частицы находятся на микроскопически малых расстояниях. Протон и нейтрон
могут испытывать сильнейшее взаимное притяжение, но стоит им разойтись на
расстояние, заметно превышающее 10-13 сантиметра, и они начинают вести себя
как свободные частицы
У физиков нет возможности поместить особую аппаратуру в столь малую
область пространства. Как вы помните, всякое устройство для перевода
информации с "микро" на "макро" должно состоять из огромного числа атомов.
Поэтому, изучая сильные взаимодействия, приходится измерять непосредственно
лишь характеристики (импульсы, массы, заряды) свободных частиц, находящихся
на больших расстояниях друг от друга задолго до взаимодействия и через
большой промежуток времени после того, как само взаимодействие прекращается.
И только по закономерностям изменения этих характеристик мы можем судить о
том, как устроены взаимодействия и как выглядят участвующие в них частицы.
Такое положение дел приводит к несколько непривычной картине, когда о
строении объектов вообще ничего нельзя сказать вне исследования
взаимодействия между ними. В свою очередь, силы, действующие между
частицами, приходится довольно сложным образом реконструировать по тем
закономерностям поведения частиц, которые наблюдаются в различных реакциях.
Но это может показаться удивительным лишь на первый взгляд. Ведь и в
своем повседневном опыте мы, строго говоря, не можем изучать структуру
какого-либо объекта, не оказывая на этот объект определенного воздействия.
Скажем, исследуя незнакомую комнату, мы непременно воспользуемся
освещением, на худой конец, постараемся осторожно действовать на ощупь.
Возможности осветить помещение, видеть или осязать предметы, находящиеся в
нем, считаются как бы само собой разумеющимися. Поэтому мы обычно
воспринимаем устройство такой комнаты как нечто раз и навсегда данное, не
зависящее от способа воздействия. Между тем дело здесь просто в слабости
этого воздействия. Разумеется, поток света из окна или от электролампы не
способен что-либо разрушить в комнате, изменить расстановку мебели и т. п.
Если же действовать в темноте и на ощупь, то нетрудно навести такой
беспорядок, что и не догадаешься о первоначальном расположении предметов...
Вообразим теперь такую полуфантастическую ситуацию, когда перед нами
находится какое-то сложное устройство внутри большого ящика, а забраться
внутрь этого ящика и покопаться в его схеме нет никакой возможности. Скажем,
ящик не поддается действию механических инструментов, которые находятся в
нашем распоряжении, или в него нельзя заглядывать просто по условиям игры.
Снаружи имеется некоторое число "входов", куда можно подавать сигналы -
определенные комбинации электрических токов, а также экран, на котором в
ответ на любой "входной" сигнал появляется какой-то "выходной" сигнал,
например, в виде графика поведения электрического тока.
Предположим теперь, что ни схема устройства, ни даже смысл подаваемых
сигналов и ответов нам заранее неизвестны, а стоящая перед нами задача -
выяснить схему работы ящика и установить природу сигналов.
Эта воображаемая ситуация неплохо отражает характер проблем, стоящих
перед исследователями микромира. Роль исходного сигнала играют частицы,
выпускаемые из ускорителя на мишень, роль ответного - те частицы, которые
получаются в результате реакции. А само хитроумное устройство ящика - это
конкретные механизмы взаимодействия между частицами, определяющие правила их
поведения во всевозможных реакциях.
Приведенный пример обычно называют "черным ящиком"; название возникло в
кибернетике. Для физики оно не совсем подходит, поскольку в физике
представление о каком-то "черном" объекте связано с такой характеристикой:
он способен все поглощать, но ничего не выпускает, во всяком случае, не
отражает. Но дело, конечно, не в словах. Основная ценность такого примера в
ясной демонстрации активности экспериментатора. На ящик можно
глубокомысленно взирать, но никогда не постичь его устройства, если не
воздействовать на его "входы" всеми доступными сигналами и не осмысливать их
связи с ответами.
При исследовании частиц, в частности адронов, физики так и поступают:
они воздействуют одними частицами на другие и пытаются выяснить строение
самих частиц и природу сил, действующих между частицами.
Адроны особенно интересны в этом отношении. Они оказались первыми
элементарными частицами, которые, в сущности, неэлементарны и обладают
сложной внутренней структурой.
Как вы помните, начальные подозрения в неэлементарности адронов были
связаны просто с обилием адронного мира. Весь опыт науки подсказывал, что
если наблюдается множество различных объектов одного класса, то они
непременно должны быть составлены из гораздо меньшего количества более
элементарных объектов. Такова, в сущности, атомистическая традиция, и она
пока не подводила физиков.
Попытки свести все наблюдаемое многообразие адронов к каким-то более
фундаментальным частицам привели к модели кварков, которая действительно
позволяет "сконструировать" любой адрон из нескольких более простых частиц.
Несмотря на то, что кварки не были выбиты из адронов, серьезных сомнений в
составной природе сильно взаимодействующих представителей микромира у
физиков нет.
Но вывод о том, что, скажем, протон составлен из трех кварков, еще не
достаточен для полного понимания его структуры. Нужно знать закономерности
сил, действующих между кварками, а также представлять себе дополнительные
элементы структуры адрона. Нет ли внутри его каких-то иных объектов? Не
потребуется ли дополнять чисто кварковую картину какими-либо новыми
представлениями?
Важность вопросов такого типа хорошо видна на примере самых первых
шагов в микромир. Как вы помните, открытие электрона сыграло решающую роль в
постижении структуры атомов. Физики практически сразу осознали, что
электроны - непременные составляющие атомов. Однако до тех пор, пока в
резерфордовских экспериментах не было проведено прямое зондирование атомной
структуры, об устройстве атомов существовали лишь более или менее
правдоподобные догадки.
Нечто аналогичное произошло и в адронной физике. Попытки прямого
зондирования структуры адронов были предприняты немедленно, как только в
руках у исследователей оказались подходящие инструменты.
В 1956 году группа американских физиков под руководством Р. Хофстэдтера
приступила к изучению взаимодействия электронов с нуклонами и дейтронами -
атомными ядрами дейтерия. Пучок электронов с очень большой (по тем
временам!) энергией до 0,6 ГэВ выводился на мишени из водорода или дейтерия.
Электроны рассеивались протонами или дейтронами, состоящими из протонов и
нейтронов, на некоторые углы относительно направления падения пучка, и
физики непосредственно изучали распределение рассеянных электронов по этим
углам. Форма такого распределения и должна была дать информацию о строении
адронов. В чем же заключалась идея опыта? Под какую модель он ставился?
Дело в том, что теория, а именно - квантовая электродинамика, считала,
что электрон представляет собой совершенно бесструктурную, точечную частицу.
Во всяком случае, при тех энергиях, при которых ставились опыты, никаких
нарушений этого положения не должно было проявляться. Далее, согласно той же
теории электрон должен был взаимодействовать с любым другим электрическим
зарядом вполне определенным образом, обмениваясь фотоном.
В общем, электрон выступал в этом опыте как объект с достаточно хорошо
известными свойствами. Поэтому с его помощью можно было четко выяснить и
свойства других, возможно, более сложных объектов.
Если бы он взаимодействовал с такой же электрически заряженной
бесструктурной частицей, то закономерности рассеяния можно было бы
совершенно точно предсказать и на основе квантовой электродинамики. Иными
словами, физики заранее знали, как будет выглядеть распределение рассеянных
электронов, если адроны начисто лишены структуры, то есть являются точечными
частицами. Имея определенный эталон для точечных адронов, физики вполне
справедливо считали, что всякое отклонение от этого эталона окажется прямым
доказательством существования структуры.
Конечно, теоретики имели и некоторые предварительные соображения о
форме и размерах нуклонов и атомных ядер. Эти соображения основывались на
многолетнем изучении ядерных сил в физике атомного ядра, на тех свойствах
адронов, которые уже были известны из экспериментов по их взаимодействию и
сводились к следующему.
Нуклоны взаимодействуют с большой интенсивностью. Взаимодействие между
ними обусловлено обменом пи-мезонами. Следовательно, пи-мезоны испускаются и
поглощаются нуклонами с большой вероятностью, гораздо большей, чем фотоны.
Даже если нуклон "изолирован" от других адронов, он может испускать и тут же
поглощать пи-мезоны, как бы взаимодействуя сам с собой. Такие пи-мезоны
называются виртуальными, и они могут отойти от нуклона не очень далеко, на
расстояние, не превышающее 10-13 сантиметра. Поскольку они испускаются очень
часто, то вокруг нуклона образуется как бы пи-мезонное облако, а также и
облака из других мезонов. Вокруг какого нуклона? Да того, который получился
бы при полном выключении сильных взаимодействий, то есть точечного
бесструктурного нуклона. В реальном мире такое выключение сделать нельзя, и
поэтому нуклон всегда должен быть окружен мезонными облаками и как бы
размазан по небольшому объему пространства.
Конечно, эти соображения носили лишь качественный характер - ведь
настоящей теории ядерных сил не существовало! Однако они неплохо
оправдались.
Эксперименты группы Р. Хофстэдтера показали, что протон и нейтрон
обладают четко выраженной структурой. Нуклон не является точечной частицей,
а представляет собой своеобразный сгусток какого-то особого вещества,
размазанного по области с размером порядка 10-13 сантиметра. Энергия
электронов в этих экспериментах как раз и позволяла заглянуть на такие
расстояния и прощупать распределение электрического заряда во внешней
оболочке нуклона.
Так сложная структура адронов была обнаружена экспериментально. Конечно
же, сложное распределение электрического заряда было установлено для атомных
ядер. Впоследствии прямые эксперименты позволили заглянуть и в пи-мезоны. У
них тоже обнаружилась четко выраженная структура.
Хотя качественное представление о том, что электрон "видит" сложное
распределение виртуальных мезонов, в основном справедливо, полное объяснение
экспериментальных данных оказалось не столь уж простым делом. Фотоны
пришлось наделять очень интересными новыми свойствами. Дело в том, что
непосредственное взаимодействие между электрическими зарядами происходит
только при обмене фотоном между ними. Но надо было считать, что фотон может
на малую часть времени превращаться в особый тип мезонов и, следовательно, с
некоторой вероятностью участвовать в сильных взаимодействиях.
Так была обнаружена структура адронов в электромагнитных
взаимодействиях. Но еще сильней эта структура проявлялась во взаимодействиях
между адронами.
При упругом рассеянии адронов друг на друге возникает чрезвычайно
сложная картина их распределения по углам рассеяния, ни в малейшей степени
не напоминающая ту картину, которая появляется при взаимодействии точечных
частиц. Это, конечно, и не удивительно - ведь теперь уже взаимодействует как
бы два сгустка адронного вещества, два сложных структурных объекта.
Очевидные трудности в понимании картины адрон-адронного рассеяния
связаны с тем, что ни одну из сталкивающихся частиц нельзя рассматривать как
зонд с хорошо известными свойствами, как это делалось в случае
электрон-адронного рассеяния.
Если бы физики имели возможность изучать структуру адронов единственным
способом, сталкивая их с другими адронами, то они уподобились бы, скажем,
древним эллинам, которым выдан неограниченный запас транзисторных
радиоприемников и предложено изучить устройство этих вещей также
единственным способом - сталкивая между собой приемники с возможно большей
силой...
ГДЕ ПРЯЧУТСЯ КВАРКИ?
Итак, все эксперименты свидетельствовали в пользу сложной структуры
адронов. Физикам стало ясно, что адроны выглядят как чрезвычайно плотные
сгустки вещества с радиусом порядка 10-13 сантиметра. Однако до поры до
времени зондирование адронной структуры проводилось не слишком глубоко.
Грубо говоря, результаты экспериментов позволяли представить себе внешний
слой адрона, но его внутренние области практически не были изучены.
В 1968 году в небольшом калифорнийском городе Стэнфорде был запущен
новый ускоритель электронов с энергией до 20 ГэВ. Несмотря на сравнительно
скромное значение этой величины, по сравнению с параметрами протонных
синхротронов, Стэнфордский ускоритель стал выдающимся достижением
инженерно-физической мысли; ведь электроны ускорять значительно трудней,
чем, например, протоны или атомные ядра. Дело в том, что электроны
значительно легче протонов и гораздо активней теряют энергию на
электромагнитное излучение, затрудняя тем самым процесс ускорения.
Новая установка позволяла заглянуть в адрон намного глубже, чем все
предыдущие. Физики фактически впервые получили возможность непосредственно
изучать процессы взаимодействия на расстояниях порядка 10-15 сантиметра, то
есть в 100 раз меньших собственного размера адрона!
Конечно, исследователи были уверены, что столь уникальный инструмент
для зондирования структуры принесет ценнейшую информацию. Но вряд ли они
представляли себе, что самые первые эксперименты дадут совершенно
обескураживающие результаты...
Сразу же после запуска ускорителя группа В.Панофского приступила к
опытам, которые были задуманы как продолжение хофстэдтеровских работ. Пучок
электронов, полученный в ускорителе, выводился на водородную мишень, и
измерялось распределение провзаимодействовавших электронов по углам
рассеяния и по энергиям.
При этом отбирались главным образом два типа событий: во-первых, случаи
упругого рассеяния, в которых электрон передавал протону большой импульс, и,
во-вторых, акты, в которых электроны теряли не только большой импульс, но и
большую энергию на рождение новых адронов.
С упругим рассеянием электронов на протонах все обстояло как нельзя
лучше - новые экспериментальные данные просто продолжали ту же самую
закономерность, которая была установлена еще в опытах Р. Хофстэдтера, и не
показывали каких-либо резких изменений при переходе к меньшим расстояниям.
Хотя характер распределения заряда в глубине протона оставался непонятным.
Зато акты неупругого соударения, в которых электроны передавали
протонам большой импульс и теряли большую энергию на рождение новых адронов,
выстраивались в крайне странную картину - протон как бы... терял структуру.
Поведение наблюдаемых распределений становилось очень похоже на тот эталон,
теоретическую формулу, которая была предназначена для описания
взаимодействия точечных зарядов.
Получалось так, что в глубоко-неупругих процессах (так было названо
рассеяние с передачей большого импульса и большой потерей энергии на
образование новых адронов) электрон испытывал соударение с точечным зарядом.
Противоречие?
Конечно, если только предположить, что электрон должен "видеть"
структуру протона всегда одинаково независимо от ситуации. Но такая точка
зрения неудовлетворительна даже в обычной повседневной жизни - восприятие
структуры любого объекта или явления сильно зависит от нашего
функционального взаимоотношения с ним. Простой пример. Зевака на перекрестке
и мастер, копающийся з моторе, видят структуру автомобиля совсем по-разному:
первый воспринимает общую форму, второй - отдельные детали.
В конечном итоге такого же типа различие должно было проявляться и при
зондировании адронной структуры электронными пучками. Упругое рассеяние с не
очень большой передачей импульса позволяло увидеть протон в целом, как
единое образование. А вот глубоко-неупругие процессы, в которых возбуждались
внутренние области протона и имело место частичное нарушение его
целостности, вполне могли давать информацию об отдельных тонких деталях
строения.
Любопытно, что о возможности резкого отклонения от хофстэдтеровских
результатов при переходе к неупругим реакциям еще в 1964 году писал академик
М. Марков. Однако это замечание до поры до времени не находило должного
отклика - большинство физиков все-таки надеялись, что адроны сохранят
структуру рыхлого облака вплоть до самых малых расстояний.
В связи с результатами стэнфордских экспериментов немедленно возник
вопрос: на чем же все-таки рассеивается электрон, неужели протон в
глубоко-неупругих процессах выглядит как настоящая бесструктурная точка? Как
теперь связать это представление с тем, что известно из прежних
экспериментов по исследованию структуры адронов, которые ясно указывали на
конечный, вполне определенный размер протона?
В 1969 году американский теоретик Р. Фейнман высказал простую
(потрясающе простую!) гипотезу, что протон в глубоко-неупругих процессах
предстает не в виде рыхлого облака, а как набор каких-то бесструктурных
частиц, партонов (от английского: part - часть). Передавая протону большой
импульс, электрон на самом деле испытывает рассеяние на отдельном партоне, а
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг