28. Ядерная физика
В этой последней главе мы погрузимся в еще более микроскопические масштабы и рассмотрим атомное ядро, в сотни тысяч раз меньше самого атома. Мы познакомимся с новыми частицами и новыми взаимодействиями между ними. Прекрасное единство классической физики покажется нам несколько неустойчивым.
До сих пор мы знали лишь три частицы материи: протоны, нейтроны и электроны. Их жизнью управляли две очень похожие силы: гравитация и электростатическая сила. Эти две силы переносятся двумя частицами-вестниками: соответственно, гравитоном (гипотетически) и фотоном.
Внезапно появятся совершенно новые экземпляры, которые усложнят эту прекрасную систему, а процессы внутри ядра покажутся очень странными по сравнению с воздействием двух старых добрых сил. Теория, призванная объяснить классификацию новых частиц и их взаимодействие, называется «стандартной моделью». Помимо Сильного и Слабого ядерного Взаимодействия мы представим пятое фундаментальное взаимодействие с интригующими последствиями: поле Хиггса, существование которого было подтверждено в ускорителе частиц LHC в 2012 году. Понимание законов природы в этом масштабе еще далеко не закреплено, что оставляет для фундаментальной физики массу прекрасных тем для исследований…
1. Связь внутри ядра и сильное взаимодействие
Кварки, составляющие протона и нейтрона
Необходимость новой силы
Мы узнали, что ядро содержит протоны и нейтроны, сосредоточенные в очень ограниченном пространстве, в то время как облака электронов в сотни тысяч раз больше и занимают все пространство атома. Возникает закономерный вопрос: если протоны имеют положительный заряд, они должны отталкиваться под действием электростатической силы вместо того, чтобы слипаться в ядре вместе… И нейтроны, не имеющие заряда, никак не помешают этому отталкиванию.
То есть необходимо вообразить другую силу, которая противодействует электростатической силе в масштабе атомного ядра. Это не может быть гравитация, поскольку она на этом уровне слишком слаба. Перед нами явно совершенно новая притягивающая сила, действующая лишь в очень малых масштабах. Речь идет о сильном взаимодействии. Чтобы понять всю суть этой новой силы, необходимо проникнуть внутрь протона.
Путешествие внутрь протона и нейтрона
Несмотря на то, что можно было бы подумать, протон не является элементарной (неделимой) частицей, в то время как электрон является ею (пока не докажут обратного…)! В 1968 г. к протону направили очень узкий пучок электронов. Благодаря электростатическому притяжению протон, «бомбардируемый» таким образом, отклоняет электроны в разных направлениях в соответствии с расстоянием, на котором они встречаются с протоном. Говорят, что протон «рассеивает» электроны в разные стороны. Опыт показал, что наблюдаемое рассеивание не могло соответствовать существованию одного точечного заряда, но объяснялось, если три различные точки в пространстве рассеивали электроны.
Таким образом, протон совершенно очевидно состоял из трех частиц, что лишь подтверждало теоретические предсказания, сделанные на этот счет четырьмя годами ранее. Частицы назвали кварками. Нейтрон, чья масса очень близка к массе протона, также состоит из трех кварков.
Кварки протонов и нейтронов не все одинаковы: различают кварки up (обозначаются u) и кварки down (d). Кварки u содержат 2/3 заряда протона, а кварки d содержат 1/3 (заряд отрицательный). Таким образом, объединение двух кварков u и кварка d содержит заряд протона (2/3 + 2/3–1/3 = 1): протон является совокупностью этих трех кварков (u, u, d). Объединение двух кварков d и одного кварка u составляет нейтральный заряд (–1/3–1/3+2/3 = 0) – таков состав нейтрона, состоящего из кварков (d, d, u) (➙ рис. 28.1).
Мы видим, что нейтрон и протон – две очень похожие частицы: оба они называются нуклонами (от лат. nucleus – ядро).
Рис. 28.1 – Символическое изображение протона и нейтрона
Связь внутри протона и нейтрона
Сильное взаимодействие касается кварков. В противоположность электростатической силе, заряды которой бывают двух типов – положительный и отрицательный, а также гравитации, у которой масса лишь одного типа (всегда положительная), сильное взаимодействие управляет параметрами, сходными с массой и зарядом, которые бывают трех типов. По аналогии с дополнительными цветами эти три типа названы «красный», «зеленый» и «синий». Таким образом, в сильном взаимодействии «цвет» играет роль заряда для электростатической силы и массы для гравитации (разумеется, этот «цвет» не имеет ничего общего с привычным смыслом этого слова).
Эти три цвета взаимно притягиваются, образуя системы красный+зеленый+синий. По этой причине кварки соединяются по трое: в протоне есть «красный» кварк, «зеленый» кварк и «синий» кварк. То же самое у нейтрона (➙ рис. 28.2).
Рис. 28.2 – «Цвет» кварков
Кварки u обозначены темным цветом, кварки d – светлым. Все три кварка нуклона (нейтрона или протона) имеют разные цвета. Отметим, что эти цвета постоянно меняются между тремя кварками.
В электростатике объединение двух противоположных зарядов «плюс» и «минус» образуют общий нейтральный заряд. То же самое в сильном взаимодействии, соединение трех цветов красный+зеленый+синий образует нейтральный заряд: говорят, что итоговый цвет «белый» (отметим поэтичность, присущую физикам в этой области). Таким образом, четвертый кварк не может прицепиться к трем первым, поскольку сильного взаимодействия уже нет («белый» цвет = отсутствие заряда сильного взаимодействия).
Отметим сходство между электростатической силой и сильным взаимодействием: в сильном взаимодействии есть три типа цвета, что объясняет объединение кварков по три. Аналогично существует два типа зарядов в электростатике, что объясняет их объединение по два в атоме (одному электрону соответствует один протон)…
Притяжение между нуклонами
Итак, мы хорошо понимаем стабильность протона и нейтрона как совокупности трех кварков. Но возникает вопрос: поскольку протоны все «белого» цвета, между ними не должно быть никакого сильного взаимодействия. Они все-таки должны отталкиваться друг от друга под действием электростатической силы, вместо того чтобы скапливаться в ядре. Вопрос, заданный в начале параграфа, остался без ответа…
На самом деле происходит в точности то же самое, что и в жидкости на молекулярном уровне: молекулы не заряжены, и все-таки они притягиваются друг к друг под действием электростатической силы. Причина в том, что они состоят из зарядов «плюс» и зарядов «минус», которые не все расположены в одном месте. Следовательно, в любой момент существуют места молекулы, где больше зарядов «плюс» или зарядов «минус». Таким образом, сторона «плюс» притягивается стороной «минус» другой молекулы: в целом незаряженные, молекулы все-таки притягиваются друг к другу.
Так же обстоит с протонами и нейтронами: несмотря на белый цвет, они состоят из красного, зеленого и синего кварков, которые расположены в разных местах. То есть протоны могут так же притягиваться друг к другу, как и молекулы в жидкости (➙ рис. 28.3).
Между тем сильное взаимодействие между кварками в протоне весьма значительно: сильного взаимодействия между нуклонами ядра достаточно, чтобы компенсировать электростатическое отталкивание между протонами ядра, хотя у нуклонов и «белый» цвет. Это объясняет устойчивость ядер.
Рис. 28.3 – Сильное взаимодействие между нуклонами
Сильное взаимодействие между кварками в нуклоне представлено «пружинкой». Несмотря на белый (нейтральный) цвет, нуклоны могут притягиваться между собой с помощью кварков, которые они содержат.
Из этого вытекает важное свойство силы между нуклонами: притяжение быстро слабеет на расстоянии. При взгляде издалека кварки нуклонов выглядят сгруппированными в одном месте: цвет воспринимается белым, и притяжение исчезает. Надо достаточно приблизиться, чтобы воздействие трех кварков не компенсировало друг друга.
Аналогично с молекулами: притяжение между ними уменьшается так же быстро, если смотреть издалека – молекула выглядит нейтральной. Но вблизи положительные и отрицательные заряды молекулы становятся виднее: сила воздействия этих зарядов больше не компенсируется, потому что они расположены на различном расстоянии друг от друга.
Глюон, частица – переносчик сильного взаимодействия
Напоминание о роли частиц-переносчиков
Гравитация и электростатическая сила обладают каждая своей частицей-переносчиком (гравитоном и фотоном соответственно). Сильное взаимодействие также обладает частицей-переносчиком, которая называется глюон.
Фотоны передают информацию о любом перемещении электрона в атоме в форме электромагнитной волны. Когда фотоны сталкиваются с зарядом, они «сообщают» о новой ситуации, что проявляется в виде электромагнитной силы. Таким образом, атом и заряд взаимодействуют на расстоянии с помощью электромагнитной силы, но с некоторой задержкой времени, необходимой для перемещения фотонов.
Также если Луна вдруг резко приблизится к Земле, понадобится некоторое время, чтобы океаны на это отреагировали, время, за которое гравитоны доставят новое гравитационное поле к Земле. Луна в каком-то смысле является излучателем гравитонов, как любой массивный объект.
Что касается кварков, они излучают глюоны, которые, достигнув соседнего кварка, «сообщают» о присутствии первого кварка и создают, таким образом, силу притяжения.
Замечательное свойство глюона
Между тем у фотона и гравитона имеется фундаментальное отличие: у них нет ни заряда, ни массы. То есть у тела, излучающего фотон или гравитон, не меняется ни заряд, ни масса. Если бы у гравитона была масса, объекты мало-помалу теряли бы свою массу по мере излучения частиц.
Зато у глюона есть «цвет»: это значит, что кварк, излучающий глюон, меняет цвет (как объект, излучающий гравитон, обладающий массой, наблюдал бы изменение собственной массы). Так же обстоит с кварком, который получает глюон (➙ рис. 28.4). Из-за этого взаимодействие между кварками в протоне или нейтроне чрезвычайно сложно, поскольку они постоянно меняют цвет по мере того, как отдают или получают глюоны. Более того, в этом масштабе частицы должны рассматриваться как волны, что усложняет все еще больше… Сложный раздел науки, изучающий эти процессы, называется квантовой хромодинамикой. Здесь мы не будем больше о ней говорить.
Рис. 28.4 – Роль глюонов
Глюон, частица – переносчик сильного взаимодействия, соответствует волне, изображенной между кварками. Эта передача глюонов не только создает притяжение, но и вызывает передачу цвета: цвета синий, зеленый и красный не всегда принадлежат одним и тем же кваркам.
Мы упомянули явление, которое еще встретится нам в дальнейшем в этой главе: частицы могут «мутировать», излучая или принимая другие частицы. Кварки без конца меняют цвета, обмениваясь глюонами, как если бы электроны становились положительно заряженными, излучая фотоны: в этом случае они превратились бы в совершенно новые частицы. Если этого не происходит, то просто потому, что фотоны не имеют заряда: но мы понимаем, что превращение одной частицы в другую возможно таким путем.
СТРУКТУРА ЯДРА И СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ: ОБОБЩЕНИЕ
Подведем итоги сказанного в данном параграфе:
• Нейтроны и протоны состоят из трех кварков типа d или u: протон содержит кварки (u, u, d), нейтрон содержит кварки (d, d, u). Нейтроны и протоны называют одним словом – нуклоны.
• Сильное взаимодействие – это сила притяжения между кварками. Она характеризуется параметром «цвет», который может быть трех типов: красный, зеленый или синий. Объединение трех этих цветов дает белый цвет (отсутствие цветного заряда).
• Сильное взаимодействие означает объединение кварков по три, что объясняет стабильность протона и нейтрона. Это также объясняет притяжение между нуклонами, которое обеспечивает связь внутри ядра и быстро уменьшается с увеличением расстояния.
• Глюоны являются частицами – переносчиками сильного взаимодействия. Они также обладают цветом, что означает, что кварки постоянно меняют цвет, обмениваясь глюонами.
