Кварки, протоны, Вселенная
Шрифт:
Если протон изменяет свою форму в зависимости от действующего на него поля, то это должно происходить и при рассеянии гамма-квантов на протоне, под действием их электромагнитного поля. Протон в таком поле вытянется, а вытянутый протон должен взаимодействовать с гамма-квантом иначе, чем круглый. Рассеяние пучка гамма-квантов будет отличаться от рассеяния на строго сферическом протоне, появится дополнительная величина, связанная с деформацией. Измеряя ее, можно в принципе определить и величину деформации протона.
Сама по себе идея нехитра, но осуществить ее на практике крайне трудно. Прежде всего потребуется чрезвычайно высокая точность эксперимента, ведь деформация очень мала, и необходимо исключить десятки причин, которые могли бы замаскировать
И тем не менее В. И. Гольданскому и его сотрудникам такой эксперимент выполнить удалось. Он был настолько сложен, что в течение целых 15 лет оставался единственным. Лишь недавно другая группа сотрудников ФИАНа сумела повторить его, применив еще более совершенную методику.
Труды не пропали даром — результаты экспериментов определенно свидетельствовали о том, что протон действительно деформируется в поле рассеивающегося гамма-кванта, и величина этой деформации находится в согласии с предсказаниями теоретиков. Более того, в опыте удалось расщепить деформацию протона на две части: на деформацию под действием одного лишь электрического поля и деформацию под действием поля магнитного. Магнитная деформация оказалась еще меньшей, чем электрическая: приблизительно раз в 10. Правда, точное ее значение пока измерить не удалось, но то, что «магнитная жесткость» протона на порядок больше «электрической жесткости», уже не вызывает сомнений.
Результаты экспериментов были очень важными. И не только потому, что удалось получить сведения, необходимые для построения моделей, которые позволили бы еще глубже заглянуть внутрь частиц. Физики суме-ли впервые воздействовать на свойства частицы. Не просто наблюдать эти свойства, а именно воздействовать на них, изменять их! Это был принципиально новый шаг в исследовании субъядерных явлений. Новое обоснование получило также положение о том, что структура окружающего нас мира бесконечно многообразна! Элементарные частицы не только ведут себя как чрезвычайно сложные пространственно-протяженны системы, но и обнаруживают способность изменять свои свойства. А из этого, если вдуматься, следует очень очень многое...
Опыты московских физиков хорошо согласовались с представлением о протоне как о сложной частице, состоящей из крепко сцементированного ядра (керна) и разреженной оболочки периферических мезонов. Такую оболочку, естественно, легче деформировать, чем плотную сердцевину протона. И хотя масса вещества в мезонном облаке сравнительно невелика — в этом физики убедились еще давно, когда «просвечивали» протон пучками быстрых электронов,— расчет показывает, что результаты опытов с гамма-квантами можно целиком объяснить деформацией только этого облака. Деформация керна почти ничтожна.
Кажется, все ясно!
Однако керн и мезонная оболочка — это еще не вся структура протона. Его электрический заряд испускает кванты электромагнитного поля. И хотя время, которое эти кванты живут, покуда протон не поглотит их обратно, очень мало, некоторые из них успевают превратиться в пару частиц, электрон и позитрон, которые затем быстро аннигилируют, снова превращаясь в гамма кванты. В результате наряду с мезонным облаком вокруг протона успевает образоваться облако электрон-позитронных пар. Его плотность мизерна — несравнимо меньше, чем плотность мезонов на периферии протона. Это как бы ультраразреженная стратосфера вокруг планеты-протона. Электроны и позитроны намного легче мезонов, слабее связаны с ядром протона и поэтому могут удаляться на гораздо большее расстояние от его центра. Облако этих частиц почти в 100 раз больше облака мезонов и очень подвижно — оно легко изменяет свою форму под действием
Но почему же тогда опыты с рассеянием гамма-квантов показали значительно меньшую величину — только ту, что соответствует деформации мезонной оболочки? Может быть, в наши представления о слоистом строении протона вкралась ошибка?
Нет, дело в другом — в условиях измерении. Чем дальше от центра протона взаимодействует гамма-квант, тем слабее действующие там силы, а следовательно, меньше и угол, на который отклоняется гамма-квант от своего первоначального направления. Поэтому те кванты, которые испытали взаимодействие с удаленной электронно-позитронной оболочкой и несут информацию о ее свойствах, рассеялись на очень малые углы. Но здесь все забивает пучок первичных нерассеявшихся гамма-квантов. Отстроиться от этого пучка чрезвычайно трудно, поэтому измерения удается выполнить лишь для больших углов, а туда попадают только те гамма-кванты, которые взаимодействуют с мезонной оболочкой протона. Сведений об электрон-позитронной стратосфере там нет. Другими словами, в опытах с рассеянием гамма-квантов мы рассматриваем протон под таким углом зрения, что просто не видим его электронных облаков. Рассказать об их свойствах могут пока только теоретики.
Еще труднее изучать деформацию нейтрона. В природе нет мишеней, которые состояли бы из одних нейтронов. Для изучения деформаций нейтрона приходится использовать атомные ядра, куда наряду с нейтронами входят и протоны. А это вносит дополнительные ошибки, так как строение атомных ядер и действующие в них силы мы знаем еще недостаточно. Вот почему зондировать строение нейтрона намного труднее, чем протона.
Первая попытка выяснить, деформируется ли нейтрон электрическим полем, была предпринята в Физико-энергетическом. институте в Обнинске, под Москвой. Два сотрудника этого института, Игорь Бондаренко и Юрий Александров, придумали, как превратить атомное ядро из помехи, из врага, в друга, облегчающего измерения. Они предложили изучать рассеяние пучка нейтронов мишенью из очень тяжелых ядер и на очень малые углы, куда попадают лишь те нейтроны, которые
взаимодействуют с далекой периферией ядра. Ядерные силы там слабы, а электрические, наоборот, велики. Они будут деформировать нейтроны, и это должно привести к дополнительному рассеянию.
Опыты дали удивительный результат: получалось,
что по сравнению с протоном нейтрон — очень мягкая частица. Его способность к деформации в сотни раз превзошла деформацию мезонной оболочки протона ту, что наблюдалась в опытах с гамма-квантами.
Это было совершенно неожиданно и совершенно не понятно. Ведь все экспериментальные и теоретические данные говорили за то, что мезонные облака внутри нейтрона перекрываются таким образом, что происходит почти полная компенсация их зарядов. А электрически нейтральная частица не может испускать электромагнитные кванты, и вокруг нее не может образоваться облако электрон-позитронных пар. Поэтому жесткость нейтрона, казалось бы, должна зависеть только от его внешней мезонной оболочки. Природа сил, стягивающих эту оболочку, та же, что и у протона. Почему же тогда она такая мягкая по сравнению с протоном?
Этот вопрос долго интриговал физиков. Потребовалась целая серия новых опытов и многолетние теоретические расчеты, прежде чем удалось выявить некоторые неизвестные ранее особенности ядерных взаимодействий, проливших свет на мягкость нейтрона.
В науке так иногда бывает: кажется, что открыто новое явление, а потом находятся еще не использованные резервы старой теории, и жар-птица ускользает из рук. Так случилось и в этот раз. Споры о причинах аномального поведения нейтронов в столкновениях с тяжелыми ядрами все еще идут, но все равно уже ясно, что это поведение никак не связано с эффектами деформаций.