Бег за бесконечностью - Александр Потупа

Где прячутся кварки?

Итак, все эксперименты свидетельствовали в пользу сложной структуры адронов. Физикам стало ясно, что адроны выглядят как чрезвычайно плотные сгустки вещества с радиусом порядка 10–13 сантиметра. Однако до поры до времени зондирование адронной структуры проводилось не слишком глубоко. Грубо говоря, результаты экспериментов позволяли представить себе внешний слой адрона, но его внутренние области практически не были изучены.

В 1968 году в небольшом калифорнийском городе Стэнфорде был запущен новый ускоритель электронов с энергией до 20 ГэВ. Несмотря на сравнительно скромное значение этой величины, по сравнению с параметрами протонных синхротронов, Стэнфордский ускоритель стал выдающимся достижением инженерно-физической мысли; ведь электроны ускорять значительно трудней, чем, например, протоны или атомные ядра. Дело в том, что электроны значительно легче протонов и гораздо активней теряют энергию на электромагнитное излучение, затрудняя тем самым процесс ускорения.

Новая установка позволяла заглянуть в адрон намного глубже, чем все предыдущие. Физики фактически впервые получили возможность непосредственно изучать процессы взаимодействия на расстояниях порядка 10–15 сантиметра, то есть в 100 раз меньших собственного размера адрона!

Конечно, исследователи были уверены, что столь уникальный инструмент для зондирования структуры принесет ценнейшую информацию. Но вряд ли они представляли себе, что самые первые эксперименты дадут совершенно обескураживающие результаты…

Сразу же после запуска ускорителя группа В.Панофского приступила к опытам, которые были задуманы как продолжение хофстэдтеровских работ. Пучок электронов, полученный в ускорителе, выводился на водородную мишень, и измерялось распределение провзаимодействовавших электронов по углам рассеяния и по энергиям.

При этом отбирались главным образом два типа событий: во-первых, случаи упругого рассеяния, в которых электрон передавал протону большой импульс, и, во-вторых, акты, в которых электроны теряли не только большой импульс, но и большую энергию на рождение новых адронов.

С упругим рассеянием электронов на протонах все обстояло как нельзя лучше — новые экспериментальные данные просто продолжали ту же самую закономерность, которая была установлена еще в опытах Р. Хофстэдтера, и не показывали каких-либо резких изменений при переходе к меньшим расстояниям. Хотя характер распределения заряда в глубине протона оставался непонятным.

Зато акты неупругого соударения, в которых электроны передавали протонам большой импульс и теряли большую энергию на рождение новых адронов, выстраивались в крайне странную картину — протон как бы… терял структуру. Поведение наблюдаемых распределений становилось очень похоже на тот эталон, теоретическую формулу, которая была предназначена для описания взаимодействия точечных зарядов.

Получалось так, что в глубоко-неупругих процессах (так было названо рассеяние с передачей большого импульса и большой потерей энергии на образование новых адронов) электрон испытывал соударение с точечным зарядом. Противоречие?

Конечно, если только предположить, что электрон должен «видеть» структуру протона всегда одинаково независимо от ситуации. Но такая точка зрения неудовлетворительна даже в обычной повседневной жизни — восприятие структуры любого объекта или явления сильно зависит от нашего функционального взаимоотношения с ним. Простой пример. Зевака на перекрестке и мастер, копающийся з моторе, видят структуру автомобиля совсем по-разному: первый воспринимает общую форму, второй — отдельные детали.

В конечном итоге такого же типа различие должно было проявляться и при зондировании адронной структуры электронными пучками. Упругое рассеяние с не очень большой передачей импульса позволяло увидеть протон в целом, как единое образование. А вот глубоко-неупругие процессы, в которых возбуждались внутренние области протона и имело место частичное нарушение его целостности, вполне могли давать информацию об отдельных тонких деталях строения.

Любопытно, что о возможности резкого отклонения от хофстэдтеровских результатов при переходе к неупругим реакциям еще в 1964 году писал академик М. Марков. Однако это замечание до поры до времени не находило должного отклика — большинство физиков все-таки надеялись, что адроны сохранят структуру рыхлого облака вплоть до самых малых расстояний.

В связи с результатами стэнфордских экспериментов немедленно возник вопрос: на чем же все-таки рассеивается электрон, неужели протон в глубоко-неупругих процессах выглядит как настоящая бесструктурная точка? Как теперь связать это представление с тем, что известно из прежних экспериментов по исследованию структуры адронов, которые ясно указывали на конечный, вполне определенный размер протона?

В 1969 году американский теоретик Р. Фейнман высказал простую (потрясающе простую!) гипотезу, что протон в глубоко-неупругих процессах предстает не в виде рыхлого облака, а как набор каких-то бесструктурных частиц, партонов (от английского: part — часть). Передавая протону большой импульс, электрон на самом деле испытывает рассеяние на отдельном партоне, а механизм этого рассеяния совершенно обычный — обмен квантом электромагнитного поля — фотоном. Отсюда ясно, что, по крайней мере, некоторая часть партонов обязательно должна нести электрический заряд.

Если при этом очень велика и теряемая электроном энергия, то партон выглядит как совершенно свободная частица, его связи с другими партонами внутри протона как бы рвутся.

Фотон, которым обмениваются электрон и партон, словно фиксирует моментальную фотографию глубокого строения протона. Время взаимодействия этого фотона с партоном намного меньше, чем характерное время взаимодействия самого партона с другими элементами протонной структуры. Поэтому фотон «видит» как бы застывшую картину — почти неподвижные партоны внутри протона.

После жесткого удара партон, получивший очень большой импульс за очень малое время — буквально это означает, что на него подействовала очень большая сила, — резко меняет направление движения, вызывает в протоне изрядную суматоху среди своих собратьев. Теперь протон практически не может сохранить целостность, скорее всего он развалится на несколько «партонных пачек», которые и будут зарегистрированы как новые реальные адроны.

Напротив, в соударениях с малой передачей импульса отдельные партоны получают лишь слабые толчки, связи между ними не могут разорваться, и протон испытывает взаимодействие с электроном как нечто целое. В этом случае вероятность развала протона мала. Поэтому в таких соударениях партонная структура протона просто не видна. Чтобы почувствовать партоны, электрон должен непременно передать протону очень большой импульс, то есть пройти как можно ближе к центру протона. При этом он будет тем отчетливей видеть партоны как особые частицы, чем быстрее фотон успеет поглотиться партоном. Но для быстрого поглощения необходимо, чтобы электрон передал партону и достаточно большую энергию. Чем больше эта энергия, тем отчетливее получается «фотография» партонной структуры.

В сущности, это похоже на известное каждому фотолюбителю правило нельзя получить хороший снимок, если характерный период движения объекта съемки того же порядка, что и время выдержки…

Качественно проявление партонной структуры очень напоминает картину прохождения электронного пучка не особенно большой энергии сквозь тонкую пленку вещества. Наблюдаемые при этом события четко делятся на два класса большинство электронов рассеивается на чрезвычайно малые углы, лишь слабо отклоняясь от оси начального пучка, и только малая часть разлетается на сравнительно большие углы. Первый тип событий обусловлен многократными случайными соударениями с атомами, на которых теряется очень малая часть импульса. Во втором случае происходит резкое соударение с атомными электронами — именно здесь и проявляется зернистая структура вещества пленки.

Не лишним будет и напоминание о резерфордовских экспериментах по обнаружению атомных ядер. В сущности, именно те соударения альфа-частиц с ядрами, в которых передавались большие импульсы, и альфа-частицы неизбежно отклонялись на большие углы, позволили увидеть ядерную структуру атомов.

Судя по этим аналогиям, экспериментальные результаты группы В. Панофского и их интерпретация Р. Фейнманом означали прорыв к своеобразному субэлементарному уровню. Еще бы! Ведь обнаружены бесструктурные, а следовательно, скорее всего истинно элементарные (!) составные части адрона!

Это впечатление еще более укрепилось, когда советские теоретики В. Матвеев, Р. Мурадян и А. Тавхелидзе из Объединенного института ядерных исследований в Дубне показали, что партоны, вероятнее всего, являются кварками. Выяснилось, что не только в глубоко-неупругом рассеянии электронов на адронах, но и в любом процессе, где адрону передается большой импульс, он (адрон) выглядит именно так, как этого требует кварковая модель. Барионы ведут себя в таких реакциях как система трех почти свободных кварков, а мезоны — как система из кварка и антикварка.