Александр Потупа - Бег за бесконечностью
Это впечатление еще более укрепилось, когда советские теоретики В. Матвеев, Р. Мурадян и А. Тавхелидзе из Объединенного института ядерных исследований в Дубне показали, что партоны, вероятнее всего, являются кварками. Выяснилось, что не только в глубоко-неупругом рассеянии электронов на адронах, но и в любом процессе, где адрону передается большой импульс, он (адрон) выглядит именно так, как этого требует кварковая модель. Барионы ведут себя в таких реакциях как система трех почти свободных кварков, а мезоны — как система из кварка и антикварка.
То, что именно кварки способны играть роль партонов — исходного строительного материала для адронов, — оказалось чрезвычайно полезным и глубоким представлением. Это представление вторглось и в такие, казалось бы, давно решенные проблемы, как структура атомного ядра.
Со школьной скамьи мы привыкли к тому, что ядро состоит из протонов и нейтронов. С другой стороны, поскольку каждый нуклон содержит три кварка, то ядра могут рассматриваться и как многокварковая система. Скажем, простейшее составное ядро — дейтрон — в большинстве ситуаций выглядит как связанное состояние протона и нейтрона, но в отдельных случаях его наверняка можно представлять как совокупность шести кварков. Эти сравнительно редкие состояния дейтрона и других ядер были открыты экспериментально. Пытаясь передать ядру очень большой импульс, электрон видит его как совокупность кварков, число которых в три раза превышает число нуклонов в этом ядре.
Теперь уместно немного приостановить нашу экскурсию в глубь адронов и разобраться с явно назревшим вопросом: сколько же существует картин строения представителей этого обширнейшего семейства микромира и как эти картины связаны между собой?
Во всех известных реакциях каждый адрон может быть представлен как определенная комбинация двух (мезоны) или трех (барионы) кварков. Опираясь на такую простую кварковую картину, можно составить все известные адроны с правильными значениями всех зарядов — электрического, барионного, «странности» и др. — и объяснить многие важные закономерности взаимодействия между частицами.
С другой стороны, в адроне присутствуют некоторые бесструктурные чрезвычайно малые частицы — партоны. На основе партонной картины хорошо объясняются закономерности глубоко-неупругого рассеяния, рассеяния адронов с большой передачей импульса, в общем, все те процессы, где исследователи пытаются заглянуть во внутренние области сильновзаимодействующих частиц.
И наконец, в процессах взаимодействия, где адронам передается относительно небольшой импульс, они выглядят как размазанные по области размером 10–13 сантиметра сгустки вещества.
Итак, перед нами три картины строения одного и того же объекта адрона. Эти картины, казалось бы, настолько различны, что может возникнуть подозрение — не противоречивы ли они? Насколько согласуются между собой различные представления об адронах?
На этот вопрос пока не существует окончательного ответа. Ведь мы не знаем еще, как выглядит полностью удовлетворительная теория адронов, а только такая теория будет способна согласовать между собой все известные из опыта данные, превратить множество отдельных набросков в полную картину строения частиц.
Однако само по себе сильное различие в трех картинах адронной структуры не служит основанием для каких-то противоречий между ними. Ведь представления о кварковой и партонной структуре и об адроне-облаке первоначально были развиты на основе несколько разных экспериментов и являются как бы разными проекциями одного объекта.
Скажем, профессиональный фотограф способен снять какой-либо предмет совершенно различным образом, так что почти никто и не догадается, что на двух фотографиях запечатлен, например, один и тот же мотоцикл. В одном случае обычная «Ява» будет похожа на себя, а в другом — на техническое чудо внеземной цивилизации. Все дело, как говорится, в ракурсе…
Современная точка зрения на структуру адронов сводится к тому, что все три картины их строения, в принципе, могут быть согласованы.
Попробуем теперь несколькими штрихами набросать ту приближенную схему, которую можно было бы назвать «адрон в разрезе». Для определенности будем говорить о протоне.
Итак, начнем с внешней оболочки. Она наиболее плотная и состоит из множества виртуальных мезонов. Эти мезоны непрерывно рождаются и гибнут и создают нечто вроде пульсирующего облака размером около 10–13 сантиметра. Наряду с мезонами и несколько глубже их могут существовать более тяжелые виртуальные частицы, скажем, пары протон — антипротон и т. д.
Если перенестись сразу к центру адрона, то там мы обнаружим три кварка — два пэ-кварка и один эн-кварк, которые обеспечивают определенное зарядовое состояние протона. Как вы помните, его электрический и барионный заряды равны плюс единице каждый, а «странность» равна нулю.
Таким образом, внешняя оболочка из виртуальных адронов полностью нейтральна — ее электрический, барионный и прочие заряды должны быть в среднем равны нулю, чтобы не нарушать привилегии кварков, которые и определяют величины наблюдаемых зарядов.
Эти три кварка в центре протона часто называют валентными именно потому, что они полностью задают заряды протона и определяют тем самым многие «правила игры», то есть ряд закономерностей, которым следует протон, взаимодействуя с другими частицами.
Такая аналогия заимствована из химии, где валентность атомов задает основные законы химических реакций. Правда, данной аналогией не стоит особенно увлекаться. В химии валентность связана просто с числом электронов во внешней оболочке атомов. Скажем, натрий (Na) имеет во внешней оболочке один электрон и активно стремится ее заполнить еще семью электронами. Поэтому он охотно вступает в контакт с хлором (Сl), имеющим во внешней оболочке как раз семь электронов. В результате соединения у атомов натрия и хлора образуется как бы единая внешняя оболочка из восьми электронов, а мы благодаря этим электронным правилам получаем необходимый продукт поваренную соль (NaСl).
Пока неизвестно, образуются ли настоящие кварковые молекулы, то есть существуют ли элементарные частицы, состоящие из нескольких кварковых атомов. Скажем, если протон рассматривать как трехкварковый атом, тогда атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, в определенном смысле можно считать кварковыми молекулами. Как вы помните, например, дейтрон в некоторых случаях ведет себя как шестикварковая система.
Однако в одном отношении химическая аналогия, несомненно, полезна. Раз есть валентные кварки, значит, должны быть и какие-то невалентные!
Действительно, наряду с тремя кварками, определяющими все заряды протона, необходимо ввести в нашу картину еще множество кварков и антикварков, которое так и называют — кварковым морем. Кварковое море формирует свою оболочку, которую условно можно поместить между внешней, состоящей из виртуальных адронов, и центральной областью, где заключены валентные кварки. В этой же оболочке находятся глюоны — переносчики взаимодействия между кварками.
Разумеется, кварковое море и внешняя оболочка должны быть в целом полностью нейтральны — ведь все зарядовые свойства протона определяются именно валентными кварками.
Необходимость в промежуточной оболочке связана с простыми соображениями, следующими из теории относительности. Как вы помните, мы не можем утверждать просто, что «протон состоит из трех кварков» — это лишь удобная форма представления о его зарядах. Протон с определенной вероятностью может включать в себя не только три валентных кварка, но и сколь угодно большое количество кварк-антикварковых пар. Если бы рождались реальные кварки, то из протона можно было бы выбивать не обязательно три, но и пять, семь и более кварков, лишь бы при ударе выделялась достаточно большая энергия.
Теперь на основе трехслойной структуры — виртуальные адроны, кварковое море, валентные кварки — получается довольно логичная картина протона.
Валентные кварки играют роль тех самых партонов, которые видны электрону, пытающемуся проникнуть в самую сердцевину протона. Электроны, которые проникли не столь глубоко, могут рассеиваться на кварках-партонах из кваркового моря. Если же электрон только скользит по поверхности протона, он чувствует только внешнюю оболочку из виртуальных адронов и естественно, что протон предстает перед ним как рыхлое облако определенных размеров.
Нечто подобное происходит и при рассеянии протонов друг на друге. Если они пролетают на достаточно большом расстоянии (между центрами) друг от друга, то взаимодействуют главным образов внешними оболочками и при этом формируются довольно сложные закономерности рассеяния «размазанных» объектов. Если же протоны испытывают лобовой удар и буквально вынуждены пройти друг сквозь друга, то непременно сталкиваются их валентные кварки, а сами они разлетаются на большие углы, следуя за своей кварковой сердцевиной.
