Мінлива мода мікросвіту
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Ось вже більше ста років вивчають фізики атомне ядро. Навчилися витягувати з нього енергію, створюють не існуючі в природі ядра, розширивши вже на 15 елементів періодичну таблицю Менделєєва. Величезній безлічі природних і штучних ізотопів — ядер з різним числом протонів і нейтронів — знайшли роботу в самих різних галузях науки і техніки.
Але досі немає завершеного, повного портрета, який передавав би всю своєрідність цього дивного багатоликого об’єкта мікросвіту. З чим тільки не пробували порівняти ядро: з краплею води і гелієм при наднизьких температурах, газом і кристалічною структурою… Намагалися представити його як систему з великого числа пов’язаних і разом з тим незалежних один від одного частинок – нуклонів. І навпаки, як дружна спільнота ядерних частинок, що беруть участь у спільних, колективних рухах. Одним здавалося, що, перш за все, слід, виокремивши з ядра пару нуклонів, вивчити механізм зв’язку між ними і, узагальнивши потім характер взаємин між парою на все сімейство нуклонів, розрахувати різні ядерні властивості.
Інші пропонували розглядати ядро як єдине ціле, як якусь однорідну ядерну речовину і, виходячи з найзагальніших його властивостей, пояснювати результати експерименту. Треті… Велика кількість наближених, модельних уявлень дозволила навіть комусь із фізиків храм науки про ядро жартома назвати домом моделей.
І все ж, незважаючи на великий вибір моделей, що більш-менш точно передають ті чи інші риси ядра, воно досі, за словами професора Я. Д. Смородинського, «…являє собою дуже складну систему, з якою доведеться ще багато повозитися, поки стануть ясними хоча б основні закономірності».
У свій час здавалося, що варто лише швидше розігнати частинки-снаряди в прискорювачі і сильніше стукнути ними по ядру, як воно, нарешті, відкриє щось принципово нове і важливе, проявить основні закони свого пристрою.
І що ж? Розігнавши. Стукнувши. І… з ядра, немов з рогу достатку, посипалися нові частинки, як виявилося, що ніякого відношення не мали до його внутрішнього пристрою. Чим сильніше стукали, тим частіше, з більшою ймовірністю вони з’являлися. Перед фізиками відкрився невідомий, густонаселений світ елементарних частинок, що живуть за своїми, «ядром не писаним» законам. Виникли сотні найважчих специфічних питань, ними довелося зайнятися новій галузі – фізиці елементарних частинок, у якій за кілька десятків років накопичилася своя багатюща історія злетів і падінь, успіхів і невдач. …І пішли по різних дорогах фізика атомного ядра і вийшла з її утроби фізика елементарних частинок. Але чи так вже за різними?
Ці дві галузі фізики можна уподібнити двом станціям кільцевої дороги, між якими в обидві сторони циркулюють потяги – йде безперервний обмін ідеями, методами, даними та іншою теоретичною та експериментальною інформацією.
На перших порах альянс двох областей фізики мікросвіту був, якщо можна так висловитися, суто утилітарним. В основному це зводилося до використання прискорених елементарних частинок – електронів, протонів, мезонів — в якості зонда, яким фізики намагалися промацати глибинні деталі структури ядра.
В останні ж роки жваво обговорюється питання вже про внутрішню структуру самого протона і інших адронів — частинок, що грають роль основних вузлів конструкції ядра. Заговорили про кварки, протони, з яких міг би складатися протон. Варто було лише «копнути» глибше (чи то пак збільшити енергію), як колишні елементарні частинки самі стали походити на ядра, заповнені нуклонами. Вийшло так, що ядра, що складаються з нуклонів, цілком можна обрати моделлю елементарної частинки, що складається з кварків. Але це ще не все!
Зараз навчилися розганяти до навколосвітніх швидкостей і атомні ядра. І з’ясувалося, що, стаючи швидкими (їх називають релятивістськими), ядра, в свою чергу, починають походити на елементарні частинки. Так само, як в зіткненнях двох нуклонів народжуються десятки нових частинок, зіткнення релятивістських ядер закінчуються точно тим же. Але справа не обмежується тільки цією, в деякому сенсі зовнішньою схожістю. Потрапивши в світ релятивістських швидкостей, світ високих енергій, ядра і поведінку свою починають підпорядковувати законам, що здавалися застосовними тільки до елементарних частинок.
І, нарешті, вже абсолютно разюча схожість ядер з частинками відкрилася недавно експериментаторам, що працюють на прискорювачі релятивістських ядер. Ядро важкого водню – дейтрон – зазвичай являє собою пухку, слабо пов’язану систему двох нуклонів – протона і нейтрона. Але при високих енергіях, вдаряючись в мішень, дейтон починає вести себе як одна щільна компактна частинка. А якщо згадати, що протон, по всій видимості, зібраний з трьох міцно «склеєних» кварків, то виходить, що дейтон, що складається при низьких енергіях з двох майже самостійних трикваркових частинок, в нових умовах перетворюється в єдиний шестикварковий об’єкт.
Іншими словами, якщо при низьких енергіях 2×3 було не еквівалентно 1х6, то при високих енергіях це стає тотожністю! І, може бути, при ще більших енергіях вже зовсім не відрізнити ядра від частинки?
Автор: Ю. Слюсарев.