Удивительный мир внутри атомного ядра

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.

Но есть и другие разнообразные способы, как определить наличие кварков в протоне. Например, если протон неподвижный, то у него есть статические свойства, то есть свойства неподвижного протона — ну, масса, это понятно; у него может быть спин, спин — это квантовая такая вещь; у него есть магнитный момент. У него есть несколько характеристик, которые можно экспериментально измерить с высокой точностью, причем не только в протоне, но и в других частицах такого типа. Оказывается, что если применить эту простую кварковую модель к неподвижному протону, то вроде получается очень похоже на то, что в реальности мы и наблюдаем.

Ну есть еще и третий и четвертый тип экспериментов и так далее...

На самом деле, эти кварки — здесь, конечно, всё тонко, потому что кварки, которые находятся в неподвижном протоне — это одни кварки, а кварки, которые находятся в быстродвижущемся протоне, они уже совсем другие объекты. Это все очень непросто, но вы не обращайте на это внимания. Просто поверьте, что на самом деле из разных экспериментов складывается такая картина, что есть компактные частички, которые связаны разными силами. И это всё погружено в глюонное облако. Какой-то другой картины, которая так же хорошо описывает экспериментальные данные, которых очень много, к сожалению, нету. К сожалению — потому что было бы интересно, если бы получилась совсем другая картина, которая так же хорошо описывала бы это дело.