Вера Черногорова - Загадки микромира

И снова пучок электронов был направлен на мишень, снова — ожидание и волнение. Что происходило там, в кажущейся бесконечной глубине материи? С чем встретились электроны? С точкой, не имеющей размера, или же с протяженным заряженным образованием?

Да, настойчивость и высокое экспериментальное мастерство победили. Электроны обнаружили у протона мезонное облако. Это было фундаментальное открытие, крупнейшее достижение физики. Значит, элементарные частицы имеют внутреннюю структуру!

Нобелевская премия, присужденная Р. Хофштадтеру в 1963 году, увенчала его работы по обнаружению и исследованию электромагнитной структуры нуклонов.

Это, однако, не значило, что Р. Хофштадтеру сразу же удалось снять все вопросы. Далеко не все физики интерпретировали полученные им результаты как наличие размера и структуры у протона. Оставалось еще одно объяснение: а вдруг и сам электрон не точечный, и законы электромагнитных взаимодействий меняются на расстояниях 10 –13сантиметра между зарядами?

Окончательно поверить в протяженность нуклонов можно было лишь тогда, когда удалось бы наблюдать взаимодействие двух точечных зарядов, расположенных друг к другу ближе 10 –13сантиметра.

И тогда вспомнили о мю-мезонах, этих неудачных претендентах на роль переносчиков ядерных сил. Как и электроны, мю-мезоны проявляют себя либо электромагнитным, либо слабым образом. Если пренебречь в тысячи раз меньшим влиянием слабого взаимодействия, то можно ожидать, что встреча мю-мезона с электроном произойдет по электромагнитным правилам, как встреча двух зарядов.

Рассеяние мю-мезонов на электронах атомов — вот где ключ к определению структуры нуклонов! В опытах, где электрон и мю-мезон сближались на расстояние, даже значительно меньше 10 –14сантиметра, этикет, предписанный теорией электромагнитных взаимодействий для точечных зарядов, не нарушался.

Значит, эксперименты Р. Хофштадтера можно было объяснить только тем, что элементарные частицы — сложные образования с определенным размером. Какой же сейчас представляют себе ученые электромагнитную структуру протона и нейтрона?

От физиков, изучающих микромир, невозможно требовать воссоздания точной структуры элементарной частицы на основании экспериментальных данных по рассеянию.

По черепу можно восстановить многие детали лица. Наверное, многие видели оригинальные скульптуры Герасимова в Музее антропологии. Его скульптурные портреты очень достоверны потому, что существует строгая зависимость между размером и формой любой кости черепа и соответствующей ей мышцы лица.

Физик поступает скорее как палеонтолог, который по одной берцовой кости или челюсти вынужден воссоздать облик ископаемого существа. Разумеется, реконструированный облик какого-нибудь ящера может не совпадать в деталях с жившим миллионы лет назад существом. Да этого и трудно ожидать. Тем не менее в общих чертах мы получаем более или менее достоверную картину.

Что же, в сущности, удалось обнаружить Р. Хофштадтеру? «Элементарные» протоны и нейтроны имеют весьма сложную структуру. Большая часть их массы сосредоточена в области пространства с радиусом приблизительно 0,8 · 10 –13сантиметра. Ее окружает рыхлая мезонная оболочка, которую физики именуют то мезонным облаком, то мезонной шубой. Плотность мезонной оболочки с удалением от центра уменьшается.

Заряд протона распределен тоже неоднородно. На центральную часть приходится чуть больше десяти процентов, остальная же размазана по мезонному облаку.

Раньше казалось, что нейтрон, в среднем нейтральный, имеет области, заряженные положительно и отрицательно. Но такая модель нейтрона потерпела фиаско. Электронный десант, подбираясь к нему, не обнаружил электрического форпоста — заряженного мезонного облака. Может быть, заряд прячется где-то глубже?

Сейчас электроны очень больших энергий проникают в нейтрон уже на расстояние 0,2 · 10 –13сантиметра, а заряженной области пока еще не нашли. Неужели нейтрон точечный?

Нет, это не так. Нельзя сказать, что электроны, достигнув этой необыкновенной глубины, не встретили на пути никакого сопротивления. Напротив, как раз там, где должна находиться мезонная шуба, налетающие электроны вдруг почувствовали магнитное воздействие.

Значит, и у нейтрона есть мезонное облако? Да. Оно таких же, как и у протона, размеров, только облако это электрически нейтрально. Возможно, оно состоит из нейтральных пи-мезонов, а может быть, из пар отрицательных и положительных мезонов.