Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

Не устаешь удивляться особенностям элементарных частиц! Обладают сложной структурой, разнообразием форм, и вместе с тем это последние, неделимые дальше крупинки вещества. Если верна гипотеза «кварковой тюрьмы» — конфаймента, то расщепить их на более мелкие составные части никогда не удастся.

Частицы могут изменять свою форму — растягиваться или сжиматься. Это когда на них действуют внешние силы. Если частицы расположены далеко друг от друг и действующие между ними силы не очень велики, деформацией частиц можно пренебречь и считать их «жесткими». Но вот как они поведут себя в сильных полях, когда они пролетают близко друг от друга или даже сталкиваются друг с другом?

Чтобы представить себе, что тогда может произойти вспомним, как ведет себя в электрическом поле атом. Он поляризуется: орбиты его электронов смещаются, вытягиваются вдоль силовых линий поля, и он становится электрическим диполем. Если смещения орбит не слишком велики, то величина диполя пропорциональна напряженности электрического поля. Коэффициент пропорциональности называется электрической поляризуемостью. Эта величина хорошо известна; ее значения для разных атомов и молекул указаны в справочниках. Она как раз и характеризует степень жесткости атома. Чем жестче атом, тем меньше его поляризуемость. Для абсолютно жесткого, недеформируемого атома поляризуемость была бы равна нулю.

Так что же произойдет в сильном электрическом поле с протоном? Останется он по-прежнему похожим на заряженный шарик или же, подобно атому, вытянется в направлении поля?

Конечно, величина деформаций частицы зависит не только от того, насколько она жестка. Важное значение имеют также ее размеры. Силы внешнего поля действуют на каждую дольку вещества частицы, поэтому общее усилие, которое деформирует частицу, пропорционально ее объему. Другими словами, при одинаковой жесткости большую частицу легче сжать или растянуть, чем маленькую. И деформируемость протона должна быть во много раз меньше, чем у атома, ведь радиус протона в 100 тысяч раз меньше самого маленького из них — атома водорода.

Но, может быть, свойства внутрипротонного вещества совсем не похожи на свойства других физических тел и протон вообще нельзя деформировать? Когда имеешь дело с элементарными частицами, надо предусмотреть и проверить все. Кто мог бы предсказать заранее, что протон, неделимая и элементарная частица, на самом деле представляет собой сгусток, каплю полурастворившихся в энергии взаимодействия, почти потерявших свою индивидуальность частиц, которые, в свою очередь, состоят из кварков? Неожиданности подстерегают физика здесь на каждом шагу.

Первыми за дело взялись теоретики. Задача, стоявшая перед ними, была очень трудна — ведь строгой теории, которая позволяла бы рассчитать внутреннее строение, элементарных частиц, не существовало. Нет ее и сегодня. Тем не менее группе теоретиков в Дубне и в Москве удалось вывести формулы, которые связывали электромагнитную деформацию протона и нейтрона с другими, уже измеренными на опыте величинами. После этого удалось вычислить и деформацию частиц.

О своей работе теоретики рассказали на международной конференции физиков в Венеции. Недалеко от площади Святого Марка, единственной площади изрезанного каналами города, расположен небольшой городок Сан Джорджио со старинными монастырскими постройками. Туда от площади ходит небольшой пароходик. Там в одном из залов, с желтыми дубовыми скамьями и черным распятием на белой стене, и проходили заседания конференции. Советский доклад был встречен сдержанно. В теоретическом отношении он был безупречен, но с экспериментальной точки зрения большинству участников конференции показался бесперспективным. Из формул следовало, что в сильном электрическом и магнитном полях протон и нейтрон действительно должны поляризоваться — сжиматься и растягиваться, но величина таких деформаций крайне мала — в 100, а может быть, и в 1000 триллионов раз меньше, чем атома водорода.

Чтобы наглядно представить себе величину этих деформаций, вообразим, что протон находится возле границ тяжелого атомного ядра. Здесь действует самое сильное электрическое поле, какое только нам известно в природе. Если бы мы захотели создать такое поле в плоском конденсаторе с расстоянием между пластинами в 1 сантиметр, нам потребовалось бы напряжение в 10 триллионов вольт. Так вот, под действием такого колоссального поля протон изменит свои размеры менее чем на одну-две десятых доли процента. В реальных экспериментах электрическое поле намного слабее, значительно меньшей будет и деформация. Ясное дело, что измерение такой малой величины — дело очень далекого будущего. И есть ли смысл особенно задумываться на ним? Уж очень тонким должен быть эксперимент.

Но что интересно — сама по себе жесткость внутрипротонного вещества сравнительно невелика, она всего лишь раз в 10 превосходит жесткость атомов — больших и рыхлых систем по сравнению с протоном. А что протон деформируется все же очень слабо, объясняется в основном малыми размерами этой частицы.

Нет, эксперимент возможен, и ждать его придется не так уж долго! Идея опыта родилась в физическом институте имени П. Н. Лебедева, в группе, которой руководили теоретик А. М. Балдин и экспериментатор В.И. Гольданский. Теперь и тот и другой уже академики, а тогда они были мало кому известными молодыми научными сотрудниками и, конечно, участниками шумных туристских походов и альпинистских восхождений.

Если протон изменяет свою форму в зависимости от действующего на него поля, то это должно происходить и при рассеянии гамма-квантов на протоне, под действием их электромагнитного поля. Протон в таком поле вытянется, а вытянутый протон должен взаимодействовать с гамма-квантом иначе, чем круглый. Рассеяние пучка гамма-квантов будет отличаться от рассеяния на строго сферическом протоне, появится дополнительная величина, связанная с деформацией. Измеряя ее, можно в принципе определить и величину деформации протона.

Сама по себе идея нехитра, но осуществить ее на практике крайне трудно. Прежде всего потребуется чрезвычайно высокая точность эксперимента, ведь деформация очень мала, и необходимо исключить десятки причин, которые могли бы замаскировать ожидаемый эффект. Кроме того, надо еще тщательно подобрать анергию гамма-квантов. Если она будет слишком мала, кванта не хватит на то, чтобы растянуть протон, а если, наоборот, слишком велика, в игру вступят другие детали структуры протона, которые заслонят собой вклад поляризуемости. Участники дискуссий на острове Сан Джорджио не напрасно сомневались в успехе опытов.

И тем не менее В. И. Гольданскому и его сотрудникам такой эксперимент выполнить удалось. Он был настолько сложен, что в течение целых 15 лет оставался единственным. Лишь недавно другая группа сотрудников ФИАНа сумела повторить его, применив еще более совершенную методику.

Труды не пропали даром — результаты экспериментов определенно свидетельствовали о том, что протон действительно деформируется в поле рассеивающегося гамма-кванта, и величина этой деформации находится в согласии с предсказаниями теоретиков. Более того, в опыте удалось расщепить деформацию протона на две части: на деформацию под действием одного лишь электрического поля и деформацию под действием поля магнитного. Магнитная деформация оказалась еще меньшей, чем электрическая: приблизительно раз в 10. Правда, точное ее значение пока измерить не удалось, но то, что «магнитная жесткость» протона на порядок больше «электрической жесткости», уже не вызывает сомнений.

Результаты экспериментов были очень важными. И не только потому, что удалось получить сведения, необходимые для построения моделей, которые позволили бы еще глубже заглянуть внутрь частиц. Физики суме-ли впервые воздействовать на свойства частицы. Не просто наблюдать эти свойства, а именно воздействовать на них, изменять их! Это был принципиально новый шаг в исследовании субъядерных явлений. Новое обоснование получило также положение о том, что структура окружающего нас мира бесконечно многообразна! Элементарные частицы не только ведут себя как чрезвычайно сложные пространственно-протяженны системы, но и обнаруживают способность изменять свои свойства. А из этого, если вдуматься, следует очень очень многое...

Опыты московских физиков хорошо согласовались с представлением о протоне как о сложной частице, состоящей из крепко сцементированного ядра (керна) и разреженной оболочки периферических мезонов. Такую оболочку, естественно, легче деформировать, чем плотную сердцевину протона. И хотя масса вещества в мезонном облаке сравнительно невелика — в этом физики убедились еще давно, когда «просвечивали» протон пучками быстрых электронов,— расчет показывает, что результаты опытов с гамма-квантами можно целиком объяснить деформацией только этого облака. Деформация керна почти ничтожна.