Кварки, протоны, Вселенная

Может показаться, что все это — чисто академические вопросы. Но как знать... Об элементарных частицах нам известно еще очень мало. А вот деформация атомных ядер, например, оказалась связанной с тонкими внутриядерными эффектами, и ее исследование стало одним из важных разделов ядерной физики. Когда изучаешь глубины материи, никогда нельзя сказать заранее, к каким практическим результатам это приведет.

Первый вопрос, который возникает при изучении формы элементарных частиц: а как вообще увидеть их форму? Ведь частицу нельзя рассмотреть или сфотографировать под микроскопом, как это делают, например, с микробом. Способ один — изучать движение частиц под действием различных полей.

Электрическое поле, создаваемое заряженным телом, зависит от того, какую форму имеет это тело. Поле заряженной горошины отличается от поля, создаваемого заряженным чечевичным зерном, а поле вытянутой сигары не похоже ни на то, ни на другое. Внешнее электрическое поле тоже по-разному действует на тела с различной геометрической формой.

Теория говорит, что в мире элементарных частиц должно быть то же самое. Их взаимодействие также должно зависеть от их формы. Поэтому, наблюдая рассеяние сталкивающихся частиц, когда они сближаются на очень малые расстояния и поле их взаимодействия становится очень сильным, можно заметить различия в их форме.

Особенно удобно изучать взаимодействия частиц с электронами и гамма-квантами. И те, и другие в отличие от мезонов и нуклонов не чувствительны к ядерным силам. Законы, управляющие ядерными силами, известны пока еще не слишком хорошо, поэтому предугадать их влияние на ход эксперимента трудно. Взаимодействие же электронов и гамма-квантов с частицами целиком обусловлено электромагнитными силами, свойства которых хорошо изучены и очень точно описываются теорией. Все это упрощает эксперимент и позволяет более надежно и однозначно интерпретировать его результаты. Все отклонения экспериментальных данных от теоретических формул, выведенных для безразмерных, точечных частиц, в этом случае можно целиком приписать влиянию формы и размеров частиц.

В последние 20—30 лет в различных физических лабораториях выполнено много опытов с рассеянием электронов и гамма-квантов на протонах. И во всех опытах протоны вели себя как абсолютно круглые, сферически симметричные частицы. То же самое обнаружилось и при рассеянии частиц на нейтронах. Они тоже оказались похожими на шарики — в целом электрически нейтральные, но имеющие внутри себя слои перекрывающихся положительных и отрицательных зарядов. Словом, самые точные эксперименты не обнаружили у протона и нейтрона никаких отклонений от сферической симметрии.

Недавно на самом большом советском ускорителе, в подмосковном городке Протвино, вблизи Серпухова, были закончены опыты с рассеянием пучков пи-мезонов на атомарных электронах. Результат таков: мезон — тоже сферически симметричный шарик.

О других элементарных частицах экспериментальных данных еще нет. Сведения об их форме можно получить лишь на основании теоретических соображений. А из этих соображений, в частности, следует, что форма частиц тесно связана с величиной их спинов. Как уже говорилось, многие частицы похожи на безостановочно вращающиеся волчки. Возможно, это вызвано какими-нибудь круговыми движениями в их недрах, вроде широтных течений в океанах или сейсмических волн в земной коре. Как бы там ни было, квантовые законы, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных, прерывистых порций энергии, поэтому вращательное движение внутри частиц происходит не с любыми, а только лишь с некоторыми дискретными угловыми моментами-спинами. Чем массивнее вращающееся тело, тем больше скорость и орбиты движения его частей, тем труднее остановить вращение или изменить направление его оси — тело сопротивляется. Вот эту сопротивляемость и характеризует величина углового момента. Чем она больше, тем движение устойчивее и энергичнее.

Частицы с небольшим спином можно назвать медленно вращающимися. Протон и нейтрон как раз таки частицы. К этой группе принадлежат также гипероны и многие из мезонов. Пи-мезон вообще не вращается, его спин равен нулю. Расчеты теоретиков показывают, что все медленно вращающиеся частицы должны иметь форму, очень близкую к сферической, а вот быстро вращающиеся, «высокоспиновые», как бы деформируются центробежными силами и могут стать вытянутыми, подобно упомянутой сигаре, или сжаться вдоль оси своего вращения, как чечевичное зерно. Такими свойствами должны обладать, например, так называемые резонансы — быстро вращающиеся состояния «слипшихся» мезона и нуклона, а также многие атомные ядра.

Не устаешь удивляться особенностям элементарных частиц! Обладают сложной структурой, разнообразием форм, и вместе с тем это последние, неделимые дальше крупинки вещества. Если верна гипотеза «кварковой тюрьмы» — конфаймента, то расщепить их на более мелкие составные части никогда не удастся.