Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

И с этим представлением о протоне как о чем-то монолитном, занимающем большую или меньшую, но вполне измеримую область пространства, приходится увязывать совсем иной образ этой частицы. Образ, который возникает при исследовании другого варианта этой же реакции — неупругого рассеяния очень быстрых протонов на протонах. В этом последнем случае аппаратура регистрировала протоны, отклонившиеся на большие углы и потерявшие значительную часть своей энергии. Эта энергия передавалась протону-мишени и шла не на изменение его скорости, а на изменение его внутренней структуры, на рождение новых частиц.

Легко вообразить, каково было изумление ученых, когда обнаружилось, что характер изменения числа отклоненных частиц в зависимости от величины угла точно такой, какой был найден Э. Резерфордом для альфа-частиц, рассеянных тонкими пленками вещества.

Э. Резерфорд, обнаружив альфа-частицы, которые отклонялись на угол до 180 градусов от первоначального направления, сразу высказал гипотезу об атомном ядре. То есть о том, что в атоме есть нечто, сравнимое по массе с альфа-частицей и способное резко изменить направление ее движения.

Аналогичный вывод, теперь уже по отношению к элементарным частицам, вынуждены были сделать и современные ученые. Ускоренные электроны и протоны, сталкиваясь с протонами-мишенями, передавали свою энергию каким-то внутрипротонным структурным единицам.

Словом, отчего ушли, к тому и пришли. Всего семь лет назад атомные ядра и нуклоны казались телами разного порядка сложности. А теперь, в новых энергетических условиях, бывшие элементарные частицы сами стали походить на ядра, заполненные нуклонами.

Теоретики давно предлагали так называемые составные модели фундаментальных элементарных частиц. Наиболее интересной из них оказалась кварковая модель. Адроны в этой модели выглядели состоящими из определенного числа гипотетических частиц — кварков — с дробным электрическим зарядом.

Атомные ядра, состоящие из нуклонов, могут служить вполне реальной моделью элементарной частицы, состоящей из кварков, а столкновения релятивистских ядер — имитировать столкновения протонов больших энергий.

Экспериментаторы нашли неоспоримые доказательства тому, что нуклон — это протяженный составной объект. Но чтобы создать теорию, правильно описывающую поведение адронов при высоких энергиях, когда их скорости близки к скорости света, надо было детально разобраться в том, как они устроены.

Релятивистская ядерная физика — научное направление, которое возникло в ОИЯИ, — дает новый подход к этой проблеме, подводит материальную базу под уже существующий обмен идеями между физикой ядра и физикой элементарных частиц.

Ускорение ядер до скоростей, близких к скорости света, — задача чрезвычайно сложная. И легко представить, с каким интересом ведущие ученые социалистических стран рассматривали демонстрировавшиеся на XXIX сессии ученого совета ОИЯИ во много раз увеличенные первые снимки следов релятивистских ядер.

Эти уникальные фотографии ученые назвали «автографами» дейтона — первого составного ядра, ускоренного на синхрофазотроне.

Сейчас физики Дубны наблюдают не только за поведением в веществе простейшей связанной системы из протона и нейтрона с энергией в 11 миллиардов электрон-вольт, но и за ядрами химического элемента гелия и углерода, ядра которого ускоряются до 60 миллиардов электрон-вольт. Исследования в области релятивистской ядерной физики, начатые в лаборатории высоких энергий в 1970 году, подхвачены и интенсивно развиваются американскими физиками.

— Обычно все с удовольствием смотрят на выступления имитаторов, но каждый понимает, что даже самый талантливый артист не может заменить оригинал. Наверняка и релятивистские ядра передают только внешнее или скорее внутреннее сходство с частицами, а действуют по своим ядерным законам.

— Не стоит говорить об этом столь категорично. Известно, например, что взаимодействия релятивистских ядер подчиняются новой закономерности мира элементарных частиц — масштабной инвариантности.

Главный узел из самых животрепещущих проблем физики высоких энергий завязался сейчас в теоретическом моделировании тех процессов, в которых при столкновении двух нуклонов рождается большое количество новых частиц.

Реакции множественного рождения, как величают их физики, — наиболее интересный результат общения между нуклонами с самыми большими энергиями. Изучению этих сложнейших процессов микромира и посвящают большую часть своего времени экспериментаторы, работающие на самых крупных ускорителях. Они еще и еще раз убедились в том, что и эти реакции происходят по строгим законам сохранения зарядов, энергии, импульса и что фундамент физики по-прежнему непоколебим.

Но ученых не устраивает роль наблюдателей тех чудес, что преподносит иногда природа, когда они вводят в строй очередной сверхмощный ускоритель. Физики сами хотят предсказывать эти чудеса. А вот орудия предсказания — теории — они не имеют.

Получается противоречие. С одной стороны, теории не создать до тех пор, пока не будет решен вопрос о внутренней структуре адронов и не будут выявлены особые закономерности процессов множественного рождения частиц, а с другой — невозможно, не имея теории, разобраться в закономерностях взаимодействия двух нуклонов больших энергий.

Так или иначе, но проблема множественного образования адронов в процессах сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий занимает сегодня центральное место в физике высоких энергий.

Несмотря на то, что интенсивное теоретическое и экспериментальное изучение этого вопроса началось сравнительно недавно, развитие этой перспективнейшей области физики уже вызвало к жизни новые фундаментальные понятия, оригинальные подходы, смелые гипотезы.

Тринадцать лет назад академик М. Марков обратил внимание на то, что при глубоко неупругом рассеянии электронов и нейтрино на протонах, то есть в электромагнитных и слабых взаимодействиях при больших энергиях, протон должен вести себя как точечный объект.

Через 6 лет американский теоретик Дж. Бьёркен высказал предположение, что вероятность глубоко неупругого рассеяния электронов должна обладать свойством масштабной инвариантности, то есть зависеть не от размера протона и массы сталкивающихся частиц, а только от соотношения их импульсов.

Эксперименты, поставленные на Стенфордском электронном ускорителе в 1969 году, подтвердили это предположение. Неожиданная особенность взаимодействия частиц больших энергий и навела Р. Фейнмана на мысль о точечной структуре нуклонов. В предложенной им модели адроны содержат бесконечное множество элементов с исчезающе малыми размерами, которые получили название партонов.