Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Давно подмечена одна особенность ядерных сил: они зависят от того, как ориентированы механические моменты количества движения у взаимодействующих частиц. Возможно, ядерные силы создают из особым образом ориентированных протонов и нейтронов совершенно обособленную слоистую, пространственную структуру. В этих уплотненных слоях нуклоны сближаются друг с другом на расстояния меньшие, чем это обычно принято правилами общественного поведения в ядре. При этом, естественно, должна резко возрасти и плотность пи-мезонов, которыми они обмениваются. Это предполагаемое сгущение пи-мезонов получило название «пи-мезонный конденсат».

Теория пока ничего не говорит о том, насколько стабильно во времени образование «пи-мезонного конденсата»; и все-таки этот новый подход к внутреннему устройству ядер чрезвычайно интересен.

Рассуждая о строении ядерного вещества, физики обычно говорили о протонах и нейтронах, об их пространственном распределении, наконец, о ядерных силах, но не отводили никакой роли в структуре ядра возникающим и тут же исчезающим пи-мезонам — предметам межнуклонного обмена.

Очень может быть, что представление о ядре, состоящем только из протонов и нейтронов, так же мало похоже на настоящее ядро, как препарат клетки, приготовленный для изучения под микроскопом, на живую клетку.

Теоретики предлагают поставить специальные эксперименты по поиску «пи-мезонного конденсата». А. Мигдал считает, что обнаружить его можно, например, по рассеянию электронов больших энергий на ядрах с заранее ориентированными механическими моментами количества движения.

Большой интерес у экспериментаторов вызвало предложение шведского физика-теоретика Т. Эриксона: попробовать зарегистрировать реакцию между влетающими в ядра отрицательно заряженными пи-мезонами и пи-мезонами, принадлежащими ядерной структуре.

Несомненно, электроны подметили много интересного в ядерном веществе, а новые эксперименты с ними принесут, может быть, еще более важные сведения о ядре, хотя и эти сведения всегда будут страдать уже известной нам односторонностью.

— Сложная ситуация. Не заставишь же электроны посмотреть на ядро «другими глазами». Видимо, придется смириться с этим недостатком?

— Конечно, электроны сделали все, что могли. Поэтому экспериментаторы стали посылать в ядра новых наблюдателей.

— Очевидно, это были частицы, в чем-то главном совсем непохожие на электроны?

— На сей раз физики воспользовались сильно взаимодействующими частицами — протонами с большой энергией. Они-то и помогли заметить удивительные особенности в поведении ядерных нуклонов.

От новых «специалистов» по ядру никто не ждал каких-то сенсационных сведений о распределении ядерной материи в пространстве, хотя они и располагали большими возможностями по сравнению с электронами.

В экспериментах с быстрыми электронами удалось достаточно хорошо прозондировать распределение протонов в ядрах. Подразумевалось, что и нейтроны расположены аналогичным образом, так как они связаны с протонами силами ядерного притяжения. И физикам очень хотелось получить от новых разведчиков — быстрых протонов — прямое подтверждение этому предположению. Но основное преимущество ускоренных протонов — в идение ядра через призму сильного ядерного взаимодействия — было реализовано далеко не сразу.

Главная тема поначалу звучала очень неуверенно. Неудачной была заданная экспериментаторами форма для ее выражения: рассеяние протонов на ядрах. Протоны рассказывали обо всем увиденном куда менее вразумительно, чем электроны. В общем, результаты не противоречили тому, что уже было известно. В деталях же невозможно было разобраться из-за незнания законов ядерного взаимодействия. И этот важнейший инструмент исследований в физике элементарных частиц — протоны больших энергий — некоторое время использовался только в роли подсобного при изучении атомных ядер. Так продолжалось до тех пор, пока экспериментаторы не нашли для протонов тот жанр, в котором в полную силу заиграла их главная тема — сильное взаимодействие.

Ядерное вещество в максимальной степени «прозрачно» для протонов с энергией от 500 до 700 миллионов электрон-вольт. Они проникают на любую его глубину, прекрасно различают отдельные частицы и вступают с ними в ядерные реакции. Не рассеяние, а прямое взаимодействие с отдельным ядерным протоном, передача только ему части энергии — вот какая реакция превратила быстрые протоны в особый, незаменимый зонд ядерной структуры. Физики обозначают реакции такого типа символом «р; 2р», что означает: на ядро падает ускоренный протон и выбивает из него другой. В итоге ядро покидают два протона.

Но не всякий протон, выбитый из ядра, может сообщить что-то интересное о порядках, действующих в ядре, например о его оболочечной структуре. Если в реакцию с влетающим протоном-снарядом вступает все ядро в целом, то вылетающий при этом протон безнадежно обезличен. Он уже не знает, какое состояние и с какой энергией занимал в ядре.

Экспериментаторов же интересует такая реакция, когда протон-снаряд передает энергию непосредственно одному из ядерных протонов. Само ядро уже никоим образом не вмешивается в дележ энергии между двумя нуклонами. Регистрируя энергию двух, покидающих ядро протонов, одновременно попадающих в счетчики, и угол разлета между ними, физики легко могут рассчитать, какую энергию имел ядерный протон до столкновения.

Пятнадцать лет напряженной работы принесли свои плоды — экспериментаторы получили пространственное распределение протонов в различных ядерных оболочках для многих атомных ядер.

В реакции «р; 2р» ученым удалось даже измерить энергию, которую надо затратить для «ядерной ионизации» каждой оболочки, то есть для вырывания из нее протона.

Положение всех нуклонов в обществе под названием «оболочки» было наконец установлено абсолютно твердо. Результаты экспериментов полностью подтвердили расчеты, выполненные по этой модели. Радиус ядра, полученный путем суммирования распределения протонов во всех оболочках, совпал в пределах одного процента с измеренным в опытах по упругому рассеянию электронов.

Но экспериментаторы не закрывали глаза и на другие обстоятельства. Довольно часто быстрый протон передавал часть своей энергии не одному-единственному протону, а выбивал из ядра целую группу крепко связанных нуклонов — кластер, как ее называют физики.

Подобно сгусткам, напоминавшим земные предметы, которые наблюдал пилот Бартон в глубинах океана Соляриса, в ядерном веществе физики с помощью протонов находили образующиеся на короткое время разнообразные сгущения из нуклонов.