Вселенная в электроне

По сравнению с его высокоэнергетическими младшими братьями, построенными и строящимися в Советском Союзе, в США, в странах Западной Европы, первый дубненский ускоритель выглядит весьма скромно. Даже у его соседа — знаменитого дубненского фазотрона, построенного на несколько лет позднее, — энергия почти в пятнадцать раз больше. Однако «зрение» первого дубненского ускорителя было в свое время самым острым, почти в сто тысяч раз острее, чем у электронных микроскопов, и с его помощью физики впервые смогли «прощупать» расположение протонов внутри атомного ядра.

Но внутреннее строение самого протона этот ускоритель еще не чувствовал. Протон для него оставался точкой. Заглянуть внутрь этой частицы удалось лишь пять лет спустя, когда на Тихоокеанском побережье США, вблизи города Сан-Франциско, был построен мощный ускоритель электронов.

Партонная «икра»

Электронное «просвечивание» показало, что протон действительно не точка, а довольно крупный объект с радиусом, всего лишь в несколько раз меньшим радиуса легких атомных ядер. Это что-то около триллионной доли миллиметра — 10^-13 сантиметров.

Вещество в протоне, как и в атоме, сконцентрировано, главным образом, в его центральной части. Однако если атом состоит в основном из пустоты, то в протоне нет резкой границы между оболочкой и центральным остовом — керном. Атом своим строением напоминает Солнечную систему, а протон больше похож на планету с массивным центральным ядром и окружающей ее протяженной атмосферой. Радиус протонного керна всего лишь в несколько раз меньше размеров его мезонной «шубы».

Можно было ожидать, что аналогичное строение имеет и нейтрон. Простая модель, в которой нуклон жонглирует мячиком-мезоном, подсказывает, что окраинные области протона и нейтрона отличаются лишь знаком заряда: у протона там «танцуют» мезоны π⁰ и π⁺, у нейтрона — π⁰ и π^-. Опыт неожиданно показал совсем другое. Радиус облака электрических зарядов в нейтроне получился равным нулю! Иными словами, внутри этой частицы есть что-то такое, что полностью нейтрализует заряд мезонного облака, или… или не верна модель жонглирования, а это, в свою очередь, означает, что наши представления о строении элементарных частиц несправедливы в самой своей основе, и физикам придется начинать все заново. Было от чего прийти в волнение!

Результат опытов с нейтроном долго оставался загадкой. Для его объяснения предлагалось множество гипотез, физики разных стран съезжались на специальные конференции, чтобы сообща попытаться понять, в чем тут дело. Но «парадокс нейтрона» не поддавался их усилиям.

Разгадать загадку пытались и мы в Дубне. Непонятно, почему происходит нейтрализация заряженных «облаков» в нейтроне, но это, по существу, следующий вопрос, прежде нужно убедиться в том, что такие облака там существуют. Это можно сделать, если поместить нейтрон в сильное электрическое поле, тогда его положительные заряды сместятся в одну сторону, а отрицательные — в другую. Нейтрон растянется, из шарика превратится в гантель, что скажется на его взаимодействиях с атомными ядрами. Идея простая, но заметить растяжение нейтрона на опыте так и не удалось, этому мешали побочные эффекты.

Разгадка пришла после открытия тяжелых мезонов ро и омега. Как это уже не раз случалось в истории науки, природа в разнообразии своих законов оказалась куда более изобретательнее физиков. Выяснилось (кто бы мог подумать!), что при определенных условиях пи-мезоны могут как бы «слипаться», образуя новые короткоживущие частицы. Это как раз и есть омега- и ро-мезоны. Из таких быстро слипающихся и снова разваливающихся частиц-капель и состоит мезонная «шуба» нуклона. Одиночные мезоны встречаются в ней редко. В протоне условия благоприятствуют образованию заряженных мезонных «капель», в нейтроне — нейтральных, поэтому электроны и не чувствуют мезонной «шубы» нейтрона. Для них она прозрачна. Чтобы ее обнаружить, нейтрон надо «прощупывать» пучком жестких протонов, которые чувствуют мезонную «мякоть» нейтрона. Во всех взаимодействиях нейтрон ведет себя как частица с размазанной в пространстве массой и равным нулю радиусом распределения электрических зарядов.

Мы видим, что просвечивание электронами принесло много новых сведений о строении нуклонов, однако не внесло упрощения в картину, наоборот, она еще более усложнилась. Если вспомнить аналогию с жонглером, то можно было бы сказать, что он играет сразу с несколькими шариками, которые иногда слипаются в пары и тройки. Положение прояснилось лишь после того, как энергию электронов подняли настолько, что они стали чувствовать в нуклоне детали, которые вдесятеро меньше его диаметра.

Если бы протон представлял собой единую монолитную систему, состоящую из перекрывающихся частей, которые по своим размерам не уступают целому, то, согласно третьему закону Ньютона, величина импульса столкнувшегося с ним и отскочившего электрона давала бы сведения о скорости движения протона как целого. Это как в радиолокации — при слежении за летящим самолетом отраженный луч приносит сведения о его размерах и скорости. Оператор на экране видит четкую светящуюся точку. В опыте с рассеянием очень жестких электронов получилось иначе — вместо четкой точки на экранах приборов было видно размытое пятно. Правда, в опыте использовались не светящиеся экраны, как это делал когда-то Резерфорд при просвечивании атома, а более сложные регистрирующие приборы, но все равно после обработки с помощью ЭВМ их показания в виде точек и пятен можно вывести на экран телевизора. И они получались не такими, как это должно быть для монолитного нуклона.

В чем тут дело, первым понял американский физик Р. Фейнман. Его имя уже не раз упоминалось на страницах нашей книги. Среди коллег он известен своим веселым остроумием, и это часто помогает ему находить ответ на самые трудные вопросы, которые преподносит физикам эксперимент. Во время второй мировой войны он участвовал в расчетах американской атомной бомбы. Работы велись в строгом секрете, и в конце рабочего дня офицер безопасности запирал все материалы в стальной сейф с цифровым кодом. Фейнман каким-то образом сумел разгадать код, и однажды, открыв утром сейф, дежурный офицер поднял тревогу — в сейфе со сверхсекретными чертежами и расчетами лежал клочок бумаги, на котором было написано: «Угадай, кто?» От строгого наказания Фейнмана спасла лишь его репутация выдающегося ученого.

Так вот, анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов, Фейнман использовал аналогию с радиолокацией. Когда самолет или ракета разваливаются на куски, к оператору следящей радиолокационной станции приходит отражение от каждого из них — целый набор отраженных лучей, и вместо яркой точки он видит на экране размазанное световое пятно. В своей статье Фейнман привел пример с роем пчел: близорукий человек видит его как единый темный ком, а наблюдатель с острым зрением различает множество снующих насекомых. Таким образом, сделал вывод ученый, нуклон тоже является роем каких-то очень мелких частичек. Из них состоит его керн и мезонная «шуба». Эти частицы стали называть партонами — от английского слова «парт», то есть часть.

Теперь можно спросить: так все-таки что же такое нуклон — орешек-керн, одетый в толстую мезонную «шубу», или же комочек мелкозернистой партонной «икры»? Этот вопрос напоминает индийскую притчу о том, как слепцы пытались рассказать, что такое слон. Слепец, который находился возле его ноги, сказал, что слон похож на большое дерево. Второй ощупал хобот и заявил, что слон — толстая кожаная кишка. Третий же, потрогав хвост, стал уверять, что слон — это всего-навсего лишь маленькая змейка. Каждый из них был прав, но только частично: истинная картина, подобно мозаике, получается сложением всех их рассказов. Объекты микромира, их противоречивую сущность тоже нельзя отобразить одной картиной, они слишком сложны для этого. Наглядное представление о нуклоне — это набор многих отдельных картинок.