Хотя качественное представление о том, что электрон "видит" сложное распределение виртуальных мезонов, в основном справедливо, полное объяснение экспериментальных данных оказалось не столь уж простым делом. Фотоны пришлось наделять очень интересными новыми свойствами. Дело в том, что непосредственное взаимодействие между электрическими зарядами происходит только при обмене фотоном между ними. Но надо было считать, что фотон может на малую часть времени превращаться в особый тип мезонов и, следовательно, с некоторой вероятностью участвовать в сильных взаимодействиях.
Так была обнаружена структура адронов в электромагнитных взаимодействиях. Но еще сильней эта структура проявлялась во взаимодействиях между адронами.
При упругом рассеянии адронов друг на друге возникает чрезвычайно сложная картина их распределения по углам рассеяния, ни в малейшей степени не напоминающая ту картину, которая появляется при взаимодействии точечных частиц. Это, конечно, и не удивительно - ведь теперь уже взаимодействует как бы два сгустка адронного вещества, два сложных структурных объекта.
Очевидные трудности в понимании картины адрон-адронного рассеяния связаны с тем, что ни одну из сталкивающихся частиц нельзя рассматривать как зонд с хорошо известными свойствами, как это делалось в случае электрон-адронного рассеяния.
Если бы физики имели возможность изучать структуру адронов единственным способом, сталкивая их с другими адронами, то они уподобились бы, скажем, древним эллинам, которым выдан неограниченный запас транзисторных радиоприемников и предложено изучить устройство этих вещей также единственным способом - сталкивая между собой приемники с возможно большей силой...
ГДЕ ПРЯЧУТСЯ КВАРКИ?
Итак, все эксперименты свидетельствовали в пользу сложной структуры адронов. Физикам стало ясно, что адроны выглядят как чрезвычайно плотные сгустки вещества с радиусом порядка 10-13 сантиметра. Однако до поры до времени зондирование адронной структуры проводилось не слишком глубоко. Грубо говоря, результаты экспериментов позволяли представить себе внешний слой адрона, но его внутренние области практически не были изучены.
В 1968 году в небольшом калифорнийском городе Стэнфорде был запущен новый ускоритель электронов с энергией до 20 ГэВ. Несмотря на сравнительно скромное значение этой величины, по сравнению с параметрами протонных синхротронов, Стэнфордский ускоритель стал выдающимся достижением инженерно-физической мысли; ведь электроны ускорять значительно трудней, чем, например, протоны или атомные ядра. Дело в том, что электроны значительно легче протонов и гораздо активней теряют энергию на электромагнитное излучение, затрудняя тем самым процесс ускорения.
Новая установка позволяла заглянуть в адрон намного глубже, чем все предыдущие. Физики фактически впервые получили возможность непосредственно изучать процессы взаимодействия на расстояниях порядка 10-15 сантиметра, то есть в 100 раз меньших собственного размера адрона!
Конечно, исследователи были уверены, что столь уникальный инструмент для зондирования структуры принесет ценнейшую информацию. Но вряд ли они представляли себе, что самые первые эксперименты дадут совершенно обескураживающие результаты...
Сразу же после запуска ускорителя группа В.Панофского приступила к опытам, которые были задуманы как продолжение хофстэдтеровских работ. Пучок электронов, полученный в ускорителе, выводился на водородную мишень, и измерялось распределение провзаимодействовавших электронов по углам рассеяния и по энергиям.
При этом отбирались главным образом два типа событий: во-первых, случаи упругого рассеяния, в которых электрон передавал протону большой импульс, и, во-вторых, акты, в которых электроны теряли не только большой импульс, но и большую энергию на рождение новых адронов.
С упругим рассеянием электронов на протонах все обстояло как нельзя лучше - новые экспериментальные данные просто продолжали ту же самую закономерность, которая была установлена еще в опытах Р. Хофстэдтера, и не показывали каких-либо резких изменений при переходе к меньшим расстояниям. Хотя характер распределения заряда в глубине протона оставался непонятным.
Зато акты неупругого соударения, в которых электроны передавали протонам большой импульс и теряли большую энергию на рождение новых адронов, выстраивались в крайне странную картину - протон как бы... терял структуру. Поведение наблюдаемых распределений становилось очень похоже на тот эталон, теоретическую формулу, которая была предназначена для описания взаимодействия точечных зарядов.
Получалось так, что в глубоко-неупругих процессах (так было названо рассеяние с передачей большого импульса и большой потерей энергии на образование новых адронов) электрон испытывал соударение с точечным зарядом. Противоречие?
Конечно, если только предположить, что электрон должен "видеть" структуру протона всегда одинаково независимо от ситуации. Но такая точка зрения неудовлетворительна даже в обычной повседневной жизни - восприятие структуры любого объекта или явления сильно зависит от нашего функционального взаимоотношения с ним. Простой пример. Зевака на перекрестке и мастер, копающийся з моторе, видят структуру автомобиля совсем по-разному: первый воспринимает общую форму, второй - отдельные детали.
В конечном итоге такого же типа различие должно было проявляться и при зондировании адронной структуры электронными пучками. Упругое рассеяние с не очень большой передачей импульса позволяло увидеть протон в целом, как единое образование. А вот глубоко-неупругие процессы, в которых возбуждались внутренние области протона и имело место частичное нарушение его целостности, вполне могли давать информацию об отдельных тонких деталях строения.
Любопытно, что о возможности резкого отклонения от хофстэдтеровских результатов при переходе к неупругим реакциям еще в 1964 году писал академик М. Марков. Однако это замечание до поры до времени не находило должного отклика - большинство физиков все-таки надеялись, что адроны сохранят структуру рыхлого облака вплоть до самых малых расстояний.
В связи с результатами стэнфордских экспериментов немедленно возник вопрос: на чем же все-таки рассеивается электрон, неужели протон в глубоко-неупругих процессах выглядит как настоящая бесструктурная точка? Как теперь связать это представление с тем, что известно из прежних экспериментов по исследованию структуры адронов, которые ясно указывали на конечный, вполне определенный размер протона?
В 1969 году американский теоретик Р. Фейнман высказал простую (потрясающе простую!) гипотезу, что протон в глубоко-неупругих процессах предстает не в виде рыхлого облака, а как набор каких-то бесструктурных частиц, партонов (от английского: part - часть). Передавая протону большой импульс, электрон на самом деле испытывает рассеяние на отдельном партоне, а механизм этого рассеяния совершенно обычный - обмен квантом электромагнитного поля - фотоном. Отсюда ясно, что, по крайней мере, некоторая часть партонов обязательно должна нести электрический заряд.
Если при этом очень велика и теряемая электроном энергия, то партон выглядит как совершенно свободная частица, его связи с другими партонами внутри протона как бы рвутся.
Фотон, которым обмениваются электрон и партон, словно фиксирует моментальную фотографию глубокого строения протона. Время взаимодействия этого фотона с партоном намного меньше, чем характерное время взаимодействия самого партона с другими элементами протонной структуры. Поэтому фотон "видит" как бы застывшую картину - почти неподвижные партоны внутри протона.
После жесткого удара партон, получивший очень большой импульс за очень малое время - буквально это означает, что на него подействовала очень большая сила, - резко меняет направление движения, вызывает в протоне изрядную суматоху среди своих собратьев. Теперь протон практически не может сохранить целостность, скорее всего он развалится на несколько "партонных пачек", которые и будут зарегистрированы как новые реальные адроны.
Напротив, в соударениях с малой передачей импульса отдельные партоны получают лишь слабые толчки, связи между ними не могут разорваться, и протон испытывает взаимодействие с электроном как нечто целое. В этом случае вероятность развала протона мала. Поэтому в таких соударениях партонная структура протона просто не видна. Чтобы почувствовать партоны, электрон должен непременно передать протону очень большой импульс, то есть пройти как можно ближе к центру протона. При этом он будет тем отчетливей видеть партоны как особые частицы, чем быстрее фотон успеет поглотиться партоном. Но для быстрого поглощения необходимо, чтобы электрон передал партону и достаточно большую энергию. Чем больше эта энергия, тем отчетливее получается "фотография" партонной структуры.
В сущности, это похоже на известное каждому фотолюбителю правило нельзя получить хороший снимок, если характерный период движения объекта съемки того же порядка, что и время выдержки...
Качественно проявление партонной структуры очень напоминает картину прохождения электронного пучка не особенно большой энергии сквозь тонкую пленку вещества. Наблюдаемые при этом события четко делятся на два класса большинство электронов рассеивается на чрезвычайно малые углы, лишь слабо отклоняясь от оси начального пучка, и только малая часть разлетается на сравнительно большие углы. Первый тип событий обусловлен многократными случайными соударениями с атомами, на которых теряется очень малая часть импульса. Во втором случае происходит резкое соударение с атомными электронами - именно здесь и проявляется зернистая структура вещества пленки.
Не лишним будет и напоминание о резерфордовских экспериментах по обнаружению атомных ядер. В сущности, именно те соударения альфа-частиц с ядрами, в которых передавались большие импульсы, и альфа-частицы неизбежно отклонялись на большие углы, позволили увидеть ядерную структуру атомов.
Судя по этим аналогиям, экспериментальные результаты группы В. Панофского и их интерпретация Р. Фейнманом означали прорыв к своеобразному субэлементарному уровню. Еще бы! Ведь обнаружены бесструктурные, а следовательно, скорее всего истинно элементарные (!) составные части адрона!
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.
Нарисованная схема устройства протона, конечно очень упрощена, но, как вы видите, она помогает связать единым образом различные структурные представления о нем.
Эта схема полезна и еще в одном отношении. Обратите внимание, что по мере движения из внутренних областей адрона во внешние мы встречаем все более усложняющиеся частицы.
Если в центре протона находятся три бесструктурных кварка, то следующая промежуточная оболочка включает в себя множество кварков, которые могут образовывать всевозможные комбинации: пары кварк - антикварк, тройки кварков и антикварков. Это, в сущности, кварковые атомы - сердцевины возможных адронов.
Между кварковым морем и внешней оболочкой виртуальных адронов, конечно, не существует резкой границы. Видимо, условное пограничье между морем и внешней оболочкой определяется тем, что большинство морских кварков (физики так и называют кварки из моря!) комбинируются в зародыши будущих частиц, своеобразные кварковые атомы. Виртуальные адроны из внешней оболочки уже обладают каждый своими зарядами, то есть кварковой сердцевиной. Скажем, всякий виртуальный мезон можно рассматривать как комбинацию кварка и антикварка, а каждый виртуальный барион - как комбинацию из трех кварков.
Более того, каждая виртуальная частица из внешней оболочки протона, видимо, успевает обзавестись и собственным кварковым морем (по крайней мере, собственным озером). Поэтому она ведет себя почти как реальная частица, но, чтобы стать по-настоящему реальной, она должна получить энергию извне. Именно это и происходит в результате соударения, например, двух протонов - в среднем половина энергии столкновения уходит на образование новых адронов. Эта энергия в основном и расходуется на формирование реальных частиц.
Итак, получается, что во внешней оболочке протона свободные кварки практически отсутствуют, хотя в центре нет ничего, кроме кварков. Видимо, законы взаимодействия кварков устроены таким образом, что сами кварки просто не могут поодиночке выходить наружу. Например, очень велика вероятность того, что кварк, попытавшийся вырваться из адрона самостоятельно, просто будет захвачен и увлечен в кварковое море одной из частиц внешней оболочки. Оказывается, что эта вероятность велика настолько, что отдельный кварк не способен пройти без захвата расстояние порядка размера протона, то есть не может выскочить наружу в виде реальной частицы.
Вот как хитро может быть устроена "адронная темница" для кварков! Кварк словно мощной резиновой лентой привязан к другим кваркам.
Действительно, валентные кварки практически движутся свободно в центре адрона. В кварковом море взаимодействие между ними тоже не очень сильно. Но оно резко усиливается, когда какой-либо кварк пытается отойти от других на большое расстояние. Силы, действующие между кварками, могут стать столь же большими, как и силы, действующие между адронами, если не больше! И такой кварк просто не сможет прорваться сквозь плотную среду виртуальных адронов внешней оболочки.
Теперь длительный неуспех в поисках реальных кварков может показаться не столь уж удручающим. Они могут быть полностью или почти полностью заперты в адронах и, тем не менее, рассматриваться... как реальные частицы.
Нет ли здесь противоречия? Как можно считать реальными частицы, которые не то что не оставляют следов, но и вообще не способны выделиться в чистом виде? Что за необычные силы могут действовать между кварками?..
И вправду, накопилось множество вопросов, которые связаны с новыми представлениями, сформировавшимися в физике буквально за последнее десятилетие. Пора обсудить, что же нового мы можем сказать сегодня о законах сил, действующих между частицами, и о том, какие частицы и в каком смысле следует считать реальными...
ЧТО ДЕЛАТЬ С ЭТАЛОНАМИ И АНАЛОГИЯМИ?
Итак, основная проблема связана с пониманием природы сил, действующих между частицами и внутри частиц.
Современная физика имеет дело с четырьмя различными типами взаимодействия, которые резко отличаются по интенсивности - сильными, электромагнитными, слабыми и гравитационными. Начнем с конца.
Гравитационные взаимодействия определяют структуру планетных систем, галактик и, видимо, вселенной в целом, но в микромире они практически не заметны. Во всяком случае, считается, что на данном этапе исследования процессов с элементарными частицами этими силами можно пренебречь.
Три остальных типа взаимодействия, несомненно, играют существенную роль в устройстве микромира, но до настоящего времени ни одно из них не получило последовательной и удовлетворительной теоретической трактовки. Причины такого положения дел очень интересны и отнюдь не лежат на поверхности.
В каждый период развития физики формировался определенный эталон в понимании механизма взаимодействия.
До недавнего времени таким эталоном в физике микромира, несомненно, была квантовая электродинамика - квантовая теория взаимодействия элементарных электрических зарядов с электромагнитным полем. Эта теория приобрела несколько выделенное положение отчасти по наследству благодаря хорошему развитию классической электродинамики.
Сильные и слабые взаимодействия элементарных частиц были открыты и подверглись глубокому исследованию значительно позже, чем электромагнитные. Поэтому естественно, что именно электродинамика стала первым своеобразным эталоном для построения любой другой теории.
Взаимодействие согласно квантовой электродинамике осуществляется при испускании или поглощении квантов электромагнитного поля - фотонов электронами или другими электрически заряженными частицами. Таким образом, в простейшем случае взаимодействие между двумя заряженными частицами происходит за счет обмена фотоном. В принципе возможен обмен и не одним, а двумя, тремя и большим количеством фотонов, но такие процессы будут менее вероятны. Вероятность испускания каждого фотона приближенно характеризуется безразмерной величиной, которая равна отношению квадрата элементарного электрического заряда (е) к произведению постоянной Планка (h) на скорость света (с):
Так была обнаружена структура адронов в электромагнитных взаимодействиях. Но еще сильней эта структура проявлялась во взаимодействиях между адронами.
При упругом рассеянии адронов друг на друге возникает чрезвычайно сложная картина их распределения по углам рассеяния, ни в малейшей степени не напоминающая ту картину, которая появляется при взаимодействии точечных частиц. Это, конечно, и не удивительно - ведь теперь уже взаимодействует как бы два сгустка адронного вещества, два сложных структурных объекта.
Очевидные трудности в понимании картины адрон-адронного рассеяния связаны с тем, что ни одну из сталкивающихся частиц нельзя рассматривать как зонд с хорошо известными свойствами, как это делалось в случае электрон-адронного рассеяния.
Если бы физики имели возможность изучать структуру адронов единственным способом, сталкивая их с другими адронами, то они уподобились бы, скажем, древним эллинам, которым выдан неограниченный запас транзисторных радиоприемников и предложено изучить устройство этих вещей также единственным способом - сталкивая между собой приемники с возможно большей силой...
ГДЕ ПРЯЧУТСЯ КВАРКИ?
Итак, все эксперименты свидетельствовали в пользу сложной структуры адронов. Физикам стало ясно, что адроны выглядят как чрезвычайно плотные сгустки вещества с радиусом порядка 10-13 сантиметра. Однако до поры до времени зондирование адронной структуры проводилось не слишком глубоко. Грубо говоря, результаты экспериментов позволяли представить себе внешний слой адрона, но его внутренние области практически не были изучены.
В 1968 году в небольшом калифорнийском городе Стэнфорде был запущен новый ускоритель электронов с энергией до 20 ГэВ. Несмотря на сравнительно скромное значение этой величины, по сравнению с параметрами протонных синхротронов, Стэнфордский ускоритель стал выдающимся достижением инженерно-физической мысли; ведь электроны ускорять значительно трудней, чем, например, протоны или атомные ядра. Дело в том, что электроны значительно легче протонов и гораздо активней теряют энергию на электромагнитное излучение, затрудняя тем самым процесс ускорения.
Новая установка позволяла заглянуть в адрон намного глубже, чем все предыдущие. Физики фактически впервые получили возможность непосредственно изучать процессы взаимодействия на расстояниях порядка 10-15 сантиметра, то есть в 100 раз меньших собственного размера адрона!
Конечно, исследователи были уверены, что столь уникальный инструмент для зондирования структуры принесет ценнейшую информацию. Но вряд ли они представляли себе, что самые первые эксперименты дадут совершенно обескураживающие результаты...
Сразу же после запуска ускорителя группа В.Панофского приступила к опытам, которые были задуманы как продолжение хофстэдтеровских работ. Пучок электронов, полученный в ускорителе, выводился на водородную мишень, и измерялось распределение провзаимодействовавших электронов по углам рассеяния и по энергиям.
При этом отбирались главным образом два типа событий: во-первых, случаи упругого рассеяния, в которых электрон передавал протону большой импульс, и, во-вторых, акты, в которых электроны теряли не только большой импульс, но и большую энергию на рождение новых адронов.
С упругим рассеянием электронов на протонах все обстояло как нельзя лучше - новые экспериментальные данные просто продолжали ту же самую закономерность, которая была установлена еще в опытах Р. Хофстэдтера, и не показывали каких-либо резких изменений при переходе к меньшим расстояниям. Хотя характер распределения заряда в глубине протона оставался непонятным.
Зато акты неупругого соударения, в которых электроны передавали протонам большой импульс и теряли большую энергию на рождение новых адронов, выстраивались в крайне странную картину - протон как бы... терял структуру. Поведение наблюдаемых распределений становилось очень похоже на тот эталон, теоретическую формулу, которая была предназначена для описания взаимодействия точечных зарядов.
Получалось так, что в глубоко-неупругих процессах (так было названо рассеяние с передачей большого импульса и большой потерей энергии на образование новых адронов) электрон испытывал соударение с точечным зарядом. Противоречие?
Конечно, если только предположить, что электрон должен "видеть" структуру протона всегда одинаково независимо от ситуации. Но такая точка зрения неудовлетворительна даже в обычной повседневной жизни - восприятие структуры любого объекта или явления сильно зависит от нашего функционального взаимоотношения с ним. Простой пример. Зевака на перекрестке и мастер, копающийся з моторе, видят структуру автомобиля совсем по-разному: первый воспринимает общую форму, второй - отдельные детали.
В конечном итоге такого же типа различие должно было проявляться и при зондировании адронной структуры электронными пучками. Упругое рассеяние с не очень большой передачей импульса позволяло увидеть протон в целом, как единое образование. А вот глубоко-неупругие процессы, в которых возбуждались внутренние области протона и имело место частичное нарушение его целостности, вполне могли давать информацию об отдельных тонких деталях строения.
Любопытно, что о возможности резкого отклонения от хофстэдтеровских результатов при переходе к неупругим реакциям еще в 1964 году писал академик М. Марков. Однако это замечание до поры до времени не находило должного отклика - большинство физиков все-таки надеялись, что адроны сохранят структуру рыхлого облака вплоть до самых малых расстояний.
В связи с результатами стэнфордских экспериментов немедленно возник вопрос: на чем же все-таки рассеивается электрон, неужели протон в глубоко-неупругих процессах выглядит как настоящая бесструктурная точка? Как теперь связать это представление с тем, что известно из прежних экспериментов по исследованию структуры адронов, которые ясно указывали на конечный, вполне определенный размер протона?
В 1969 году американский теоретик Р. Фейнман высказал простую (потрясающе простую!) гипотезу, что протон в глубоко-неупругих процессах предстает не в виде рыхлого облака, а как набор каких-то бесструктурных частиц, партонов (от английского: part - часть). Передавая протону большой импульс, электрон на самом деле испытывает рассеяние на отдельном партоне, а механизм этого рассеяния совершенно обычный - обмен квантом электромагнитного поля - фотоном. Отсюда ясно, что, по крайней мере, некоторая часть партонов обязательно должна нести электрический заряд.
Если при этом очень велика и теряемая электроном энергия, то партон выглядит как совершенно свободная частица, его связи с другими партонами внутри протона как бы рвутся.
Фотон, которым обмениваются электрон и партон, словно фиксирует моментальную фотографию глубокого строения протона. Время взаимодействия этого фотона с партоном намного меньше, чем характерное время взаимодействия самого партона с другими элементами протонной структуры. Поэтому фотон "видит" как бы застывшую картину - почти неподвижные партоны внутри протона.
После жесткого удара партон, получивший очень большой импульс за очень малое время - буквально это означает, что на него подействовала очень большая сила, - резко меняет направление движения, вызывает в протоне изрядную суматоху среди своих собратьев. Теперь протон практически не может сохранить целостность, скорее всего он развалится на несколько "партонных пачек", которые и будут зарегистрированы как новые реальные адроны.
Напротив, в соударениях с малой передачей импульса отдельные партоны получают лишь слабые толчки, связи между ними не могут разорваться, и протон испытывает взаимодействие с электроном как нечто целое. В этом случае вероятность развала протона мала. Поэтому в таких соударениях партонная структура протона просто не видна. Чтобы почувствовать партоны, электрон должен непременно передать протону очень большой импульс, то есть пройти как можно ближе к центру протона. При этом он будет тем отчетливей видеть партоны как особые частицы, чем быстрее фотон успеет поглотиться партоном. Но для быстрого поглощения необходимо, чтобы электрон передал партону и достаточно большую энергию. Чем больше эта энергия, тем отчетливее получается "фотография" партонной структуры.
В сущности, это похоже на известное каждому фотолюбителю правило нельзя получить хороший снимок, если характерный период движения объекта съемки того же порядка, что и время выдержки...
Качественно проявление партонной структуры очень напоминает картину прохождения электронного пучка не особенно большой энергии сквозь тонкую пленку вещества. Наблюдаемые при этом события четко делятся на два класса большинство электронов рассеивается на чрезвычайно малые углы, лишь слабо отклоняясь от оси начального пучка, и только малая часть разлетается на сравнительно большие углы. Первый тип событий обусловлен многократными случайными соударениями с атомами, на которых теряется очень малая часть импульса. Во втором случае происходит резкое соударение с атомными электронами - именно здесь и проявляется зернистая структура вещества пленки.
Не лишним будет и напоминание о резерфордовских экспериментах по обнаружению атомных ядер. В сущности, именно те соударения альфа-частиц с ядрами, в которых передавались большие импульсы, и альфа-частицы неизбежно отклонялись на большие углы, позволили увидеть ядерную структуру атомов.
Судя по этим аналогиям, экспериментальные результаты группы В. Панофского и их интерпретация Р. Фейнманом означали прорыв к своеобразному субэлементарному уровню. Еще бы! Ведь обнаружены бесструктурные, а следовательно, скорее всего истинно элементарные (!) составные части адрона!
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.
Нарисованная схема устройства протона, конечно очень упрощена, но, как вы видите, она помогает связать единым образом различные структурные представления о нем.
Эта схема полезна и еще в одном отношении. Обратите внимание, что по мере движения из внутренних областей адрона во внешние мы встречаем все более усложняющиеся частицы.
Если в центре протона находятся три бесструктурных кварка, то следующая промежуточная оболочка включает в себя множество кварков, которые могут образовывать всевозможные комбинации: пары кварк - антикварк, тройки кварков и антикварков. Это, в сущности, кварковые атомы - сердцевины возможных адронов.
Между кварковым морем и внешней оболочкой виртуальных адронов, конечно, не существует резкой границы. Видимо, условное пограничье между морем и внешней оболочкой определяется тем, что большинство морских кварков (физики так и называют кварки из моря!) комбинируются в зародыши будущих частиц, своеобразные кварковые атомы. Виртуальные адроны из внешней оболочки уже обладают каждый своими зарядами, то есть кварковой сердцевиной. Скажем, всякий виртуальный мезон можно рассматривать как комбинацию кварка и антикварка, а каждый виртуальный барион - как комбинацию из трех кварков.
Более того, каждая виртуальная частица из внешней оболочки протона, видимо, успевает обзавестись и собственным кварковым морем (по крайней мере, собственным озером). Поэтому она ведет себя почти как реальная частица, но, чтобы стать по-настоящему реальной, она должна получить энергию извне. Именно это и происходит в результате соударения, например, двух протонов - в среднем половина энергии столкновения уходит на образование новых адронов. Эта энергия в основном и расходуется на формирование реальных частиц.
Итак, получается, что во внешней оболочке протона свободные кварки практически отсутствуют, хотя в центре нет ничего, кроме кварков. Видимо, законы взаимодействия кварков устроены таким образом, что сами кварки просто не могут поодиночке выходить наружу. Например, очень велика вероятность того, что кварк, попытавшийся вырваться из адрона самостоятельно, просто будет захвачен и увлечен в кварковое море одной из частиц внешней оболочки. Оказывается, что эта вероятность велика настолько, что отдельный кварк не способен пройти без захвата расстояние порядка размера протона, то есть не может выскочить наружу в виде реальной частицы.
Вот как хитро может быть устроена "адронная темница" для кварков! Кварк словно мощной резиновой лентой привязан к другим кваркам.
Действительно, валентные кварки практически движутся свободно в центре адрона. В кварковом море взаимодействие между ними тоже не очень сильно. Но оно резко усиливается, когда какой-либо кварк пытается отойти от других на большое расстояние. Силы, действующие между кварками, могут стать столь же большими, как и силы, действующие между адронами, если не больше! И такой кварк просто не сможет прорваться сквозь плотную среду виртуальных адронов внешней оболочки.
Теперь длительный неуспех в поисках реальных кварков может показаться не столь уж удручающим. Они могут быть полностью или почти полностью заперты в адронах и, тем не менее, рассматриваться... как реальные частицы.
Нет ли здесь противоречия? Как можно считать реальными частицы, которые не то что не оставляют следов, но и вообще не способны выделиться в чистом виде? Что за необычные силы могут действовать между кварками?..
И вправду, накопилось множество вопросов, которые связаны с новыми представлениями, сформировавшимися в физике буквально за последнее десятилетие. Пора обсудить, что же нового мы можем сказать сегодня о законах сил, действующих между частицами, и о том, какие частицы и в каком смысле следует считать реальными...
ЧТО ДЕЛАТЬ С ЭТАЛОНАМИ И АНАЛОГИЯМИ?
Итак, основная проблема связана с пониманием природы сил, действующих между частицами и внутри частиц.
Современная физика имеет дело с четырьмя различными типами взаимодействия, которые резко отличаются по интенсивности - сильными, электромагнитными, слабыми и гравитационными. Начнем с конца.
Гравитационные взаимодействия определяют структуру планетных систем, галактик и, видимо, вселенной в целом, но в микромире они практически не заметны. Во всяком случае, считается, что на данном этапе исследования процессов с элементарными частицами этими силами можно пренебречь.
Три остальных типа взаимодействия, несомненно, играют существенную роль в устройстве микромира, но до настоящего времени ни одно из них не получило последовательной и удовлетворительной теоретической трактовки. Причины такого положения дел очень интересны и отнюдь не лежат на поверхности.
В каждый период развития физики формировался определенный эталон в понимании механизма взаимодействия.
До недавнего времени таким эталоном в физике микромира, несомненно, была квантовая электродинамика - квантовая теория взаимодействия элементарных электрических зарядов с электромагнитным полем. Эта теория приобрела несколько выделенное положение отчасти по наследству благодаря хорошему развитию классической электродинамики.
Сильные и слабые взаимодействия элементарных частиц были открыты и подверглись глубокому исследованию значительно позже, чем электромагнитные. Поэтому естественно, что именно электродинамика стала первым своеобразным эталоном для построения любой другой теории.
Взаимодействие согласно квантовой электродинамике осуществляется при испускании или поглощении квантов электромагнитного поля - фотонов электронами или другими электрически заряженными частицами. Таким образом, в простейшем случае взаимодействие между двумя заряженными частицами происходит за счет обмена фотоном. В принципе возможен обмен и не одним, а двумя, тремя и большим количеством фотонов, но такие процессы будут менее вероятны. Вероятность испускания каждого фотона приближенно характеризуется безразмерной величиной, которая равна отношению квадрата элементарного электрического заряда (е) к произведению постоянной Планка (h) на скорость света (с):