Вивчаючи будову речовини, фізики дізналися, з чого зроблені атоми, дісталися до атомного ядра і розщепили його на протони і нейтрони. Всі ці кроки давалися досить легко - треба було лише розігнати частинки до потрібної енергії, зіштовхнути їх один з одним, і тоді вони самі розвалювалися на складові частини.
А ось з протонами і нейтронами такий трюк уже не пройшов. Хоча вони і є складовими частками, їх не вдається «розламати на частини» ні в якому навіть найсильнішому зіткненні. Тому фізикам потрібно десятиліття для того, щоб придумати різні способи зазирнути всередину протона, побачити його пристрій і форму. В наші дні вивчення структури протона - одна з найактивніших областей фізики елементарних частинок.
Природа дає натяки
Історія вивчення структури протонів і нейтронів бере свій початок з 1930-х років. Коли на додаток до протонів були відкриті нейтрони (1932), то, вимірявши їх масу, фізики з подивом виявили, що вона дуже близька до маси протона. Більш того, виявилося, що протони і нейтрони «відчувають» ядерна взаємодія абсолютно однаковим чином. Настільки однаковим, що, з точки зору ядерних сил, протон і нейтрон можна вважати як би двома проявами однієї і тієї ж частинки - нуклона: протон - це електрично заряджений нуклон, а нейтрон - нейтральний нуклон. Поміняйте протони на нейтрони - і ядерні сили (майже) нічого не помітять.
Фізики це властивість природи висловлюють як симетрію - ядерна взаємодія симетрично щодо заміни протонів на нейтрони, подібно до того як метелик симетрична щодо заміни лівого на праве. Ця симетрія, крім того що вона зіграла важливу роль в ядерній фізиці, була насправді першим натяком на те, що у нуклонів є цікаве внутрішню будову. Правда, тоді, в 30-і роки, фізики цей натяк не усвідомили.
Розуміння прийшло пізніше. Почалося з того, що в 1940-50-і роки в реакціях зіткнення протонів з ядрами різних елементів вчені з подивом виявляли все нові і нові частинки. Чи не протони, які не нейтрони, які не відкриті на той час пі-мезони, які утримують нуклони в ядрах, а якісь зовсім нові частинки. При всьому своєму розмаїтті ці нові частинки володіли двома загальними властивостями. По-перше, вони, так само як і нуклони, дуже охоче брали участь в ядерних взаємодіях - зараз такі частинки називають адронів. А по-друге, вони були виключно нестабільними. Найбільш нестійкі з них розпадалися на інші частинки всього за трильйонну частку наносекунди, не встигнувши пролетіти навіть на розмір атомного ядра!
Довгий час «зоопарк» адронів вдавав із себе повну мішанину. В кінці 1950-х років фізики дізналися вже досить багато різних видів адронів, почали порівнювати їх один з одним і раптом побачили якусь загальну симетричність, навіть періодичність їх властивостей. Була висловлена гіпотеза, що всередині всіх адронів (в тому числі і нуклонів) сидять якісь прості об'єкти, які отримали назву «кварки». Комбінуючи кварки різними способами, можна отримувати різні адрони, причому саме такого типу і з такими властивостями, які виявлялися в експерименті.
Що робить протон протоном?
Після того як фізики відкрили кваркову пристрій адронів і дізналися, що кварки бувають декількох різних сортів, стало зрозуміло, що з кварків можна сконструювати багато різних частинок. Так що вже нікого не дивувало, коли наступні експерименти продовжували один за іншим знаходити нові адрони. Але серед усіх адронів виявилося ціле сімейство частинок, що складаються, точно так само як і протон, тільки з двох u-кварків і одного d-кварка. Такі собі «побратими» протона. І ось тут фізиків підстерігав сюрприз.
Давайте спочатку зробимо одне просте спостереження. Якщо у нас є кілька предметів, що складаються з однакових «цеглинок», то більш важкі предмети містять більше «цеглинок», а більш легкі - менше. Це дуже природний принцип, який можна називати принципом комбінування або принципом надбудови, і він прекрасно виконується як в повсякденному житті, так і в фізиці. Він проявляється навіть у влаштуванні атомних ядер - адже більш важкі ядра просто складаються з більшого числа протонів і нейтронів.
Однак на рівні кварків цей принцип не працює взагалі, і, треба зізнатися, фізики ще не до кінця розібралися, чому. Виявляється, важкі побратими протона теж складаються з тих же самих кварків, що і протон, хоча вони в півтора, а то і в два рази важче протона. Вони відрізняються від протона (і розрізняються між собою) не складом, а взаємним розташуванням кварків, тим, в якому стані відносно один одного ці кварки перебувають. Досить змінити взаємне положення кварків - і ми з протона отримаємо іншу, помітно більш важку, частку.
А що буде, якщо все-таки взяти і зібрати разом більше трьох кварків? Чи вийде нова важка частинка? Дивно, але не вийде - кварки розіб'ються по троє і перетворяться в кілька розрізнених часток. Чомусь природа «не любить» об'єднувати багато кварків в одне ціле! Лише зовсім недавно, буквально в останні роки, стали з'являтися натяки на те, що деякі многокварковие частки все ж існують, але це лише підкреслює, наскільки природа їх не любить.
З цієї комбінаторики слід дуже важливий і глибокий висновок - маса адронів зовсім не складається з маси кварків. Але якщо масу адрону можна збільшити або зменшити простим перекомбінірованієм складових його цеглинок, значить, зовсім не самі кварки відповідальні за масу адронів. І дійсно, в наступних експериментах вдалося дізнатися, що маса самих кварків становить лише близько двох відсотків від маси протона, а вся інша тяжкість виникає за рахунок силового поля (йому відповідають спеціальні частинки - глюони), який зв'язує кварки разом. Змінюючи взаємне розташування кварків, наприклад відсуваючи їх подалі один від одного, ми тим самим змінюємо глюонної хмара, робимо його більш потужним, через що і зростає маса адрону (рис. 1).
Партон найзручніше вивчати в зіткненні протонів з електронами. Справа в тому, що, на відміну від протона, електрон не бере участі в сильних ядерних взаємодіях і його зіткнення з протоном виглядає вельми просто: електрон на дуже короткий час випускає віртуальний фотон, який врізається в заряджений Партон і породжує зрештою велике число часток ( рис. 2). Можна сказати, що електрон є відмінним скальпелем для «розтину» протона і поділу його на окремі частини - правда, лише на дуже короткий час. Знаючи, як часто відбуваються такі процеси на прискорювачі, можна виміряти кількість партонов всередині протона і їх заряди.
Хто такі Партон насправді?
І тут ми підходимо до ще одного вражаючого відкриття, яке зробили фізики, вивчаючи зіткнення елементарних частинок при високих енергіях.
У звичайних умовах питання про те, з чого складається той чи інший предмет, має універсальну відповідь для всіх систем відліку. Наприклад, молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню - і не важливо, чи ми на нерухому або на рухому молекулу. Однак це правило - здавалося б, таке природне! - порушується, якщо мова йде про елементарні частинки, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. В одній системі відліку складна частка може складатися з одного набору субчастиц, а в іншій системі відліку - з іншого. Виходить, що склад - поняття відносне!
Як таке може бути? Ключовим тут є одна важлива властивість: кількість частинок в нашому світі не фіксоване - частинки можуть народжуватися і зникати. Наприклад, якщо зіштовхнути разом два електрона з досить великою енергією, то на додаток до цих двох електронів може народитися або фотон, або електрон-позитронна пара, або ще якісь частинки. Все це дозволено квантовими законами, саме так і відбувається в реальних експериментах.
Але цей «закон незбереження» частинок працює при зіткненнях частинок. А як же виходить, що один і той же протон з різних точок зору виглядає що складається з різного набору частинок? Справа в тому, що протон - це не просто три кварка, складені разом. Між кварками існує силове глюонної поле. Взагалі, силове поле (як, наприклад, гравітаційне або електричне поле) - це якась матеріальна «сутність», яка пронизує простір і дозволяє частинкам чинити силовий вплив один на одного. У квантовій теорії поле теж складається з частинок, правда з особливих - віртуальних. Кількість цих частинок не фіксоване, вони постійно «відокремлюються» від кварків і поглинаються іншими кварками.
Спочивають протон дійсно можна уявити собі як три кварка, між якими перескакують глюони. Але якщо поглянути на той же протон з іншої системи відліку, немов з вікна проїжджаючого повз «релятивистского поїзда», то ми побачимо зовсім іншу картину. Ті віртуальні глюони, які склеювали кварки разом, здадуться вже менш віртуальними, «більш справжніми» частинками. Вони, звичайно, як і раніше народжуються і поглинаються кварками, але при цьому якийсь час живуть самі по собі, летять поруч з кварками, немов справжні частинки. Те, що виглядає простим силовим полем в одній системі відліку, перетворюється в іншій системі в потік частинок! Зауважте, сам протон ми при цьому не чіпаємо, а тільки дивимося на нього з іншої системи відліку.
Дальше більше. Чим ближче швидкість нашого «релятивистского поїзда» до швидкості світла, тим більше дивовижну картину всередині протона ми побачимо. У міру наближення до швидкості світла ми зауважимо, що глюонів всередині протона стає все більше і більше. Більш того, вони іноді розщеплюються на кварк-антикваркових пари, які теж летять поруч і теж вважаються Партон. В результаті ультрарелятивістських протон, т. Е. Протон, що рухається щодо нас зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла, постає у вигляді взаимопроникающих хмарок кварків, антикварків і глюонів, які летять разом і як би підтримують один одного (рис. 3).
Мал. З. Схематичне зображення протона в різних системах відліку. Повільно рухається протон (а) можна представляти у вигляді трьох кварків (суцільні лінії), які пов'язані один з одним глюонами (штрихові лінії). У швидко рухається протоні (б) глюони вже іноді летять поруч з кварками. При швидкості протона, дуже близькою до швидкості світла (в), і глюони, і породжені ними кварк-антикваркових пари стають повноправними Партон - складовими частинами протона
Читач, знайомий з теорією відносності, може затурбуватися. Вся фізика заснована на тому принципі, що будь-який процес протікає однаково у всіх інерціальних системах відліку. А тут виходить, що склад протона залежить від системи відліку, з якої ми його спостерігаємо ?!
Так, саме так, але це ніяк не порушує принцип відносності. Результати фізичних процесів - наприклад, які частки і скільки народжуються в результаті зіткнення - дійсно виявляються інваріантними, хоча склад протона залежить від системи відліку.
Ця незвичайна на перший погляд, але задовольняє всім законам фізики ситуація схематично проілюстрована на малюнку 4. Тут показано, як зіткнення двох протонів з великою енергією виглядає в різних системах відліку: в системі спокою одного протона, в системі центру мас, в системі спокою іншого протона . Взаємодія між протонами здійснюється через каскад матеріалів, що розщеплюються глюонів, але тільки в одному випадку цей каскад вважається «начинкою» одного протона, в іншому випадку - частиною іншого протона, а в третьому - це просто якийсь об'єкт, яким обмінюються два протона. Цей каскад існує, він реальний, але до якої частини процесу його треба відносити - залежить від системи відліку.
Мал. 4. Схематичне зображення зіткнення двох протонів при дуже великій енергії: в системі спокою другого протона (а), в системі центру мас (б), в системі спокою першого протона (в). У всіх трьох випадках взаємодія протонів здійснюється через обмін «глюонного дерева», але до кого саме його відносити (до першого або до другого протону або ж вважати окремим взаємодією) - залежить від системи відліку
Тривимірний портрет протона
Всі результати, про які ми тільки що розповіли, базувалися на експериментах, виконаних досить давно - в 60-70-х роках минулого століття. Здавалося б, з тих пір все вже повинно бути вивчено і всі питання повинні знайти свої відповіді. Але немає - пристрій протона і раніше залишається однією з найбільш цікавих тем в фізиці елементарних частинок. Більш того, в останні роки інтерес до неї знову зріс, тому що фізики зрозуміли, як отримати «тривимірний» портрет швидко рухається протона, який виявився набагато складніше портрета нерухомого протона.
Класичні експерименти із зіткнення протонів розповідають лише про кількість партонов і їх розподіл по енергії. У таких експериментах Партон беруть участь як незалежні об'єкти, а значить, з них не можна дізнатися, як Партон розташовані один щодо одного, як саме вони складаються в протон. Можна сказати, що довгий час фізикам був доступний лише «одновимірний» портрет швидко летить протона.
Для того щоб побудувати справжній, тривимірний, портрет протона і дізнатися розподіл партонов в просторі, потрібні набагато більш тонкі експерименти, ніж ті, які були можливі 40 років тому. Такі експерименти фізики навчилися ставити зовсім недавно, буквально в останнє десятиліття. Вони зрозуміли, що серед величезної кількості різних реакцій, які відбуваються при зіткненні електрона з протоном, є одна особлива реакція - глибоко-віртуальне комптонівське розсіювання, - яка і зможе розповісти про тривимірну структуру протона.
Взагалі, комптонівським розсіюванням, або ефектом Комптона, називають пружне зіткнення фотона з якою-небудь часткою, наприклад з протоном. Виглядає воно так: прилітає фотон, поглинається протоном, який на короткий час переходить в збуджений стан, а потім повертається в початковий стан, випускаючи фотон в будь-якому напрямку.
Комптонівське розсіювання звичайних світлових фотонів не призводить ні до чого цікавого - це просте відбиття світла від протона. Для того щоб «вступила в гру» внутрішня структура протона і «почулися» розподілу кварків, треба використовувати фотони дуже великої енергії - в мільярди разів більше, ніж в звичайному світлі. А як раз такі фотони - правда, віртуальні - легко породжує налетающий електрон. Якщо тепер об'єднати одне з іншим, то і вийде глибоко-віртуальне комптонівське розсіювання (рис. 5).
Мал. 5. Схема глибоко-віртуального комптонівського розсіювання. Налетающий електрон випромінює віртуальний фотон, який і розсіюється на протоні зразок ефекту Комптона
Головна особливість цієї реакції полягає в тому, що вона не руйнує протон. Налетающий фотон не просто б'є по протону, а як би ретельно його обмацує і потім відлітає геть. Те, в який бік він відлітає і яку частину енергії у нього відбирає протон, залежить від пристрою протона, від взаємного розташування партонов всередині нього. Саме тому, вивчаючи цей процес, можна відновити тривимірний вигляд протона, як би «виліпити його скульптуру».
Чому все це цікаво фізикам?
Навіщо взагалі фізикам треба знати, як саме розподілено речовина всередині протонів і нейтронів?
По-перше, цього вимагає сама логіка розвитку фізики. У світі є багато разюче складних систем, з якими сучасна теоретична фізика поки не може повністю впоратися. Адрони - одна з таких систем. Розбираючись з пристроєм адронів, ми вигострюємо здатності теоретичної фізики, які цілком можуть виявитися універсальними і, можливо, допоможуть у чомусь зовсім іншому, наприклад при вивченні надпровідників або інших матеріалів з незвичайними властивостями.
По-друге, тут є безпосередня користь для ядерної фізики. Незважаючи на майже вікову історію вивчення атомних ядер, теоретики досі не знають точний закон взаємодії протонів і нейтронів.
Їм доводиться цей закон частково вгадувати, виходячи з експериментальних даних, частково конструювати на основі знань про структуру нуклонів. Тут-то і допоможуть нові дані про тривимірному пристрої нуклонів.
По-третє, кілька років тому фізики зуміли отримати ні багато ні мало нове агрегатний стан речовини - кварк-глюонну плазму. В такому стані кварки не сидять усередині окремих протонів і нейтронів, а вільно гуляють по всьому потоку ядерного речовини. Досягти його можна, наприклад, так: важкі ядра розганяються в прискорювачі до швидкості, дуже близькою до швидкості світла, і потім стикаються лоб в лоб. У цьому зіткненні на дуже короткий час виникає температура в трильйони градусів, яка і розплавляє ядра в кварк-глюонну плазму. Так ось, виявляється, що теоретичні розрахунки цього ядерного плавлення вимагають доброго знання тривимірного пристрою нуклонів.
Нарешті, ці дані дуже потрібні для астрофізики. Коли важкі зірки вибухають наприкінці свого життя, від них часто залишаються надзвичайно компактні об'єкти - нейтронні і, можливо, кваркові зірки. Серцевина цих зірок цілком складається з нейтронів, а може бути навіть і з холодною кварк-глюонної плазми. Такі зірки вже давно виявлені, але що відбувається у них всередині - можна тільки здогадуватися. Так що краще розуміння кваркових розподілів може привести до прогресу і в астрофізиці.