Удивительный мир внутри атомного ядра - Игорь Иванов

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?

Вообще, как я уже говорил, их изучают так: берут и сталкивают частицы, при этом они разлетаются, может рождаться что-то новое, есть детекторы, которые всё улавливают, восстанавливают. Так вот, этот способ прекрасно работает, если вы хотите узнать, например, какая энергия сидит вот в этих кварках. Именно в кварках, потому что они несут основную часть энергии. Но, к сожалению, это не помогает узнать про структуру облака. Ведь это не просто какая-то плотность глюонов — это новая структура, которая как будто сама сконденсировалась и возникла. Я еще раз повторяю — это очень интересный объект. Это облако надо исследовать каким-нибудь другим способом.

И вот физики придумали способ: надо тоже сталкивать частицы, тоже с большой скоростью, с большой энергией, но надо обращать внимание не на столкновения лоб в лоб, когда рождается куча всего, а на столкновения, когда они чуть-чуть задевают друг друга — так вот проходят, пролетают и чиркают друг друга слегка. Тогда вот эти кварки, которые здесь летят, не чувствуют этого столкновения — подумаешь, пролетели и пролетели. Но вот облака, которые чуть-чуть задевают друг друга, — что-то с ними-то хитрое в этот момент и происходит. Их можно представить как ошмёток пены. Вот летят два куска пены, и в момент, когда они касаются друг друга, между ними проскакивает кусочек пены.

Вот этот объект, который здесь проскакивает — он называется «померон». Это очень хитрый объект, и на самом деле прямо сейчас его физики изучают. То есть, буквально, если сейчас поехать на конференцию — там, наверное, половина докладов будет об экспериментальном или теоретическом изучении померона. Я еще раз хочу подчеркнуть, что этот объект — это не просто какая-то частица взяла и обменялась, типа фотона. Это очень хитрый объект: он динамически возникает, и он не похож на просто частицу.

Лет десять назад — сейчас-то уже успокоились — люди на конференциях буквально ругались друг с другом, потому что у них у всех были разные модели померонов. Есть простые модели, есть сложные модели, и они почему-то друг с другом не сходились. Ну, на самом деле, некоторые модели еще были довольно корявые. Но тем не менее. Это был такой период, когда люди не знали, что такое померон — вообще. И пытались разными способами разобраться в этом деле. До рукоприкладства не доходило, но, по крайней мере, друг с другом ругались люди. Сейчас тоже ругаются, но уже по другим поводам — про померон уже не ругаются, наверное, потому что поняли, что уже бесполезно. Есть эксперименты, особенно в последние 10 лет. Вот в Гамбурге был эксперимент, который очень хорошо изучил свойства померона, и теперь хоть немножко про него понятно.

Так вот, померон — это и есть тот объект, который появляется, когда мы пытаемся вытащить кусочек глюонного облака из протона. Этот объект надо куда-то девать. Например, он может перепрыгнуть с одной частицы на другую. В процессе перепрыгивания он существует сам по себе. Вы видите: он там не зацеплен ни за какие кварки, а как будто локализован в пространстве, как будто сам по себе живет. И есть даже предположения, что он может отдельно жить. Если по протону стукнуть, то при определенных условиях померон может вырваться, отлететь и какое-то время пожить там сам по себе, без каких-либо кварков. Это вообще даже интересно себе представить.

То есть то, что раньше было просто силой, теперь оно материализовалось и даже оторвалось от своих родительских кварков и сидит в пространстве. Такие объекты люди уже давно ищут, но, к сожалению, не нашли. Называются они «глюболы» — от слов «glue» и «ball», то есть «кусочек клея». «Глюоны» — это от слова «клей», который как будто склеивает эти кварки. То есть, в принципе, возможно существование отдельно этого кусочка глюонного поля, но, к сожалению, экспериментально его пока не нашли. Может быть, этого и нет, а может, есть — непонятно, надо изучать.

Ну, физики, конечно, всё это придумали — особенно теоретики — и говорят: вот классно, теперь можно исследовать померон таким способом. Но экспериментаторам, на самом деле, очень непросто. Потому что когда два протона пролетают, слегка чиркая друг по другу, то между ними нет никакого сильного столкновения. Протон совсем чуть-чуть отклоняется — меньше чем на градус.

Вопрос: Когда два протона проходят, кварки — они ведь тоже обладают массой, да? — между собой тоже будут взаимодействовать?

Да, давайте я еще раз повторю. Когда вы сталкиваете друг с другом протоны, вы, на самом деле, даже не можете контролировать их столкновение — как столкнутся, так столкнутся. То есть у вас при этом может получиться что угодно. Может получиться жесткое столкновение лоб в лоб, когда один кварк сталкивается с другим; они разлетаются, и получается что-то невообразимое. Есть столкновения, когда два кварка из одного протона и два кварка из другого протона независимо сталкиваются — такое тоже может быть. И обычно так и происходит — это называется «жесткие столкновения», когда рождается куча всего при большой энергии. Но в этих столкновениях не изучишь померон — вот этот кусочек облака, его трудно изучить. Поэтому физики делают так: они сталкивают всё подряд. Вот на этом коллайдере протоны будут сталкиваться 40 миллионов раз в секунду в течение нескольких лет. Они наберут все эти столкновения, а потом будут выискивать из них те, которые, например, такого вот типа или другого типа.

То есть, на самом деле, и кварки взаимодействуют — всё взаимодействует. Получается всякое разнообразие при этом, но потом, когда физики пытаются разобраться, они вытаскивают именно то, что им надо.

Вопрос: Как вообще смогли увидеть все эти кварки, глюонные облака и так далее? Это как-то экспериментально доказано?

Да. Вот есть такой эксперимент Резерфорда, в 1905 году. Тогда атомы открыли, но еще не знали их структуру — просто знали, что там есть электроны в каком-то виде. Так вот, он сделал такой эксперимент.

Он брал одни частицы — альфа-частицы — и пускал их по атому. У него была такая тоненькая золотая фольга, он прямо на эту фольгу пускал частицы и смотрел, на какой угол они отклоняются. Так вот, классической-то физике мы верим, а тогда была классическая физика; эта классическая физика предсказывает тот закон, по которому будут частицы отклоняться за счет электрического притяжения или отталкивания, когда они пролетают друг мимо друга. Этот закон четко предсказывает, какая будет картина рассеяния (это называется рассеяние — когда частицы отклоняются в разные стороны) в зависимости от конкретной модели атома, в зависимости от конкретного устройства. Например, если атом «рыхлый», то они будут лететь в основном вперед и отклоняться на маленький угол. Если же атом, как вот оказалось, имеет очень маленькое и компактное ядро в центре, то картина будет совсем другая. То есть то, что экспериментаторы видят, — они видят, на какой угол разлетелись частицы, и после этого, пользуясь законами классической электродинамики, восстанавливают структуру этого атома.

С точки зрения эксперимента, в протоне почти то же самое. Единственное — что там, конечно, формулы сложнее. Но конкретно кварки лучше всего увидеть таким способом: если вы сталкиваете два протона, то, в зависимости от энергии, у вас получаются разные картины. Если энергия протонов небольшая, то протоны просто разлетаются, и всё. Если энергии чуть-чуть больше — скажем, если скорость близка к скорости света, но не сильно близка, — то в результате получается так, что у вас может рождаться пара частиц. Это всё исследовалось, но этим способом структуру протона определить сложно. Можно определить его свойства и как они друг с другом взаимодействуют. Для того, чтобы увидеть маленькую структуру, надо разгонять частицы всё сильнее и сильнее, просто потому, что, как в микроскопе, при этом становятся видны всё более мелкие расстояния.

Когда сталкиваешь друг с другом частицы — ну вот протоны — с энергией, которая в 50-100 раз превышает их энергию покоя, то получается, что эти кварки могут столкнуться и резко разлететься. Когда они разлетаются, в результате получается струя. Эта струя — поток частиц, который идет примерно в направлении исходных кварков. То есть летят кварки, стукаются, разлетаются, и в результате в эксперименте мы видим поток частиц в эту сторону, поток частиц в эту сторону. Никакими иными способами, кроме как предположением о том, что там есть компактный маленький объект, который очень близко подошел и очень сильно оттолкнулся, мы не можем это описать. То есть, может быть, некоторые люди могут всю физику полностью переписать, но, к сожалению, пока такой иной теории нет.