожидали. Векслер немного удивился, а мне было не до того, я уходила в декретный отпуск.

Материалы моих измерений лежали. Векслер ушёл с отделения, и, когда я вернулась из отпуска, мне не к кому было обратиться, кроме Зацепина, и я поехала к нему. С тех пор, с 1948 года, непрерывно всей моей работой руководил Георгий Тимофеевич, и я всегда считала и считаю себя его ученицей, многим ему обязанной.

Он не удивился большому количеству дельта-электронов: «А ты подсчитай среднюю энергию мюонов на глубине 50 метров грунта», - предложил он. Мне было стыдно, что я не понимаю, как это сделать, и этот момент почему-то остался в памяти на всю жизнь. Я сказала, что не знаю, как считать среднюю энергию. Он не усмехнулся, ничто не дрогнуло в его лице. Он просто написал мне соответствующий интеграл и спокойно всё объяснил. С этого момента я никогда не стеснялась перед ним своей недостаточной грамотности (понятной после пяти лет службы в Армии) и приходила в их большую квартиру на Гоголевском бульваре со всеми своими вопросами. Зацепин согласился стать моим руководителем, и в 1949 году я защитила диплом.

Прошло несколько лет, я уже работала ассистентом на кафедре космических лучей, и мне предложили участвовать в эксперименте с большой камерой Вильсона, при помощи которой изучались стволы широких атмосферных ливней. Работа велась под руководством С.И.Никольского и Г.Т.Зацепина.

Сначала камера стояла в шестиграннике ФИАНа, а затем в течение одного лета на Памире (в экспедиции С.И.Никольского). Работало несколько человек, я занималась электронно-фотонной компонентой, её энергетическим спектром в стволе. Спектр получался более крутым, чем это следовало из каскадной теории.

И вот тогда Зацепин последовательно заставлял меня рассматривать всевозможные методические эффекты, о которых я и не подозревала. Аккуратно, согласно каскадной теории, определить, какой должен быть спектр электронов в стволе при заданных расстояниях от оси в исследуемом энергетическом интервале. Объяснить разницу полученных результатов с данными ионизационного калориметра, связанную с тем, что мы видели каждый индивидуальный ливень, а калориметр – сумму ливней с определённой площади, что-то я считала методом последовательных поколений и др. Здесь я увидела Зацепина, как прекрасного методиста, умеющего получить из эксперимента сущность физического явления, не искажённого методическими погрешностями и флуктуациями. Это глубокое внимание к вопросам методики, которым он меня научил, осталось со мной на всю жизнь. Он внимательно следил за моей работой, удивлялся, если я редко к нему обращалась. Не все руководители любят, чтобы к ним часто приставали с вопросами. Это никак не относилось к Зацепину.

Так вышла моя кандидатская диссертация, в которой я постаралась максимально тщательно рассмотреть и обсудить все методические моменты, которые могли исказить основной результат – мягкий спектр электронно-фотонной компоненты в стволе ШАЛ.

Некоторое время я искала для себя новую работу, но так трудно преподавателю войти в исследовательский коллектив, где все работают ежедневно, а ты можешь не более двух-трёх дней в неделю.

В конце шестидесятых годов появились удивительные результаты при исследовании потока мюонов космических лучей высокой энергии.

Ранее, энергетический спектр мюонов до энергий 1-2 ТэВ был получен в нескольких работах при помощи магнитных спектрометров и согласовывался с консервативной теорией генерации мюонов в процессах распада пи и К мезонов. Показатель степени наклона первичного спектра нуклонов, как и ожидалось, получился равным 1,6 +- 0,1. Такой же результат следовал из изучения кривой поглощения мюонов в грунте. Т.е. не наблюдалось никакой аномалии ни в процессах генерации, ни в процессах взаимодействия мюонов.

При переходе к более высоким энергиям использование магнитных спектрометров было затруднено, и стал применяться метод регистрации тормозных гамма-квантов, образованных мюонами в веществе. При этом изучался энергетический спектр мюонов, дающий сведения о спектрах генерации пи и К мезонов при взаимодействии нуклонов с энергией выше 10¹³ эВ с ядрами и следовательно о выполнении скейлинга при данных энергиях, если спектр нуклонов нам известен. Также исследовались зенитно-угловые распределения мюонов, позволяющие определять доли каонов и пионов, образованных во фрагментационной области при ядерном взаимодействии нуклонов с Е ~ 10¹³ эВ. При ещё больших энергиях распределение мюонов в зависимости от зенитного угла тэта должно описываться sec(тэта), если они генерируются в тех же процессах. Если же существует быстрое рождение мюонов непосредственно в ядерном взаимодействии, например, при распаде короткоживущих частиц, то оно должно привести к изотропизации зенитно-углового распределения мюонов.

В соляных копях Америки, в лаборатории Дж.В.Кейффеля было обнаружено изотропное распределение мюонов с энергией ~2 ТэВ.

В эти же годы в лабораториях ФИАНа и НИИЯФа с ионизационными калориметрами был получен удивительно пологий спектр мюонов, противоречивший консервативной теории и данным по поглощению мюонов в грунте. Для объяснения этих результатов требовалось предположить существование каких-то новых процессов, как генерации, так и взаимодействия мюонов с энергией большей 1 ТэВ для того, чтобы согласовать полученные результаты.

В связи с этим представлялось очень важным измерить области энергий мюонов 10¹² – 10¹⁴ эВ одновременно на одной установке зенитно – угловое и энергетическое распределения мюонов в максимально широком диапазоне зенитных углов. В мире таких установок не существовало.

Возникла идея использовать рентген-эмульсионные камеры (РЭК) большой площади под землёй. С.И.Никольский предложил мне: «Попробуй, может быть ты сумеешь сделать такую работу в университете»...

Для этого требовалось подземное помещение на небольшой глубине, сотни тонн свинца, тысячи квадратных метров рентгеновской плёнки, различная аппаратура и люди...

Я была одна и, конечно, прежде всего побежала к Зацепину. Он охотно согласился участвовать в этой работе. И практически все последующие годы при создании установки и получении результатов мы осуществляли его идеи.

Первая из них: камеры ставить не горизонтально, а под углами 45 – 60 градусов к горизонтальной плоскости для того, чтобы в одинаковых условиях регистрировать вертикальный и горизонтальный потоки мюонов и получать одновременно энергетический спектр и зенитно-угловое распределение мюонов во всём интервале зенитных углов от 0 до 90 градусов. Это простое предложение стало определяющим.

Чтобы быстро получить результаты, требовалось около тысячи тонн свинца. Совершенно серьёзно Зацепин сказал мне, что ещё лучше, чтобы пластины были из золота, попробуем получить их в аренду, а после экспонирования вернем. Я не помню сейчас, в какое министерство он ездил, не знаю, улыбнулись ли руководители такой безумной идее, но, естественно, отказали. Кстати, золото хранится в слитках, и оно нам всё равно бы не подошло. В чём-то это было характерно для Зацепина, ничто не казалось ему безумным или невозможным, если нужно для науки.

Помещение имелось в подвалах университета, но вещество над ним было «дырявое»- шахты, лифты, трубы, и было невозможно определить толщину слоя под различными углами. Мне удалось получить две большие комнаты бомбоубежища на станциях метро «Парк культуры» и «Кропоткинская». Идеально сухо, постоянная температура, высокие потолки, но... работать можно было только ночью – вход был с путей с 2 ч. ночи до 5 утра. Зато свинец, плёнку, каркасы камер подвозили нам прямо с вокзалов.

Перед этим мы обратились к ректору МГУ академику И.Г.Петровскому, и он охотно подписал письмо в Правительство о нашей работе с просьбой выделить свинец и плёнку - материалы были фондируемы. Положительное решение было принято... Но мечта Зацепина получить тысячу тонн свинца в аренду не прошла. Надо было его покупать. Университет нашёл деньги только на 250 тонн. Шосткинский химзавод разработал для нас плёнку нужных размеров: 1 м на 0,5 м и согласился поставлять её примерно в количестве 4 тысячи квадратных метров в год.

Где-то надо было её проявлять – не было такого места в Москве, и тогда НИИЯФ создал для этой работы проявочный центр снова в бомбоубежище, но уже университета.

Находились микроскопы и фотометры. Находились и люди – это преподаватели кафедры космических лучей, дипломники, лаборанты. В результате установка, которую мы назвали «мюон», была собрана из 144 камер. Каждая камера имела площадь 1х0,5м глубину 30 см,и через каждый сантиметр свинец был переслоен пакетами с рентгеновской плёнкой.

Уважая Зацепина и симпатизируя ему, мы между собой стали запросто называть его «ГТ».

Пока шла вся эта организационная работа, в ИЯИ АН под руководством Зацепина в его отделе был выполнен цикл теоретических работ, рассматривающих энергетические и зенитно-угловые распределения мюонов космических лучей в атмосфере и поглощение мюонов в грунте.

В расчётах учитывались как традиционные источники мюонов, распад пи и К мезонов, так и быстрая генерация их при распаде чармированных частиц, рожденных в ядерном взаимодействии. Проведенные расчёты позволили переходить от данных, полученных для тормозных фотонов, к распределениям мюонов, пионов и каонов и первичных нуклонов.

В отделе И.П.Иваненко (НИИЯФ) проводились расчёты для определения энергии электронно-фотонного каскада по величине потемнения, образованного электронами в круге определённого радиуса на заданной глубине в камере; были построены соответствующие каскадные кривые.

Постоянное внимание Г.Т. к методическим вопросам эксперимента заставило нас провести большой цикл методических работ. При определении энергии надо было учесть точность проявления, регрессию скрытого изображения, рассеяние света в фотометре и плёнке, слоистость свинцового поглотителя наличие зазора между плёнкой и свинцом. При построении спектра надо было учесть так называемую функцию искажения спектров из-за флуктуаций.

Точность определения энергии каскада проверялась при абсолютной калибровке метода по массе нейтрального пиона, распавшегося в мишени, помещенной над РЭК. Впервые такая установка экспонировалась у С.И.Никольского на Тянь-Шане, вторично, но значительно большей площади, на Памире.

Было показано, что энергия индивидуального каскада в интервале 2-5 ТэВ определяется без смещения с относительной ошибкой, равной 20%. К сожалению, для больших энергий такую калибровку провести не удалось.

Уже самые первые результаты, полученные на установке «мюон» показали, что при энергиях мюонов от 2 до 10 ТэВ они генерируются в процессах распада пи и К мезонов, спектр которых описывается консервативной теорией со значением показателя степени равного 1,65 ~ 0,05.

Американские физики активно обсуждали с нами данные, пересмотрели свою работу, нашли у себя ошибку и отказались от своих прежних выводов.

Мы продолжали экспозицию с целью получить уверенную статистику и исследовать процессы при энергии выше 10 ТэВ.

В конце работы мы изменили конструкцию камер и стали располагать их горизонтально, т.к. хотели увеличить число зарегистрированных событий от вертикального потока мюонов.

Всего за годы экспозиции было зарегистрировано более 20 тысяч каскадов, но примерно в 25% случаев потемнение было так мало, что его можно было найти только при помощи собственных глаз, а профотометрировать не удавалось. При построении спектра был найден энергетический порог, выше которого регистрировались события со 100%-ной вероятностью.

Таким образом в дальнейшее рассмотрение вошло около 8,5 тысяч каскадов, образованных тормозными фотонами с энергией, большей 2 ТэВ, с углами прохождения через камеру от 0^о до 72^о и зенитными углами от 0^о до 89^о.

Рассматривались как глобальный спектр ЭФК, так и раздельно спектры каскадов от вертикального 0^о – 60^о и горизонтального 60^о – 89^о потоков мюонов, а также, с использованием полученных зенитно-угловых распределений, оказалось возможным для сравнения с данными магнитных спектрометров привести спектры к 0^о и к 89^о. Из полученных данных восстанавливались энергетические спектры атмосферных мюонов. Как показали расчёты, горизонтальный поток мюонов в области энергий до 50 ТэВ (экспериментально было зарегистрировано только одно событие, вызванное мюоном с энергией <100 ТэВ. До сих пор это единственный случай в мире) практически нечувствителен к доле мюонов быстрой генерации и отражает спектр пионов и каонов, рождённых при ядерных взаимодействиях первичных нуклонов. В результате анализа было получено значение показателя степени спектра пионов и каонов равные 1,68 +- 0,05, соответственно показатель степени спектра первичных нуклонов был получен равным 1,65 +- 0,05 в энергетическом интервале 20 – 400 ТэВ.

Зенитно-угловое распределение фотонов со средней энергией 2,2; 3,0; 4,0 ТэВ лучше всего описывалось расчётными кривыми, полученными в предположении, что доля каонов, рождённая в акте, составляет 12-17%.

В то же время при больших энергиях было получено уположение вертикального спектра мюонов выше 10 ТэВ, что указывало на существование процессов быстрой генерации мюонов.

Для того, чтобы определить долю таких процессов, Г.Т. предложил проанализировать отношение числа событий, образованных вертикальным потоком мюонов, к числу событий от горизонтального потока в зависимости от энергии тормозных фотонов.

Полученное распределение лучше всего описывалось кривой, которая учитывала рождение мюонов при распаде чармированных частиц. Также из рассмотрения вертикального спектра следовало допустить, что доля генерации быстрых мюонов равна (0,2-0,4)%, что соответствует сечению рождения очарованных адронов, равному 1-2 мб при энергиях первичных нуклонов 100 ТэВ.

Очень важно отметить, что это распределение практически не зависело от всех тех поправок, которые были внесены при определении энергии, т.к. они были одинаковыми и для вертикального, и для горизонтального потоков, и могли привести лишь к небольшому сдвигу по шкале энергии. Тот факт, что такой же вывод относительно вклада быстрых мюонов был сделан и из вертикального энергетического спектра, показывает самосогласованность результатов и корректность всего метода получения данных по рентген-эмульсионным камерам.

Однако хотелось уменьшить статистические ошибки, получаемые при раздельном рассмотрении энергетического и углового распределений. Для этого Г.Т. предложил провести многопараметрический анализ экспериментального материала по энергетически-угловым распределениям ЭФК. Эту работу согласился выполнить Н.Н.Калмыков. Ему пришлось провести более подробные теоретические расчёты дифференциальных распределений мюонов и ЭФК, генерированных в РЭК.

В результате проведенного анализа было получено значение показателя степени первичных нуклонов, равное 1,64 +- 0,03, что соответствует показателю степени спектра пи и К мезонов, равному 1,67 +- 0,03 и эффективного сечения рождения чарма 1,7 +- 0,5 мб/нуклон при энергии нуклона 100 ТэВ. Доля быстрых мюонов по отношению к доле пионов меняется при этом от (0,26 +- 0,08)% при энергии мюона равной 5 ТэВ до (0,33 +- 0,10)% при Е_мю = 40 ТэВ.

Так закончилось исследование, начатое более 20 лет назад. Впервые была создана и проэкспонирована под землей крупномасштабная установка из многослойных свинцовых РЭК для изучения процессов генерации мюонов космических лучей высокой энергии, светосила её составила 3.10¹⁷ г.с.стер. Эта установка позволила одновременно определять энергетические и зенитно-угловые распределения мюонов в интервале зенитных углов 0 – 89^о и энергий мюонов 3-60 ТэВ.

Была проведена большая серия теоретических расчётов, необходимых для определения энергии тормозного фотона в камере и для перехода от энергетических и зенитно-угловых распределений фотонов к таким же распределениям для мюонов.

Были рассчитаны ожидаемые распределения мюонов от традиционных источников их генерации при пи и К-распадах, а также при распаде чарма.

Разработан метод определения энергии ЭФК в глубокой свинцовой РЗК, в частности, экспериментально показана необходимость учитывать эффект Л.П.М. при энергии фотона выше 10 ТэВ.

Показано, что при ядерных взаимодействиях нуклонов с энергией 20-60 ТэВ образуется 80% пионов и 20% каонов.

Получено указание на значительный вклад быстрых мюонов, рождённых при распаде чармированных частиц. При энергии нуклонов, равной 100 ТэВ, эффективное сечение рождения чарма определено как 1,7 +- 0,5 мб.

Проведённый анализ дал хорошее согласие экспериментальных данных с консервативным представлением о наклоне первичного энергетического спектра нуклонов, где показатель степени равен 1,64 +- 0,03 в энергетическом интервале 20 – 400 ТэВ.

На разных этапах сборки, обработки, теоретических расчётов и анализа экспериментальных данных принимали участие преподаватели кафедры космических лучей, сотрудники НИИЯФ, ФИАН и ИЯИАН.

Уже в 1975 году были защищены четыре кандидатские диссертации преподавателями и сотрудниками. Г.Т. не раз говорил со мной, что мне надо защищать докторскую, торопил меня, убеждал. А я была не очень уверена в себе и, кроме того, загружена другой работой: лекции на кафедре, ФПК, работа в лаборатории. Торопил меня и Р.В.Хохлов, тогда ректор МГУ.

Но если бы не Г.Т., я никогда не вышла бы на защиту, и то, что она состоялась, во многом было определено им.

В 70-ые годы Г.Т. предложил мне проэкспонировать камеры на больших высотах в атмосфере, чтобы определить спектр пи⁰-мезонов и сравнить со спектром пи^+-- мезонов, найденном в мюонном эксперименте. Мы договорились с ВВС, с Вольской аэростатной частью, и начали проводить измерения на высоте 30 км, поднимая камеры при помощи баллонов. Эта часть работы была поручена В.И.Зацепину, с результатами которого по спектру первичных протонов Г.Т. никогда не соглашался, не было единой точки зрения и у других учёных. В 1995 году японские физики предложили Т.М.Рогановой провести исследования спектра и химического состава первичных космических лучей высоких энергий с помощью созданной ими установки, подняв её на большие высоты на наших баллонах. Работа началась совместно с ФИАНом и кафедрой космических лучей. Состоялось уже четыре удачных полёта. И снова с нами Г.Т. на всех обсуждениях, семинарах, при всех разговорах с начальством о необходимых средствах.

В 70-ые годы началась большая работа на установке из рентгено-эмульсионных камер на Памире. Мы участвовали в этой работе. И, конечно, участвовал Г.Т.Зацепин. О его роли в этом эксперименте, я думаю, расскажет С.А.Славатинский.

А что еще говорить мне, 15 лет Г.Т. заведует кафедрой космических лучей, а я являюсь его заместителем. Всегда корректный, отзывчивый и добрый к студентам и преподавателям, он никогда не жалеет своих сил и времени, чтобы решать кафедральные вопросы с деканом и даже, чтобы составить указания для студентов, как должна быть оформлена дипломная работа, какого размера должны быть буквы на трансперенси и даже как надо писать «расчёт» и «рассчитанный».

Мы и летом жили на соседних участках на даче. И Г.Т.Зацепин был учителем всех детей. Несколько лет под его руководством мои сыновья делали ракеты. Обычно они не взлетали. Но каждый раз ватага мальчишек вместе с ним отправлялась в поле на запуски. Помню, что взлетели ракеты дважды, приземлившись при этом один раз на крышу соседа, другой раз на стадо коров. Учил он ребят и разным физическим упражнениям и тому, как можно пронырнуть университетский бассейн, не всплывая.

Кроме того, мне хотелось бы отметить, что я никогда не слышала, чтобы Г.Т. отозвался плохо о каком-либо сотруднике. О работах – слышала, и довольно резко: «это дрянная работа», «результаты неверные, автор не учитывает данные других работ» и т.п.

Г.Т.Зацепин – Интеллигент с большой буквы в лучшем понимании этого слова, известный учёный с широким спектром научных интересов. Я с гордостью считаю себя его ученицей и мечтаю о том, чтобы работать с ним ещё долгие годы.