Беседы об атомном ядре

— Можно согласиться с тем, что ядро со своими нуклонами действительно похоже на составную элементарную частицу. Но подделаться под частицу — кусочек сплошной адронной материи — оно, наверное, не в состоянии?

— Почему? При очень высоких энергиях, когда вероятность процессов не зависит ни от размеров внутренних сущностей взаимодействующих объектов, ни от их массы, вполне уместно предположить, что ядро — архипелаг крупных островков из сплошной адронной материи.

— Предполагать можно все, что угодно. Но предпочтительнее, как говорил один литературный герой, наука не умственная, а натуральная.

— Вот это верно!

Недавно экспериментаторы получили подтверждение правильности нового представления о ядре. Ученые Дубны обнаружили новое физическое явление: ядерный кумулятивный эффект. Открыт он был в 1971 году вскоре после того, как впервые в мире синхрофазотрон Лаборатории высоких энергий стал ускорять ядра дейтерия (их называют дейтонами) до энергии 11 миллиард-электрон-вольт.

При столкновении дейтона с протоном рождается более легкая частица — пи-мезон. Суть кумулятивного поведения ядерного вещества в этой реакции заключается в том, что пи-мезон приобретает сразу суммарную энергию протона и нейтрона. Два нуклона, из которых состоит ядро дейтерия, ведут себя как одна частица.

Этот результат был не просто новым или неожиданным, он заставлял совершенно отказаться от тех воззрений, что сложились у физиков за долгие годы работы с нерелятивистскими дейтонами.

Ядро тяжелого изотопа водорода было «притчей во языцех» всякий раз, когда разговор шел о самой рыхлой, наименее всего связанной системе нуклонов. Но как только к концу 1970 года четко подтвердились масштабно инвариантные свойства не только электромагнитных, но и сильных взаимодействий, А. Балдин предложил с этих новых позиций взглянуть на поведение сверхбыстрого дейтона.

Ученый утверждал, что энергия частиц, рождающихся в соударениях дейтонов и более тяжелых ядер, разогнанных до таких скоростей, при которых действует недавно открытая закономерность микромира, зависит от свойств непосредственно взаимодействующих участков адронного вещества.

Какое же из возможных толкований внутренней структуры адронов, согласующееся с принципом масштабной инвариантности, подходило для описания явлений в релятивистской ядерной физике?

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.