Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Модель оболочек предсказывает скопление альфа-частиц на поверхности ядра от 100 процентов в легком ядре лития-6 до одного процента для ядра кальция-40. Но как обстоит дело на самом деле, еще неясно. Результаты некоторых экспериментов кажутся весьма прозрачным намеком на то, что альфа-частиц на поверхности гораздо больше, чем это следует из модели оболочек. Возможно, это так, и тут уж ничего не поделаешь. Как говорил А. Эйнштейн: «Все, что мы знаем о реальности, исходит из опыта и завершается им».

Однако и поверхностный слой, за толщину которого принимают расстояние по радиусу от точки, где плотность равна девяти десятым от значения плотности в центре, до точки, в которой она падает до одной десятой, еще не самый край ядра.

До нуля плотность ядерного вещества спадает на довольно большом расстоянии от центра ядра. Кажется, что эта далекая окраинная область не может поразить чем-то необычным, ведь там и частиц-то почти не осталось.

Но мы знаем, как много дали ученым исследования «атмосферы» и «стратосферы» Солнца. Сколько интересных и важных явлений было открыто именно в этой части нашего светила. В «ядерной стратосфере» плотность материи в 20 раз меньше, чем во внутренней области, и именно здесь может проявиться действие таких законов, которые могли бы остаться незамеченными при изучении только сердцевины атомного ядра. Из каких же частиц состоит «стратосфера» ядра?

Поверхностные области атомных ядер почти не поддаются теоретическому анализу, и окончательное слово остается за экспериментом. Но многие физики предполагают, что, например, тяжелые атомные ядра должны иметь поверхностный слой, состоящий преимущественно из нейтронов, этакое «нейтронное галло». Кстати, этому не противоречат и данные по рассеянию быстрых электронов.

Галло, возникающее иногда вокруг Солнца перед резкой переменой погоды, можно увидеть невооруженным глазом, а как рассмотреть нейтронный ореол вокруг ядра?

До того как экспериментаторы научились ускорять протоны до энергии в несколько десятков миллиардов электрон-вольт, нечем было зондировать эти полупустынные окрестности ядра. Теперь такую возможность представляют вторичные нестабильные частицы, которые рождаются при столкновении сверхбыстрых протонов с веществом.

На международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра, которая проходила в 1971 году в Дубне, и на конференции, состоявшейся летом 1975 года в Соединенных Штатах Америки, часто можно было услышать слова: «адронные атомы».

«Адронами» физики называют все элементарные частицы, способные к сильному взаимодействию. Это их, так сказать, родовое название. Эпитет «адронные» получили такие экзотические атомы, которые, кроме протонов, нейтронов и электронов, содержат еще и адроны: пи-мезоны, К-мезоны или тяжелые гипероны. Адронные атомы, как говорится, просто созданы для прощупывания самых отдаленных от центра участков атомных ядер.

Механизм запуска адронов на орбиту вокруг ядра аналогичен запуску мю-мезонов и гораздо проще запуска искусственных спутников Земли. (Конечно, при условии, что под рукой есть мощнейший ускоритель протонов и сложная система формирования пучков вторичных нестабильных частиц.) При этом обычные атомы вещества, в котором останавливаются отрицательно заряженные пи-мезоны, К-мезоны или гипероны, превращаются в адронные, если эти нестабильные частицы становятся спутниками их ядер.

Экзотические атомы мимолетны, как мы уже говорили, и весьма своеобразны. Самую интересную, уникальную информацию они дают не в момент захвата адрона ядром, сопровождающегося катастрофой, взрывом ядра, а буквально за одно мгновение до этого события, когда взаимоотношения между ними строятся еще на полутонах.

Атомные орбиты тяжелых адронов расположены еще ближе к ядру, чем орбиты легких мю-мезонов. Но добраться до самых глубоких из них адронам не удается. Экспериментаторы узнают об этом по энергии тех рентгеновских сигналов, которые поступают при перескоках частиц с одной орбиты на другую.

Первые порции этого излучения приносят только электромагнитные впечатления от взаимодействия пи-, К-мезонов или гиперонов с ядром. Короткодействующие ядерные силы еще не чувствуют присутствия в атоме достойного партнера для сильного взаимодействия. Но стоит адрону войти в область «ядерной стратосферы», как тотчас включается сильное взаимодействие, которое перекрывает все остальные. Адрон перестает ощущать атом и общается только с протонами или нейтронами самой периферии ядра. А мю-мезон эту область проскакивает, совершенно не замечая нуклонов, поскольку его удел слабые взаимодействия.

В популярной песенке поется, что «одна дождинка — еще не дождь, одна снежинка — еще не снег». Но для адронов редкие нуклоны ядерной стратосферы уже ядро. И оно тотчас показывает свой характер. Аппетит ядра к сильно взаимодействующим частицам столь велик, что пи-мезон исчезает уже с пятой или шестой орбиты, диаметр которой еще в десять раз больше размера самого ядра. Ну а К-мезон захватывается ядром и того раньше.

Последний сигнал, принимаемый экспериментаторами от адронного атома, последняя порция рентгеновского излучения наиболее ценна, потому что несет максимальную информацию о характере взаимодействия пи-мезона, К-мезона или гиперона с ядром и, что очень важно, о плотности протонов и нейтронов в самых отдаленных, поверхностных, районах ядра.

Это уникальная возможность проверить, а вернее — испытать на деле многие представления, гипотезы и формулы, предлагаемые теоретиками для описания ядерных взаимодействий. Примеряя свои математические построения к тому экспериментальному материалу, что дают экзотические атомы, ученые подбирают наиболее подходящие значения для произвольных параметров, входящих в формулы.

— Судя по всему, «посторонние» сильновзаимодействующие частицы не могут так же долго гостить в ядре, как, например, мю-мезоны. Значит ли это, что физики никогда не получат обстоятельного рассказа о ядре от адрона-очевидца?

— В общем, да. Но, к счастью, в микромире нет правил без исключений. Обнаружены такие ядра, где вместе с протонами и нейтронами отлично «уживается» нейтральный лямбда-гиперон — частица не без «странностей», но, что самое главное, способная к сильному взаимодействию с нуклонами.

В 1953 году польские ученые М. Даныш и Е. Пневский изучали взаимодействие космических лучей с ядрами фотоэмульсий. В то время это был единственный способ проникнуть в мир огромных энергий, где каждое столкновение заканчивалось расщеплением ядра и рождением новых частиц.

В методе фотоэмульсий используются только два прибора: сделанный руками человека микроскоп и прибор удивительно высокой чувствительности, созданный самой природой, — человеческий глаз.