Беседы об атомном ядре

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.

Гипотеза о партонах бурно обсуждается в настоящее время. Правда, как заметил А. Балдин, вместо формул пока обычно рисуют картины, напоминающие абстрактную живопись. И зачастую автор очередной картинки, пожалуй, сам не вполне понимает, что он рисует, а слушатели делают вид, что понимают. В этом нет ничего странного. На переднем фронте науки о микромире, где знание борется с абсолютным незнанием, истина выкристаллизовывается далеко не сразу.

Сейчас твердо можно сказать, что нуклоны состоят из каких-то более элементарных сущностей. Вся проблема в том, как описать эту реально существующую сложную структуру адронов. Не исключено, что это удастся сделать на основе кварковой модели. Но существует и другой подход к этой проблеме.

Группа сотрудников Лаборатории теоретической физики ОИЯИ под руководством профессора А. Тавхелидзе, опираясь на представление о нуклоне как о куске особой адронной материи, сумела доказать, что масштабная инвариантность, обнаруженная первоначально в электромагнитном взаимодействии электрона с протоном, должна также проявиться в глубоко неупругих процессах, при сильных и слабых взаимодействиях между частицами.

Масштабная инвариантность обусловлена внутренней структурой элементарных частиц и является важнейшим проявлением свойств адронной материи.

«Безразмерность» тех внутренних сущностей, которые принимают на себя энергию при глубоко неупругих процессах, допускает толкование ядерных реакций и в рамках партонной модели, и в том случае, когда протон представляется как сплошной протяженный объект.

Природа сжалилась над физиками и упростила закономерности взаимодействий ядерных частиц при больших энергиях. В самом деле, эксперименты, проведенные на ускорителе в ЦЕРНе, в Серпухове, и затем в Батавии (США), выявили замечательное общее свойство, присущее всем процессам множественного рождения частиц. Сложные математические формулы, с помощью которых физики ухитрялись как-то описывать те или иные реакции между протонами меньших энергий, оказались вдруг совершенно ненужными. В новой области энергий результат столкновения двух частиц зависел только от соотношения импульсов налетающей и рожденной частицы.

Неожиданно выявленное экспериментаторами единообразие многих процессов, происходящих в момент катастрофического столкновения двух частиц в широком интервале энергий от 10 до 400 миллиардов электрон-вольт, напоминает путешествие в пустыне, где нет никаких ориентиров. Все равно, едете вы на верблюде или мчитесь на машине, информация исчерпывается только числом дней и длиной пройденного пути. И впечатления совершенно не зависят от того, какими вы представляете себе окружающие барханы: монолитными или состоящими из мириадов песчинок.

Масштабная инвариантность обнаружена в той области энергий взаимодействующих частиц, в которой отношение квадратов импульсов частиц намного больше квадратов масс. В той же области энергий изучает взаимодействия ядер и релятивистская ядерная физика.

Постановка задачи о применении масштабной инвариантности к столкновениям релятивистских ядер и первые эксперименты в этой области были предложены и выполнены в Лаборатории высоких энергий ОИЯИ. Оказалось, что новая закономерность, свойственная адронной материи при высоких энергиях, применима и к релятивистским ядрам. Исследование же столкновений релятивистских ядер, в свою очередь, поможет лучше разобраться в специфике процессов множественного рождения частиц.

В столкновениях двух нуклонов рождаются десятки новых частиц. Тем же заканчивается и соударение релятивистских ядер. Но между этими похожими событиями микромира есть принципиальная разница, которой и воспользовались физики для выяснения деталей взаимодействия элементарных частиц.

Структура двух ядерных участников реакции известна, чего нельзя сказать о нуклонах. Когда будут ускоряться ядра разных химических элементов, появится возможность в широких пределах варьировать квантовые свойства сталкивающихся объектов и сравнивать особенности соударения легких и тяжелых ядер. При этом, может быть, удастся подобрать наиболее удачный макет и для элементарной частицы.