Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

По партонной модели нуклон ведет себя как совокупность точечных частиц — партонов, каждая из которых совершенно независимо от других сталкивается с партонами мишени. И релятивистское ядро вполне можно было воображать наполненным партонным газом. Такая модель (модель Р. Фейнмана) в приложении к сложным нуклонным системам позволяла при расчетах опираться на принцип масштабной инвариантности.

Но вопрос о том, какую максимальную энергию передаст ядро рождающейся в реакции частице, оставался открытым. Что-то определенное на этот счет удалось бы узнать в том случае, если бы стало известно, с какой вероятностью большая часть внутренней энергии ядра сосредоточится у одного партона из числа тех, что взаимодействуют с мишенью. А вот этой-то величины из партонной модели элементарных частиц и нельзя было извлечь.

Гораздо плодотворнее оказалось применение развитого теоретиками Дубны подхода к адронному веществу как к однородной, сплошной среде.

Но во всех без исключения моделях атомных ядер никогда не учитывалась протяженность нуклонов в пространстве: их попросту считали точечными. И несмотря на то, что расстояния между протонами и нейтронами были сравнимы с размерами самих частиц, столь грубое упрощение не мешало успеху образных представлений о ядрах.

«Шила в мешке не утаишь», — говорит пословица. И релятивистским ядрам уже не утаить того, что они, по сути дела, состоят из сверхплотных сгущений нуклонов-кластеров, которые ведут себя подобно островкам сплошной адронной материи. Столкновение быстрого ядра с протоном выглядит как соударение с ним одного из таких островков, для которого, как и для элементарной частицы, должно выполняться соотношение масштабной инвариантности.

Из гипотезы А. Балдина следует, что пи-мезон, рожденный при взаимодействии протона с протонами ядер мишени, наследует энергию всех частиц той группы нуклонов, к которой принадлежал непосредственный участник этой реакции. Предсказание теории было четким. Экспериментаторы могли обнаружить вторичные частицы с энергией, намного превышающей ту, что им полагалось иметь в соответствии с обычными законами кинематики.

Превращение синхрофазотрона ОИЯИ в ускоритель релятивистских ядер давало возможность проверить идею о кумулировании энергии нескольких ядерных частиц на одной при взаимодействии быстрых дейтонов с протонами.

Многим физикам предположение о кумулятивном эффекте казалось неправдоподобным. Они считали, что дейтон из-за своей рыхлости не может действовать как монолитное зерно адронной материи. «Почему при столкновении, например, двух камней не рождаются элементарные частицы больших энергий?» — в такой форме выражалась крайняя степень недоверия к новой точке зрения.

Но этот вопрос не был криминальным для гипотезы кумулятивного эффекта. Никак нельзя было ожидать, что все нуклоны ядер сталкивающихся камней большую часть энергии передадут одной рождающейся частице. Сила удара между любыми макроскопическими телами (камнями) слишком мала, и ядра этих объектов даже не соприкасаются; дело ограничивается соударением между электронными оболочками атомов.

В 1971 году группа физиков-экспериментаторов Лаборатории высоких энергий ОИЯИ под руководством доктора физико-математических наук В. Ставинского обнаружила кумулятивный эффект в реакции с ускоренными ядрами тяжелого изотопа водорода — дейтерия. Пионерские результаты, полученные дубненскими учеными, подтвердили применимость масштабной инвариантности к составным нуклонным системам и правильность теоретических представлений о ядре как о группе микроостровков сплошной адронной материи.

Пи-мезоны, возникающие при взаимодействии релятивистских дейтонов с протонами, получали до 98 процентов всей энергии ускоренных ядер. Но ядра дейтерия — простейшие образования. И физикам необходимо было выяснить, как поведут себя более сложные ядерные системы. А где было взять релятивистские тяжелые ядра, если ускоритель выдавал только дейтоны? Безвыходное положение?

Ничего подобного. Ученые недолго предавались унынию. Совершенно строго, с точки зрения законов механики, и остроумно с самой общей точки зрения, они рассудили, что, если нет возможности бросать релятивистские ядра на протоны, то надо бросать протоны большой энергии на покоящиеся тяжелые ядра мишени. И если регистрировать пи-мезоны, вылетающие под углом 180 градусов к пучку ускоренных протонов, то есть в направлении «назад», то реакция представляется обратной; быстрое ядро налетает на протон; и если кумулятивный эффект существует, то его можно обнаружить, измеряя энергию пи-мезонов.

Именно такой эксперимент и был сделан. Электронная аппаратура зафиксировала, что из ядер углерода, алюминия, меди и свинца вылетали пи-мезоны с энергией до 700 миллионов электрон-вольт. А максимальная энергия, которую пи-мезоны приобретали при обычном столкновении двух протонов, так сказать, один на один, не должна была превышать 244 миллионов электрон-вольт.

Точно такой же результат ученые получили в реакции рождения пи-мезонов с положительным электрическим зарядом и для тяжелых К-мезонов.

Островки адронного вещества в ядрах проявлялись с той вероятностью, которая была предсказана теорией. Судя по энергии вторичных частиц, в столкновении подчас одновременно участвовало до четырех ядерных нуклонов.

Отмечая значительный вклад, который внесли в работу VI Международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра ученые Советского Союза и стран народной демократии, известный американский физик профессор Г. Андерсен сказал: «Многие научные новости на конференции носят восточный акцент».

К этим новостям, несомненно, относились дубненские результаты, полученные в области релятивистской ядерной физики: направления, связанного с принципиально новыми аспектами взаимодействия в ядерном веществе. Наиболее интересные обсуждения завязались как раз вокруг кумулятивного эффекта.

Еще не так давно некоторые недальновидные специалисты говорили, что эра волнующих событий в ядерной физике кончилась и осталась лишь прозаическая задача выяснения деталей. Но атомные ядра продолжают преподносить все новые и новые сюрпризы. Один из таких сюрпризов — кумулятивный эффект; он еще ждет своего более глубокого осмысливания. Особое значение эта проблема приобретает в связи с идеей о кварковой структуре ядерного вещества.

Дейтон — слабо связанная система из двух частиц — при релятивистской скорости превращался в компактное плотное ядро. И только в том случае, когда его два нуклона в ядерной реакции действовали заодно, вылетающие пи-мезоны и получали максимальную энергию. Но каждый нуклон по кварковой модели состоит из трех кварков. Если дейтону с большой энергией удается так сильно «сплотить» свои частицы, то, возможно, в каких-то других реакциях при высоких энергиях он (дейтон) проявит свою кварковую структуру и будет вести себя уже не как двухнуклонный, а как шестикварковый объект.