Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

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.

Кажется, все ясно!

Однако керн и мезонная оболочка — это еще не вся структура протона. Его электрический заряд испускает кванты электромагнитного поля. И хотя время, которое эти кванты живут, покуда протон не поглотит их обратно, очень мало, некоторые из них успевают превратиться в пару частиц, электрон и позитрон, которые затем быстро аннигилируют, снова превращаясь в гамма кванты. В результате наряду с мезонным облаком вокруг протона успевает образоваться облако электрон-позитронных пар. Его плотность мизерна — несравнимо меньше, чем плотность мезонов на периферии протона. Это как бы ультраразреженная стратосфера вокруг планеты-протона. Электроны и позитроны намного легче мезонов, слабее связаны с ядром протона и поэтому могут удаляться на гораздо большее расстояние от его центра. Облако этих частиц почти в 100 раз больше облака мезонов и очень подвижно — оно легко изменяет свою форму под действием внешних полей. И вот расчет показывает, что, несмотря на разреженность электрон-позитронной стратосферы протона, ее поляризуемость в электромагнитных полях должна быть приблизительно в 1000 раз больше, чем у облака мезонов.

Но почему же тогда опыты с рассеянием гамма-квантов показали значительно меньшую величину — только ту, что соответствует деформации мезонной оболочки? Может быть, в наши представления о слоистом строении протона вкралась ошибка?

Нет, дело в другом — в условиях измерении. Чем дальше от центра протона взаимодействует гамма-квант, тем слабее действующие там силы, а следовательно, меньше и угол, на который отклоняется гамма-квант от своего первоначального направления. Поэтому те кванты, которые испытали взаимодействие с удаленной электронно-позитронной оболочкой и несут информацию о ее свойствах, рассеялись на очень малые углы. Но здесь все забивает пучок первичных нерассеявшихся гамма-квантов. Отстроиться от этого пучка чрезвычайно трудно, поэтому измерения удается выполнить лишь для больших углов, а туда попадают только те гамма-кванты, которые взаимодействуют с мезонной оболочкой протона. Сведений об электрон-позитронной стратосфере там нет. Другими словами, в опытах с рассеянием гамма-квантов мы рассматриваем протон под таким углом зрения, что просто не видим его электронных облаков. Рассказать об их свойствах могут пока только теоретики.

Еще труднее изучать деформацию нейтрона. В природе нет мишеней, которые состояли бы из одних нейтронов. Для изучения деформаций нейтрона приходится использовать атомные ядра, куда наряду с нейтронами входят и протоны. А это вносит дополнительные ошибки, так как строение атомных ядер и действующие в них силы мы знаем еще недостаточно. Вот почему зондировать строение нейтрона намного труднее, чем протона.

Первая попытка выяснить, деформируется ли нейтрон электрическим полем, была предпринята в Физико-энергетическом. институте в Обнинске, под Москвой. Два сотрудника этого института, Игорь Бондаренко и Юрий Александров, придумали, как превратить атомное ядро из помехи, из врага, в друга, облегчающего измерения. Они предложили изучать рассеяние пучка нейтронов мишенью из очень тяжелых ядер и на очень малые углы, куда попадают лишь те нейтроны, которые

взаимодействуют с далекой периферией ядра. Ядерные силы там слабы, а электрические, наоборот, велики. Они будут деформировать нейтроны, и это должно привести к дополнительному рассеянию.

Опыты дали удивительный результат: получалось,

что по сравнению с протоном нейтрон — очень мягкая частица. Его способность к деформации в сотни раз превзошла деформацию мезонной оболочки протона ту, что наблюдалась в опытах с гамма-квантами.

Это было совершенно неожиданно и совершенно не понятно. Ведь все экспериментальные и теоретические данные говорили за то, что мезонные облака внутри нейтрона перекрываются таким образом, что происходит почти полная компенсация их зарядов. А электрически нейтральная частица не может испускать электромагнитные кванты, и вокруг нее не может образоваться облако электрон-позитронных пар. Поэтому жесткость нейтрона, казалось бы, должна зависеть только от его внешней мезонной оболочки. Природа сил, стягивающих эту оболочку, та же, что и у протона. Почему же тогда она такая мягкая по сравнению с протоном?

Этот вопрос долго интриговал физиков. Потребовалась целая серия новых опытов и многолетние теоретические расчеты, прежде чем удалось выявить некоторые неизвестные ранее особенности ядерных взаимодействий, проливших свет на мягкость нейтрона.

В науке так иногда бывает: кажется, что открыто новое явление, а потом находятся еще не использованные резервы старой теории, и жар-птица ускользает из рук. Так случилось и в этот раз. Споры о причинах аномального поведения нейтронов в столкновениях с тяжелыми ядрами все еще идут, но все равно уже ясно, что это поведение никак не связано с эффектами деформаций.

В этом убеждают нас, например, опыты по взаимодействию гамма-квантов с ядрами тяжелого водорода дейтерия. Эти ядра состоят из протона и нейтрона, поэтому если известна деформация протона, то можно обнаружить деформацию и у нейтрона. Конечно, для этого опять-таки приходится учитывать ядерные силы, но для простого ядра дейтерия это можно сделать значительно точнее, чем для тяжелых ядер. Так вот, из опытов с дейтерием следует, что по своей жесткости протон и нейтрон не слишком различаются между собой. Их деформации — одного порядка.

Как ни странно, у короткоживущего пи-мезона многие свойства изучены лучше, чем у нейтрона. Правда, мы говорим о заряженных мезонах: время жизни нейтрального пи-мезона в 100 миллионов раз меньше и его внутренние свойства вообще еще не изучались в опыте. А вот заряженные пи-мезоны, хотя и входят в состав протона, имеют размеры почти такие же, как и сам протон. Близкой оказывается и величина жесткости этих частиц. Это объясняется тем, что размеры кварков, из которых «слеплены» элементарные частицы, очень малы. Кварки — почти точки. Поэтому величина системы определяется не размерами кварков, а расстояниями между ними, то есть радиусом действия глюонных сил. А этот радиус — такая же неизменная, универсальная постоянная, как заряд электрона или скорость света.

Но тогда мы вправе ожидать, что жестокость всех сильновзаимодействующих частиц (адронов) приблизительно одинакова, одного порядка. Экспериментальных данных на этот счет пока нет, но некоторые сведения получить все-таки можно, если учесть симметрию в семействах кварков и антикварков. Поскольку адроны — различные комбинации членов этих семейств, между их свойствами также можно установить зеркальные соотношения. Например, получается, что жесткость протона должна быть совершенно такой же, как и у сигма-минус-гиперона Σ-, жесткость нейтрона равна жесткости тяжелого кси-нуль-гиперона Ξ° и так далее. Аналогичными соотношениями связаны мезоны.

Есть основания думать, что легкие частицы — мю-мезоны, электрон, позитрон — тоже испытывают деформации во внешних полях. Но так как эти частицы по крайней мере в тысячу раз меньше адронов, их деформации, по-видимому, очень малы. Быть может, в миллиард раз меньше, чем у адронов.

Скульптуру элементарного мы только еще начинаем познавать. Дальше шаров, сигар, чечевичных зерен пока не пошли. Но разве не может быть в этом мире тонких и толстых баранок, дисков, гантелей или еще более сложных фигур? Ведь есть же предсказания (и небезосновательные), что ядра некоторых сверхтяжелых элементов имеют форму бублика и даже полого пупыря.

Особенно сложные формы такого рода объекты могут принимать в ультрамалых областях, где возможно изменение самой топологии пространства, например его размерности. В одном месте оно может быть трехмерным, в соседней области — четырех- или пятимерным. По-разному изогнутым и скрученным. А на границах переходы, которые трудно даже выразить словами. Это скорее, образы искусства, нежели науки.

Между прочим, наука и искусство имеют значительно. больше общего, чем это принято думать. Есть два способа приобретения знаний об окружающем мире — логический, связанный с осознаваемой деятельностью нашего рассудка, и в основном выражаемый словами или иными знаками, и интуитивный, зависящий от скрытой работы нашего подсознания, когда происходит как бы непосредственное восприятие, усмотрение факта. Хотя резкой границы между ними нет, можно с уверенностью сказать, что в науке логический способ рассуждения преобладает. Однако без интуиции, путем одной логики, наука развиваться не может. Основанные на строгих законах логики компьютеры успешно доказывают теоремы (бывали даже случаи, когда они открывали еще неизвестные), но все это делается в жестких рамках программ. Изменить их, то есть создать новую теорию, компьютер не может. Одной логики для этого недостаточно. Лежащие в основе науки процессы творчества в значительной степени имеют интуитивный характер.