Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Но тогда и протон может часть своего времени проводить как «нейтрон + пи-плюс-мезон» (р ↔ π⁺n, возможны и переходы р ↔ π⁰р — «протон + пи-ноль-мезон»). А дальше естественно заключить, что на какую-то меньшую часть времени и, соответственно, на более близком к центру расстоянии нейтрон может породить не один, а два, три и т. д. пионов, а может, скажем, породить на еще меньшее время пару протон-антипротон и т. д. Все такие «временные» частицы называются виртуальными (от латинского «виртуалис» — скрытые, но могущие проявиться) и, как видим на примере магнитных моментов нейтрона, их свойства весьма ясно проявляются и могут быть, в принципе, измерены.

Все эти возникающие и снова исчезающие виртуальные частицы образуют вокруг своего «хозяина» некую виртуальную «шубу». Поэтому основную рассматриваемую частицу никак, с одной стороны, нельзя считать точечной, а с другой стороны, ей нельзя приписывать и строго определенные размеры: ее «шуба» все время дышит, меняется, является динамическим образованием. Приходится для описания свойств этой «шубы», т. е. самой частицы, вводить понятие формфактора, распределения вероятности найти заряды на таком-то расстоянии от ее центра.

Тут естественно было бы задать вопрос: почему мы говорим о виртуальных образованиях вокруг нуклонов, чем электрон хуже? И действительно, вокруг электрона тоже должна образовываться такая шуба, но поскольку его масса мала, то испускать и ловить обратно он скорее всего будет не мезоны, а фотоны, а на меньшие расстояния — и пары электрон-позитрон. О такой шубе электрона мы уже говорили — благодаря ее наличию и возникает черенковское излучение: шуба периодически отрывается от «сверхсветового» в данной среде электрона и превращается в реальный фотон.

Форму форм-факторов нуклонов экспериментально смог определить Роберт Хофштадтер (1915–1990, Нобелевская премия 1961 г.)[41]. Начал он с того, что еще в 1948 г. разработал сцинтилляционный детектор на основе кристалла соли иодида натрия, «легированного» небольшим количеством таллия. При столкновении с таким кристаллом частицы высокой энергии или фотона возникает вспышка света, интенсивность которой пропорциональна энергии частиц или фотона (сцинтилляторами пользовался некогда и Резерфорд, но они были гораздо менее чувствительными). На этой основе Хофштадтер построил сцинтилляционный спектрометр и приспособил его как регистратор углов рассеяния электронов от ускорителя, разгонявшего их до энергии в 500 МэВ, при которой длина волны электрона меньше характерных размеров атомных ядер. Следовательно, ускоритель можно было бы использовать как гигантский электронный микроскоп, позволяющий исследовать структуру ядер: при столкновении с ядром разогнанный электрон в некоторых случаях только отклоняется, как бильярдный шар (случаи, при которых ядро разрушалось, он отбрасывал).

Так Хофштадтеру удалось измерить величину и определить форму многих атомных ядер. Оказалось, что у них примерно одна и та же средняя плотность и объем ядра пропорционален полному числу протонов и нейтронов. Это означает, что в тяжелых ядрах частицы упакованы не более плотно, чем в легких, а почти постоянная плотность ядер оказалась порядка 150 млрд кг на куб. метр (капля воды такой плотности весила бы 2 млн тонн). Но при этом выяснилось, что у всех ядер есть что-то вроде более мягкой «шкуры», именно она и соответствует облаку виртуальных частиц, окружающих ядро.

Когда ускоритель, на котором он работал, был реконструирован и стал разгонять электроны до энергии в 1 ГэВ, Хофштадтер смог перейти к исследованию уже не только ядер, но и структуры протонов и нейтронов. Эту работу он со своей группой выполнил в 1956–1957 годах: были определены размеры такой «шубы» и распределение зарядов внутри обоих нуклонов.

Нуклоны действительно оказались распределенными динамическими образованиями с шубой из облаков виртуальных частиц.

Ну а что будет видно, если залезть в нуклоны еще глубже, т. е. рассмотреть рассеяние более энергичных частиц? В 1969 г. Р. Фейнман, и почти одновременно Дж. Бьеркен (р. 1934), выдвигают партонную (от латинского «партис» — часть) модель нуклона: при глубоконеупругих, т. е. высокоэнергичных и потому чрезвычайно коротких по времени актах рассеяния, нуклон можно рассматривать как совокупность точек-партонов, т. е. при таких энергиях и, соответственно, столь коротких длительностях взаимодействия уже не играет роли, виртуальные ли это образования или нет. Такие акты рассеяния на отдельных партонах (уже не на нуклонах в целом) порождают целые струи вторичных частиц, по составу которых, в принципе, и можно выявить природу самих этих партонов и их распределение по «объему» нуклона. Имеющиеся результаты как будто показывают, что таким партонами являются в основном кварки (о них немного ниже). За это открытие Джером И. Фридман (р. 1930), Генри У. Кендалл (1926–1999) и Ричард Е. Тэйлор (р. 1929) удостоены в 1990 г. Нобелевской премии.

5. Странные частицы