Удивительный мир внутри атомного ядра - Игорь Иванов

Например, они весят — у них появляется масса. И они перестают быть просто «прислужниками» этих кварков, не просто притягивают их — они начинают притягивать сами себя, например. То есть разные части глюонного облака, которое здесь схематично нарисовано, тоже чувствуют друг друга и не позволяют этому облаку расшириться, они его сдерживают. Именно благодаря этому получается, что протон у нас (ведь это всё протон на самом деле) — достаточно компактный.

Благодаря этому получается, что кварк не может сильно далеко улететь. Вот вы представьте, что это не просто облако, и там кварки — это облако, которое порождается кварками. То есть сначала кварки начинают притягиваться, а потом эта сила, которая их сдерживает, выпадает в осадок, как бы конденсируется. И представьте себе, что, если сейчас взять и эти кварки пытаться раздвинуть, — на самом деле, такие эксперименты и проводятся — я прямо могу буквально сказать: берут и по какому-нибудь кварку щелчком так вот стукают. Это просто реальные эксперименты — в качестве щелчка, конечно, не палец используют, а какой-нибудь электрон: разгоняют электрон с большой энергией — бабах! — прям по кварку. Кварк пытается улететь, сколько у него силы есть, но он не может улететь из глюонного облака: он сам это облако порождает. В результате получается, что глюонное облако пытается растянуться, оно пухнет, пухнет, становится более тяжелым, и в результате распадается это все на частицы. Кварк просто так из этого не может выбраться — это одно из проявлений необычности глюонных сил.

На самом деле, дальше будет еще интересней. Благодаря этому получается так, что — помните принцип комбинирования, который прекрасно работал в атомных ядрах? он работал в атомах и молекулах — так вот, он вообще не работает в протоне. Как это выглядит? Давайте представим, например, по аналогии с атомным ядром. Пусть есть протон, который из кварков состоит. Давайте присобачим к нему еще несколько кварков — 9, 12, сколько-нибудь. Хотим получить какой-нибудь один большой и толстый мега-протон. Это экспериментально можно попытаться сделать — на самом деле, сложностей никаких нет. Эксперименты проводились, и что получается? Получается, эти дополнительные кварки не хотят лезть внутрь. Мы пытаемся их засунуть, а они не хотят лезть — они хотят обособиться. Вот это вот сложный переход, который физики до конца сейчас не понимают. В деталях это, конечно, как-то вычисляется, теоретически или численно, но такой общей понятной картинки, к сожалению, пока нет. Но результат такой получается, что объединить много кварков вместе не удается.

Казалось бы, ладно — нет, так нет, попытаемся изучать, что есть. Начинаем изучать частицы и вдруг видим, что на самом деле-то есть тяжелые аналоги протона. Вот есть протон, а есть другие частицы — несколько из них я здесь перечислил, которые экспериментально открыты, экспериментально изучены — они все очень похожи на протон. Их около десятка; может быть, почти два десятка сейчас открыто. И, что самое интересное, у них большая масса. То есть есть несколько частиц с разной массой — она все увеличивается, увеличивается...

Ученые заинтересовались — как так? Из чего тогда эти частицы состоят? Провели эксперименты и выяснили, что все они состоят из тех же трех кварков. И там есть три кварка, и там есть три кварка. Эти кварки все одинаковы. На самом деле, я не сказал — у кварков есть свои имена, несколько разных сортов, но все это зоология — это классификация кварков, которая многое про них не говорит. Вот что действительно интересно — это их жизнь: как они друг с другом связаны, взаимодействуют — то, что я рассказываю. Классификацию вы можете прочитать где-нибудь, это все не суть важно.

Так вот, что оказывается? Оказывается, в этих частицах кварков тоже три, но отличие заключается в том, что они сидят по-другому. Они расположены в какой-то хитрой форме относительно друг друга, и немножко по-другому двигаются. Если вдуматься, это тоже очень необычная вещь, потому что, ну смотрите, в обычной повседневной жизни, если вы возьмете и переставите части, например, кубика Рубика, то ничего из него нового — какого-нибудь более тяжелого объекта — вы не получите. А здесь получается именно так: если вы как-то переставляете кварки, то в результате глюонное облако пухнет, а поскольку оно тоже весит, масса получается больше. То есть принцип комбинирования полностью нарушается, но тем не менее существуют более тяжелые аналоги протонов.

Я даже не знаю, какой из обычной жизни пример привести, чтобы вы почувствовали, насколько это... (Из зала: «Чайник с водой».) Хмм.... Ну, хорошо, давайте я расскажу, чем глюонное облако отличается, например, от воды, да и вообще от чего угодно. Понимаете, в этом глюонном облаке нет фиксированного количества частиц, нет закона сохранения «вещества облака». Если взять и внаглую кусок этого облака вытащить — такое тоже можно экспериментально сделать, — то его там не убудет вовсе. Если взять и вытащить половину облака, оно снова там нарастет, потому что кварки не могут без этого — кварки эти силы распространяют в разные стороны, и эти силы потом материализуются. Вот это очень важно прочувствовать, что это не просто какое-то облако вещества, а самовосстанавливающаяся структура, которая весит, которая действует сама на себя.

Вопрос: А за счет чего она восстанавливается?

Это можно описать примерно так. Давайте я за две минутки это скажу. Вот есть силы, которые вы знаете, — электромагнитные силы. Это силы притяжения между электрическими зарядами. И в каком-то смысле их можно представлять как обмен частицами — эти частицы называются «фотоны». Самое главное, что фотоны друг с другом не взаимодействуют. Если, скажем, где-то есть сколько-то фотонов, и туда добавить еще побольше фотонов, то на тех, на предыдущих фотонах это вообще никак не скажется. Это называется «принцип суперпозиции», в электростатике, например. Электрические и магнитные поля просто складываются, и все. А вот с глюонными полями такое дело не проходит. Если вы увеличите концентрацию глюонов, то у них появляется тенденция порождать еще больше глюонов. Каждый глюон может порождать еще глюоны, они могут рекомбинировать, сталкиваться. В результате, если в облаке станет слишком мало глюонов (например, возьмете облако — и половинку облака уберете), то оставшиеся глюоны испустят новые, и они рассядутся вокруг протона так, чтобы всё было стабильно, стационарно. Это такое свойство, которое люди раньше вообще не знали.

Так вот. Здесь не работает ни принцип комбинирования, ни даже нормальная точка зрения на то, откуда берется масса. Обычно масса складывается из массы каких-то кирпичиков. Если у нас есть три кирпича, то суммарная масса кучки из трех кирпичей будет равна утроенной массе одного кирпича. В ядерной физике, когда протоны и нейтроны соединяются вместе, там тоже масса ядра примерно пропорциональна количеству нуклонов, только там небольшая есть энергия связи. А внутри протонов всё абсолютно другое.

На самом деле, физики посчитали — сверили теоретические расчеты с экспериментальными данными — и вычислили массу тех кварков, которые там сидят, этих маленьких компактных объектов. И выяснилось, что масса их составляет примерно 2% — всего лишь! — от массы всего протона, представляете? Вы только представьте: вот есть человек, масса у него — 60 кг, и лишь 1 кг в нем — собственно материя: всякие электрончики, кварки — то есть то, что мы, собственно, называем материей. А остальные 59 — это глюонные облака, которые аккуратненько сидят в каждом протончике и нейтрончике и весят, весят, и притягивают к земле, и дают инерцию телу. Это представить себе просто интересно.

Про эти частицы я еще хотел сказать следующее. Здесь получается, что разное расположение кварков относительно друг друга как будто порождает дополнительную массу, по-новому перерождает частицу. Из того, что мне приходит на ум, я могу вам предложить подумать про них как про роботов-трансформеров — знаете, в мультиках такие есть. Вот они переставились, перекрутились как-то, и получилось что-то совсем новое, и на вид вроде бы даже больше получилось. Здесь нечто похожее получается, только это не какой-то вымышленный робот-трансформер, а это то, что действительно в нашем мире существует, в каждом из нас. В каждой молекуле, атоме всё это реализуется. Получается — и это важное утверждение, — что практически вся масса — по крайней мере 90 с лишним процентов — в каждом протоне, да и вообще в теле, состоит из глюонного облака. Глюонное облако придает инерцию.

Самих физиков всё это немножко удивило, озадачило, когда они это открыли. Надо сказать, что это не было так вот резко открыто — это постепенно прояснялось, были разные эксперименты, численные расчеты, были какие-то простые модели. Сначала они немножко не согласовывались друг с другом, потом начали постепенно наводить мосты между ними, и всё это постепенно пришло к пониманию. И физики подумали: раз такая картинка, может быть, ее надо экспериментально проверить? Это глюонное облако, потому что кварки — ну, это понятно, частички какие-то. А вот глюонное облако — это нечто новое. И вот они задумались: как же можно вот эти свойства глюонного облака изучать?