Беседы об атомном ядре

Путешествия в глубь ядра

Неожиданное открытие почти точечной по своим размерам кладовой атома — атомного ядра — возбудило к этой точке пространства огромный интерес. Но и в течение последующих 20 лет ученые не так уж много смогли разузнать о хранящихся в ней ценностях. Все полученные экспериментаторами сведения сводились в основном к тому, что ядра состоят из протонов и нейтронов, а поведение ядер и некоторые их свойства зависят от числа этих частиц.

Раскрыть главный секрет устройства этой сложной системы — природу ядерных сил — пока не удавалось. И перед учеными во всей своей необъятной сложности предстала проблема описания ядерных сил.

Столь ограниченные и неутешительные выводы могли охладить пыл не одного энтузиаста ядерной физики. Но наиболее стойкие не унимались и продолжали накапливать сведения об этом «Солярисе» микрокосмоса.

Информация добывалась в основном не активным вторжением с помощью каких-либо микроинструментов в глубины ядерного вещества, а скорее созерцанием тех свойств, что проявлялись при радиоактивном распаде ядер или в тех ядерных реакциях, когда удавалось слегка поворошить нуклоны.

Многие считали, что ядерная физика зашла в тупик. И это было похоже на правду.

Гораздо более интересным и многообещающим представлялось исследование самих элементарных частиц, из которых состояло атомное ядро.

Лет тридцать назад, как только появились первые ускорители протонов высоких энергий, ученым удалось открыть некоторые свойства ядерных сил, проявляющиеся при взаимодействии пары протонов или протона с нейтроном. Но этим, в сущности, и ограничился тогда вклад «элементарщиков» в ядерную физику.

Наблюдения за столкновением нуклонов больших энергий принесли новые неожиданные открытия, и экспериментаторы, увлекшись изучением этих составных частей ядра, вдруг обнаружили, что давно покинули ядерные сферы и витают уже в мире элементарных частиц. Но останавливаться было уже поздно. Они обзавелись мощнейшими ускорителями, овладели искусством создания пучков протонов, нейтронов и таких вторичных нестабильных частиц, как пи- и мю-мезоны, тяжелые К-мезоны, гипероны, и накопили об этих представителях микромира ценнейшую информацию.

Но даже всей совокупности добытых исключительно важных сведений было недостаточно для понимания того, как ведут себя нуклоны в коллективе.

Постепенно выкристаллизовалась идея, что новых сведений о ядерных силах и внутреннем устройстве ядра не получить на стороне, что их надо добывать в самом ядре. На ту же мысль наталкивали и размышления о свойствах ядерного вещества. Если бы ядро было похоже на ящик, наполненный шарами двух цветов, то достаточно было знать, из скольких шаров оно состоит и какого цвета, тогда можно было бы утверждать, что внутренняя структура ядра известна. Но ядро — сложнейшая система из нейтральных и заряженных частиц, без передышки взаимодействующих друг с другом, система, постоянно стремящаяся увеличить свой объем за счет электростатического отталкивания протонов и стягиваемая почти в точку мощным ядерным притяжением. И для нее понятие «структура» оказалось гораздо более глубоким, чем для ящика с шарами.

Разобраться в строении плотного ядерного сгустка нуклонов невозможно, если, например, не знать, как в нем распределены электрические заряды и как распределена в пространстве вообще вся ядерная материя. Физики убедились, что, сколько бы они ни изучали столкновения любых пар нуклонов, они никогда не получат ответы на эти вопросы. Необходимо было снова с еще большей точностью измерить основные параметры ядра: его размер, форму, распределение в нем заряженных протонов и нейтронов, буквально все, что говорит о его структуре и несет на себе отпечаток качеств главного организатора ядерного коллектива нуклонов — ядерных сил.

Опустевшие было наблюдательные посты вокруг «Соляриса» микрокосмоса вновь заполнились сторонниками более тесных контактов с океаном ядерного вещества. Но на этот раз рядом с физиками-ядерщиками были и физики-элементарщики, которые пришли не с пустыми руками, они предложили принципиально новые методы проникновения в мир ядер.

Передовые позиции в исследовании элементарных частиц переместились на крупнейшие ускорители мира. Поэтому в разных странах ученые тех институтов, в которых раньше изучались только элементарные частицы, весь свой мощный арсенал экспериментальных средств стали использовать для изучения атомных ядер.

Узкая пограничная полоса между старой ядерной физикой и молодой физикой высоких энергий стала превращаться в плодотворную область науки, расширяющуюся с каждым годом.

Официальное утверждение этого содружества состоялось в 1963 году. По предложению физиков-теоретиков В. Вайскопфа и Т. Эриксона в Центре ядерных исследований западноевропейских стран в Женеве ученые собрались на первую Международную конференцию по физике высоких энергий и структуре ядра.

С тех пор регулярно, через каждые два года физики сообща обсуждают свои последние достижения в этой области исследований микромира, поочередно в Советском Союзе, Западной Европе и США.

Несколько лет назад четвертый по счету «смотр» смешанных сил элементарщиков и физиков-ядерщиков проходил в подмосковном городе Дубне — центре ядерных исследований ученых социалистических стран. Сюда съехалось более трехсот представителей многих лабораторий мира. Среди приехавших были известные ученые, например, профессор By Цзянь-сюн из США, которая своими экспериментами впервые доказала, что закон сохранения четности (один из важнейших законов квантовой механики) нарушается в мире элементарных частиц.

Выступая перед коллегами, она сказала, что разрыв между физикой высоких энергий и ядерной физикой уже ликвидирован, и ученые, работающие в этих когда-то резко разделившихся областях исследований микромира, теперь прекрасно понимают друг друга.

Эти слова подтверждала и широта затрагиваемых на конференции тем, и большой интерес ко всем докладам, и, конечно же, бурные обсуждения. Причем не только во время заседаний, но и в перерывах между ними в фойе, за чашкой чая или кофе. Тут и там возникали отдельные группы и пары продолжающих дискуссии, завязавшиеся в зале.

Недостатка в материале для обсуждения не было. Пустив в ход для изучения атомных ядер почти все элементарные частицы, которые удается получать с помощью ускорителей, экспериментаторы увидели ядро в совершенно ином свете.

Известно, что все новости о невидимом микромире экспериментаторы получают, так сказать, из «вторых рук». Поэтому объективность, значительность результатов опыта связана с возможностями тех щупов и зондов, которые непосредственно контактируют, например, с атомным ядром.

Зоркость любого внутриатомного инструмента полностью зависит от длины волны, которая ему соответствует по квантовой механике. Объекты меньшие, чем эта главная рабочая часть инструмента, для него неразличимы.

Обнаружить атомные ядра с помощью альфа-частиц удалось именно потому, что эти частицы имели длину волны, как раз совпадающую с размерами ядра.

Но заглянуть внутрь ядер могут лишь такие специальные зонды, как электроны с энергией в десятки миллиардов электрон-вольт, у которых длина волны соизмерима с длиной волны нуклонов. Они просматривают «насквозь» не только атомные ядра, но даже элементарные частицы.

Тем не менее даже резерв зоркости, которым обладают эти электроны, не делает их суждение о структуре ядра совершенно объективным.

Чем талантливее режиссер, тем настойчивее он ищет в каждой пьесе или киносценарии интересующую его тему, а не стремится к холодной беспристрастности в постановке. Единственная и постоянная тема электронов — электромагнитное взаимодействие. Они находят в ядрах только заряженные протоны и почти не замечают в них нейтронов. В результате у физиков создается оригинальное, но несколько одностороннее впечатление об атомном ядре.

И даже при таком предвзятом подходе капля ядерного вещества потеряла те черты идеальности, которые приписывали ей экспериментаторы, истолковывая сведения, полученные от едва различающих ядро альфа-частиц, и приобрела более достоверный вид.

У ядра, оказалось, нет четко очерченной границы. Чем ближе к поверхности, тем все более разреженным становится ядерное вещество. А за радиус ядра принимается расстояние, на котором плотность ядерной материи уменьшается вдвое.

Прошивая ядро со скоростью, близкой к скорости света, электрон успевает с помощью электромагнитного взаимодействия прощупать пространственное распределение протонов в ядре, так сказать, по силе толчка в бок. То есть по углу отклонения от первоначальной траектории.

«Бока» электронов оказались настолько чувствительными, что радиусы ядер удалось измерить с точностью до одного процента, а относительное изменение размеров ядер — даже с точностью в одну сотую процента!

И вот тогда-то четко проявилось небольшое влияние на размеры ядер тонких нюансов в бесконечном поединке электростатического отталкивания и ядерного притяжения. Из двух ядер с одинаковым числом нуклонов больший радиус распределения заряда имело то ядро, у которого было больше протонов.

Вот наглядное подтверждение того, как электростатические силы (их еще называют кулоновские), действующие между зарядами одинакового знака, «выталкивают» протоны к поверхности.

А как заряженные частицы распределены по всей толще ядерного вещества?

В том представлении о структуре атомных ядер, которое сложилось после экспериментов с электронами небольшой энергии, плотность зарядов во внутренней части атомных ядер всегда выступала в качестве постоянной величины. В учебниках она изображалась гладкой, прямой линией, круто спадающей к границе ядра. Быстрые электроны сразу разоблачили эту идеализацию действительности. Как только ученые из новых экспериментальных результатов по рассеянию электронов вычислили плотность зарядов на разных глубинах ядерного вещества, то получили не прямую линию, а кривую с четко выраженными подъемами и спадами.

Экспериментаторы сделали свое дело — задали теоретикам задачу. Теоретикам предстояло теперь дать свое толкование этому важнейшему факту — обнаруженной неоднородности в плотности распределения электрических зарядов в атомном ядре.

Сначала его трактовка не вызывала никаких затруднений. Все единодушно признавали, что, по-видимому, это проявление оболочечной структуры ядер. Но в последнее время все увереннее звучат голоса теоретиков, предлагающих иную гипотезу. Они считают, что электроны помогли вскрыть совершенно новый пласт ядерных свойств. Какой?

Советский физик-теоретик, академик АН СССР А. Мигдал предполагает, что неоднородность распределения зарядов может быть связана с существованием в ядре участков с повышенной плотностью ядерного вещества, не имеющих никакого отношения к нуклонным оболочкам.

Получается так, будто нуклоны «раздираются на части», будучи одновременно членами разных сообществ. Ну что ж, подобная ситуация сплошь и рядом встречается в макромире, когда один и тот же человек является членом и профсоюза, и общества филателистов, и, например, любителей аквариумных рыбок. А может быть, это норма поведения и в микромире?

Давно подмечена одна особенность ядерных сил: они зависят от того, как ориентированы механические моменты количества движения у взаимодействующих частиц. Возможно, ядерные силы создают из особым образом ориентированных протонов и нейтронов совершенно обособленную слоистую, пространственную структуру. В этих уплотненных слоях нуклоны сближаются друг с другом на расстояния меньшие, чем это обычно принято правилами общественного поведения в ядре. При этом, естественно, должна резко возрасти и плотность пи-мезонов, которыми они обмениваются. Это предполагаемое сгущение пи-мезонов получило название «пи-мезонный конденсат».

Теория пока ничего не говорит о том, насколько стабильно во времени образование «пи-мезонного конденсата»; и все-таки этот новый подход к внутреннему устройству ядер чрезвычайно интересен.

Рассуждая о строении ядерного вещества, физики обычно говорили о протонах и нейтронах, об их пространственном распределении, наконец, о ядерных силах, но не отводили никакой роли в структуре ядра возникающим и тут же исчезающим пи-мезонам — предметам межнуклонного обмена.

Очень может быть, что представление о ядре, состоящем только из протонов и нейтронов, так же мало похоже на настоящее ядро, как препарат клетки, приготовленный для изучения под микроскопом, на живую клетку.

Теоретики предлагают поставить специальные эксперименты по поиску «пи-мезонного конденсата». А. Мигдал считает, что обнаружить его можно, например, по рассеянию электронов больших энергий на ядрах с заранее ориентированными механическими моментами количества движения.

Большой интерес у экспериментаторов вызвало предложение шведского физика-теоретика Т. Эриксона: попробовать зарегистрировать реакцию между влетающими в ядра отрицательно заряженными пи-мезонами и пи-мезонами, принадлежащими ядерной структуре.

Несомненно, электроны подметили много интересного в ядерном веществе, а новые эксперименты с ними принесут, может быть, еще более важные сведения о ядре, хотя и эти сведения всегда будут страдать уже известной нам односторонностью.

От новых «специалистов» по ядру никто не ждал каких-то сенсационных сведений о распределении ядерной материи в пространстве, хотя они и располагали большими возможностями по сравнению с электронами.

В экспериментах с быстрыми электронами удалось достаточно хорошо прозондировать распределение протонов в ядрах. Подразумевалось, что и нейтроны расположены аналогичным образом, так как они связаны с протонами силами ядерного притяжения. И физикам очень хотелось получить от новых разведчиков — быстрых протонов — прямое подтверждение этому предположению. Но основное преимущество ускоренных протонов — видение ядра через призму сильного ядерного взаимодействия — было реализовано далеко не сразу.

Главная тема поначалу звучала очень неуверенно. Неудачной была заданная экспериментаторами форма для ее выражения: рассеяние протонов на ядрах. Протоны рассказывали обо всем увиденном куда менее вразумительно, чем электроны. В общем, результаты не противоречили тому, что уже было известно. В деталях же невозможно было разобраться из-за незнания законов ядерного взаимодействия. И этот важнейший инструмент исследований в физике элементарных частиц — протоны больших энергий — некоторое время использовался только в роли подсобного при изучении атомных ядер. Так продолжалось до тех пор, пока экспериментаторы не нашли для протонов тот жанр, в котором в полную силу заиграла их главная тема — сильное взаимодействие.

Ядерное вещество в максимальной степени «прозрачно» для протонов с энергией от 500 до 700 миллионов электрон-вольт. Они проникают на любую его глубину, прекрасно различают отдельные частицы и вступают с ними в ядерные реакции. Не рассеяние, а прямое взаимодействие с отдельным ядерным протоном, передача только ему части энергии — вот какая реакция превратила быстрые протоны в особый, незаменимый зонд ядерной структуры. Физики обозначают реакции такого типа символом «р; 2р», что означает: на ядро падает ускоренный протон и выбивает из него другой. В итоге ядро покидают два протона.

Но не всякий протон, выбитый из ядра, может сообщить что-то интересное о порядках, действующих в ядре, например о его оболочечной структуре. Если в реакцию с влетающим протоном-снарядом вступает все ядро в целом, то вылетающий при этом протон безнадежно обезличен. Он уже не знает, какое состояние и с какой энергией занимал в ядре.

Экспериментаторов же интересует такая реакция, когда протон-снаряд передает энергию непосредственно одному из ядерных протонов. Само ядро уже никоим образом не вмешивается в дележ энергии между двумя нуклонами. Регистрируя энергию двух, покидающих ядро протонов, одновременно попадающих в счетчики, и угол разлета между ними, физики легко могут рассчитать, какую энергию имел ядерный протон до столкновения.

Пятнадцать лет напряженной работы принесли свои плоды — экспериментаторы получили пространственное распределение протонов в различных ядерных оболочках для многих атомных ядер.

В реакции «р; 2р» ученым удалось даже измерить энергию, которую надо затратить для «ядерной ионизации» каждой оболочки, то есть для вырывания из нее протона.

Положение всех нуклонов в обществе под названием «оболочки» было наконец установлено абсолютно твердо. Результаты экспериментов полностью подтвердили расчеты, выполненные по этой модели. Радиус ядра, полученный путем суммирования распределения протонов во всех оболочках, совпал в пределах одного процента с измеренным в опытах по упругому рассеянию электронов.

Но экспериментаторы не закрывали глаза и на другие обстоятельства. Довольно часто быстрый протон передавал часть своей энергии не одному-единственному протону, а выбивал из ядра целую группу крепко связанных нуклонов — кластер, как ее называют физики.

Подобно сгусткам, напоминавшим земные предметы, которые наблюдал пилот Бартон в глубинах океана Соляриса, в ядерном веществе физики с помощью протонов находили образующиеся на короткое время разнообразные сгущения из нуклонов.

Случайно сближаясь между собой, протон и нейтрон иногда создают сгусток, похожий на ядро изотопа водорода — дейтерия, а два нейтрона и два протона ненадолго слипаются в комок, напоминающий альфа-частицу — ядро гелия-4. Отличаются эти временные образования от обычных ядер такого же типа лишь весьма малыми размерами.

Эта динамическая, кластерная структура ядра представляет собой не что иное, как возникновение сверхплотных комочков нуклонов в сравнительно однородном ядерном веществе.

В неумело сваренном киселе плотные комки вполне можно считать косвенным доказательством того, что это блюдо может быть приготовлено и более густым.

А не может ли в принципе быть погуще и ядерное вещество?

Казалось бы, может. Ядерные силы притяжения в состоянии заставить все ядерные частицы коллапсировать, сжиматься в один сверхплотный комок с размерами порядка их радиуса действия. Однако нуклоны только изредка реализуют эту возможность, образуя кластеры. Ученые объясняют этот интереснейший и очень важный факт, в частности, тем, что на очень близком расстоянии, приблизительно равном половине радиуса действия притяжения, нуклоны начинают с огромной силой отталкиваться.

Эта идея впервые высказывалась уже в конце 30-х, в 40-х годах. Тогда ей уделялось очень мало внимания, так как ученые считали, что она противоречит представлению о простой структуре элементарной частицы. Но когда это представление развеялось «как дым, как утренний туман», и потрясенные своими открытиями физики вынуждены были даже отказаться от использования эпитета «элементарные» в первую очередь по отношению к протонам и нейтронам, то идея об отталкивании между ними на малых расстояниях обрела права гражданства. Эту гипотезу подтверждали и результаты экспериментов по рассеянию протонов на протонах.

Итак, плотность ядерного вещества не произвольно задана природой, а является результатом динамического равновесия между силами притяжения, словно обручами стягивающими всю систему нуклонов, и сопротивлением изнутри, которое препятствует дальнейшему уменьшению объема.

Тем более интересны случаи нарушения этого обычного состояния ядерного вещества — возникновение сверхплотных сгущений нуклонов. Они дают прямую информацию о поведении протонов и нейтронов на сверхблизких расстояниях, где, по-видимому, проявляются еще более мощные, чем притяжение, силы отталкивания между частицами. Никаким другим способом получить аналогичные сведения пока невозможно.

В ядерных кластерах нуклоны сближаются, так сказать, добровольно. А громадная энергия, которая требуется для сближения свободных нуклонов на расстояние, сравнимое с радиусом действия отталкивания, способствует рождению множества новых частиц. И момент сближения сопровождается такими посторонними явлениями, что докопаться до свойств ядерных сил практически невозможно.

Превращение реакции выбивания кластеров протонами больших энергий в инструмент исследования структуры ядра и природы ядерных сил — в значительной мере заслуга ученых Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований в Дубне.

Роль «ядрохода» была поручена легкой элементарной частице с единичным отрицательным электрическим зарядом — мю-мезону.

За те 40 лет, что прошли со дня первого знакомства ученых с этой частицей, так и не удалось выявить ее особый талант, понять, в чем ее неповторимость и для чего она вообще нужна микромиру.

Злые языки утверждают, что ничего оригинального в ней нет; что это просто электрон с массой, в 210 раз большей. В это, конечно, трудно поверить. «Ничто не происходит без достаточного основания», — писал М. Ломоносов. И наука на каждом шагу подтверждает эти слова. Но, видимо, в случае с мю-мезоном «основания» эти лежат довольно глубоко, и до них не так легко добраться. И пока теоретики продолжают свои попытки «раскусить» мю-мезон, экспериментаторы уже давно используют его в эпизодических, «проходных» ролях при исследовании микромира. Роль «ядрохода» — одна из наиболее серьезных.

Профессор By Цзянь-сюн на конференции в Дубне сказала, что, потеряв новизну для физики элементарных частиц, мю-мезоны приобрели важное значение в качестве инструмента для изучения атомных ядер.

Этот любопытный инструмент возникает в конце цепочки ядерных реакций, следующих одна за другой. Сначала протоны, разогнанные на мощном ускорителе, со всей силой ударяются о кусок вещества — мишень, и рождают новые частицы пи-мезоны. А пи-мезоны, распадаясь, рождают более легкие мю-мезоны.

Но сам по себе мю-мезон еще не инструмент. «Ядроходом» он становится лишь после того, как образует необычный, экзотический, атом.

Слова «экзотический атом» звучат на первый взгляд довольно странно. Ну какая может быть экзотика в атомах, все закоулки которых давным-давно исследованы и переобследованы?

В наше время даже школьники знают, что атомы состоят из электронов, нейтронов и протонов.

Строение атомов, действительно, понятно настолько хорошо, что физики способны по желанию как разрушать их, так и создавать новые.

Первым искусственно созданным экзотическим атомом стал наилегчайший атом позитрония. Теоретики всерьез заговорили о нем сразу после открытия в 1934 году электрона с положительным электрическим зарядом — позитрона. Нейтральный, как и все атомы, атом позитрония, в котором вокруг позитрона должен был вращаться один электрон, казался столь реальным, что получил свой химический символ еще до открытия его экспериментаторами в 1951 году.

Больше четверти века ученые имеют дело с разными искусственными атомами и настолько привыкли к этой мгновение существующей (позитрон живет миллионные доли секунды) экзотике, что подчас обычные природные атомы кажутся им производными от этих поденок.

Новизна экзотического мю-мезоатома в том, что в нем, помимо электронов, протонов и нейтронов, присутствует еще и мю-мезон. Отрицательно заряженный мезон — желанный гость атома, точнее, гость ядра. Это оно своим большим положительным электрическим зарядом, как магнитом, притягивает остановившийся в веществе мю-мезон.

Не имея сил отказаться от настойчивого приглашения, мезон садится на одну из самых внешних, расположенных далеко от ядра электронных орбит. Но положение гостя не избавляет мезон от подчинения действующим в атоме квантовым законам. Радиус околоядерной орбиты любой частицы обратно пропорционален ее массе — гласит это правило. Оно предписывает мезону искать свое место на орбитах, которые находятся в 200 раз ближе к ядру, чем электронные.

Ничего не поделаешь, против квантовой механики не пойдешь; и приходится мезону круто пикировать. Перескакивая с одной орбиты на другую, он быстро приближается к центру атомной планетной системы, к ядру.

В атомах средних по массе химических элементов мю-мезон, находясь на самой близкой к ядру орбите, буквально чиркает по его поверхности. А в атоме свинца он не только совершает мягкую посадку на ядро, но даже глубоко погружается в ядерное вещество.

Уже говорилось, что в микрокосмосе все события совершаются в чрезвычайно сжатые сроки. И мю-мезон — ядроход существует намного меньше секунды. Однако по сравнению с ядерным масштабом времени это целая вечность. Поглощенный пучиной плотного ядерного океана мю-мезон, прежде чем исчезнуть в реакции взаимодействия с протоном, успевает сделать миллионы миллионов оборотов.

Как же удается мю-мезонам так свободно проникать в ядро и кружиться там, не теряя своей самостоятельности?

Повинны в этом опять-таки квантовые законы. Они утверждают, что проницаемость или непроницаемость в микромире зависит не от твердости или мягкости преграды, как мы к тому привыкли, а от наличия или отсутствия вакантных мест в определенных квантовых состояниях.

Пулей не пробить толстую броню; и мы утверждаем, что она непроницаема. Но если пуля вдруг превратилась бы в квантовый объект, она легко проникла бы в нее, потому что в этом случае все квантовые состояния в броне для пули свободны. Свободны и для мю-мезона все состояния в ядерном веществе. Легко перемещаясь в нем, мю-мезон «не торопясь», в спокойной обстановке фиксирует форму ядра, его размер, пространственное распределение в нем протонов и передает все эти сведения по «каналу мезорентгеновской связи» ученым.

Этот «канал» работает непрерывно с момента образования мю-мезоатома до захвата мезона ядром. Перескакивая с одной своей орбиты на другую, расположенную глубже в атоме, мезон, следуя квантовым законам, испускает рентгеновское излучение. Физики называют его мезорентгеновским, чтобы ясно было, кому оно обязано своим происхождением.

Мю-мезон, как и электрон, не подвержен сильному взаимодействию. Его общение с ядром в основном сводится к взаимодействиям электромагнитному и слабому. И чем ближе он подходит к центру атома, тем мощнее становится воздействие на него ядерного скопища электрических зарядов.

Мезорентгеновские фотоны, которые мю-мезон испускает при перескоках между несколькими самыми глубокими последними орбитами, несут в себе все богатство его электромагнитных «впечатлений» от ядра. Очень важно уметь «выжать» эти впечатления всего из двух измеряемых на опыте характеристик рентгеновского излучения: энергии и интенсивности.

Вот как находится, например, теоретическая зависимость энергии этого излучения от размера ядра в шутливом изложении самих физиков.

Сначала теоретик воображает себе ядро в виде некоего заряженного облака. И не только в голове, но и на бумаге, в математическом виде. Подобным же образом движущийся в ядре мю-мезон представляется ему в виде размазанного желеподобного объекта. А когда это облако и желе, сдобренные такими «приправами», как теория относительности и спин (механический момент количества движения), «засыпаются» в электронную счетную машину, то наружу выскакивает долгожданный результат: зависимость энергии рентгеновских лучей от радиуса ядра.

Первые же эксперименты с мезоатомами, выполненные четверть века назад, внесли чрезвычайно важный вклад в ядерную физику. По энергии мезорентгеновских лучей впервые с большой точностью физикам удалось «измерить» тяжелые ядра. Их радиусы оказались на 30 процентов меньше тех значений, что фигурировали в тогдашних таблицах и учебниках.

И сейчас этот метод не уступает по точности методу измерения радиуса ядер по рассеянию электронов больших энергий. Кроме того, мезонный инструмент обходится ученым дешевле, чем гигантский ускоритель электронов. Но сравнение этих двух методов теряет всякий смысл, когда речь идет об исследовании деталей структуры ядра.

Длительный контакт мю-мезона с ядерным веществом приводит к неожиданным последствиям. Быстро выдергивая лист бумаги из толстой стопки, мы не нарушаем расположения остальных листов, вытягивая же его медленно, можно сдвинуть с места и всю стопку. Электрон, проскакивая через ядро, не успевает повлиять на распределение в нем протонов. А мю-мезон, двигаясь по орбите, расположенной в самом ядре, немного искажает истинное расположение зарядов. Это перераспределение нуклонов, в свою очередь, воздействует на мю-мезон, и он становится регистратором уже новых, изменившихся свойств ядерного вещества.

Теоретики уже различают некоторые виды этих очень небольших, очень тонких, но чрезвычайно важных для исследования структуры ядра эффектов, которые накладывают свой отпечаток на мезорентгеновское излучение, «просвечивающее» ядро.

Все своеобразие экспериментов с экзотическими атомами заключается не в создании необычной, громоздкой аппаратуры, какая необходима физике элементарных частиц, а в достижении чрезвычайно высокой точности при измерении энергии. Главная забота экспериментаторов состоит в том, чтобы не потерять ни одного бита информации, закодированной в энергии и интенсивности мезорентгеновского излучения.

Для этой цели ученым не нужны ни большие магниты, ни громадные баки черенковских счетчиков, с помощью которых выделяют частицы, движущиеся почти со скоростью света. Энергия рентгеновских лучей относительно мала. В атомах разных элементов она меняется в интервале всего лишь от единиц до сотен и тысяч килоэлектрон-вольт. Наиболее чутким прибором для регистрации квантов такой энергии зарекомендовал себя германиевый полупроводниковый детектор.

В обычном германиевом счетчике при всем желании почти невозможно найти ничего такого, что могло бы поразить наше воображение. Состоит он из небольшого цилиндрика объемом в несколько десятков кубических сантиметров, сделанного из химически чистого элемента германия. А вот изготовление этого счетчика требует настоящего искусства. В кусочек германия с помощью очень сложной технологии вносится небольшое количество элемента лития. Только после этой процедуры германий приобретает необходимые для прибора свойства.

Но и сам германиевый цилиндрик с вкрапленным в него литием тоже еще не счетчик. Вторая часть прибора — очень сложная, чувствительная и чрезвычайно стабильно работающая электронная аппаратура.

Весь германиевый кристалл постоянно находится в электрическом поле. Когда через цилиндрик пролетает ионизирующая частица, на ее пути возникают свободные электроны, вырванные из кристаллической решетки, и оставшиеся в ней положительно заряженные «дырки». Под воздействием электрического поля и те и другие быстро перемещаются к электродам, которые отвечают на их появление электрическим сигналом.

Высокая плотность вещества полупроводникового счетчика и очень малая энергия ионизации, в десять раз меньшая, чем та, которая требуется для ионизации, например, в газе, делают его просто незаменимым для измерения энергии рентгеновского излучения.

Надо сказать, что точно такую же аппаратуру и те же мезоатомы ученые используют теперь и для других целей. Например, для изучения изменений химического состава в живых организмах. Мезорентгеновский свет со своими спектральными линиями так же специфичен для каждого химического элемента, как и обычный.

Живое и неживое состоит из одного и того же стандартного набора элементов. И вполне закономерно, что результаты исследований физиков в мире атомов находят применение в биологии и медицине. Облучение мю-мезонами позволяет при минимально возможном радиационном воздействии на человека проводить химический экспресс-анализ для медицинской диагностики.

Во многих институтах мира сейчас строятся, а в некоторых уже и работают ускорители, предназначенные не для достижения рекордных энергий ускорения протонов, а для получения рекордных по интенсивности пучков пи- и мю-мезонов. Они так и называются «мезонные фабрики». Большая интенсивность мезонного пучка поможет экспериментаторам достичь более высокой ступени точности измерения и энергии мезорентгеновского излучения.

Жизнь идет вперед. И то, что вчера казалось наивысшим достижением, сегодня уже теряет какую-то часть своих достоинств. Германиевый детектор, несмотря на свои превосходные качества, практически достиг потолка точности. Возникла новая идея — использовать на ускорителях совершенно иной способ измерения энергии рентгеновских квантов, способ, при котором экспериментаторы, как бы забывая об энергии, занимаются только прецизионным измерением угла рассеяния этих квантов от плоскости кристаллической решетки.

Какое же отношение имеет кристаллическая решетка к энергии мезорентгеновского излучения?

На первый взгляд никакого. Но физики, изучающие свойства обычных атомов, давно применяют для исследования атомных спектров кристалл-диффракционные гамма-спектрометры. Главную свою задачу — определение энергии электромагнитного излучения — экспериментаторы переложили, так сказать, «на плечи» кристалла кварца, основную часть этого прибора. Квант излучения определенной энергии, падая на плоскость кристаллической решетки кварца, с максимальной интенсивностью отражается под определенным углом. Таким образом, энергию рентгеновских или гамма-квантов с абсолютной точностью как бы устанавливает сам закон природы — закон взаимодействия этих квантов с внутренней структурой кристалла. А физикам остается лишь найти величину угла, на который с максимальной интенсивностью отражается мезорентгеновское излучение. И зависит она от энергии излучения и расстояния между кристаллическими плоскостями.

Правда, на долю создателей прибора остается не так уж мало трудностей. Требуется ювелирное исполнение механических частей прибора и фантастическая точность (до сотых долей угловой секунды!) при измерении довольно больших углов. Необходимо поддерживать и жесткий температурный режим — до одной сотой градуса. Но, выполнив все эти условия, исследователи атомных ядер получают прибор, который измеряет энергию рентгеновских квантов в 100 раз точнее, чем самый удачный полупроводниковый счетчик.

Несколько страниц посвящает С. Лемм в романе «Солярис» описанию фантастических волн и смерчей на поверхности мыслящего океана, неистощимое буйство которых как-то отражало его глубоко скрытую и непонятную землянам деятельность. Целую поэму можно написать и о поверхности океана ядерного вещества.

Теоретики предполагают, что в поверхностной, более разреженной области ядра протоны и нейтроны ведут себя, так сказать, более раскованно. Здесь менее эффективно действует жестко регламентирующий их поведение в плотной центральной части принцип Паули. Именно на поверхности возможно подметить такие особенности ядерной материи, которые никогда не обнаружить в центральных областях, где плотность велика.

Ближе к краю ядра число нуклонов иногда убывает равномерно. Тогда говорят, что у ядра гладкая поверхность. А на «бугристой» нейтроны и протоны сбиваются в небольшие сгустки. У теоретиков есть некоторые соображения относительно того, что в ядерной «бахроме» протоны и нейтроны ненадолго слепляются в обычную альфа-частицу. Альфа-сгущения возникают и вновь исчезают по мере того, как отдельные нуклоны, из которых они состоят, двигаясь по индивидуальным орбитам, внезапно появляются на поверхности ядра и опять ныряют в его глубины.

Модель оболочек предсказывает скопление альфа-частиц на поверхности ядра от 100 процентов в легком ядре лития-6 до одного процента для ядра кальция-40. Но как обстоит дело на самом деле, еще неясно. Результаты некоторых экспериментов кажутся весьма прозрачным намеком на то, что альфа-частиц на поверхности гораздо больше, чем это следует из модели оболочек. Возможно, это так, и тут уж ничего не поделаешь. Как говорил А. Эйнштейн: «Все, что мы знаем о реальности, исходит из опыта и завершается им».

Однако и поверхностный слой, за толщину которого принимают расстояние по радиусу от точки, где плотность равна девяти десятым от значения плотности в центре, до точки, в которой она падает до одной десятой, еще не самый край ядра.

До нуля плотность ядерного вещества спадает на довольно большом расстоянии от центра ядра. Кажется, что эта далекая окраинная область не может поразить чем-то необычным, ведь там и частиц-то почти не осталось.

Но мы знаем, как много дали ученым исследования «атмосферы» и «стратосферы» Солнца. Сколько интересных и важных явлений было открыто именно в этой части нашего светила. В «ядерной стратосфере» плотность материи в 20 раз меньше, чем во внутренней области, и именно здесь может проявиться действие таких законов, которые могли бы остаться незамеченными при изучении только сердцевины атомного ядра. Из каких же частиц состоит «стратосфера» ядра?

Поверхностные области атомных ядер почти не поддаются теоретическому анализу, и окончательное слово остается за экспериментом. Но многие физики предполагают, что, например, тяжелые атомные ядра должны иметь поверхностный слой, состоящий преимущественно из нейтронов, этакое «нейтронное галло». Кстати, этому не противоречат и данные по рассеянию быстрых электронов.

Галло, возникающее иногда вокруг Солнца перед резкой переменой погоды, можно увидеть невооруженным глазом, а как рассмотреть нейтронный ореол вокруг ядра?

До того как экспериментаторы научились ускорять протоны до энергии в несколько десятков миллиардов электрон-вольт, нечем было зондировать эти полупустынные окрестности ядра. Теперь такую возможность представляют вторичные нестабильные частицы, которые рождаются при столкновении сверхбыстрых протонов с веществом.

На международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра, которая проходила в 1971 году в Дубне, и на конференции, состоявшейся летом 1975 года в Соединенных Штатах Америки, часто можно было услышать слова: «адронные атомы».

«Адронами» физики называют все элементарные частицы, способные к сильному взаимодействию. Это их, так сказать, родовое название. Эпитет «адронные» получили такие экзотические атомы, которые, кроме протонов, нейтронов и электронов, содержат еще и адроны: пи-мезоны, К-мезоны или тяжелые гипероны. Адронные атомы, как говорится, просто созданы для прощупывания самых отдаленных от центра участков атомных ядер.

Механизм запуска адронов на орбиту вокруг ядра аналогичен запуску мю-мезонов и гораздо проще запуска искусственных спутников Земли. (Конечно, при условии, что под рукой есть мощнейший ускоритель протонов и сложная система формирования пучков вторичных нестабильных частиц.) При этом обычные атомы вещества, в котором останавливаются отрицательно заряженные пи-мезоны, К-мезоны или гипероны, превращаются в адронные, если эти нестабильные частицы становятся спутниками их ядер.

Экзотические атомы мимолетны, как мы уже говорили, и весьма своеобразны. Самую интересную, уникальную информацию они дают не в момент захвата адрона ядром, сопровождающегося катастрофой, взрывом ядра, а буквально за одно мгновение до этого события, когда взаимоотношения между ними строятся еще на полутонах.

Атомные орбиты тяжелых адронов расположены еще ближе к ядру, чем орбиты легких мю-мезонов. Но добраться до самых глубоких из них адронам не удается. Экспериментаторы узнают об этом по энергии тех рентгеновских сигналов, которые поступают при перескоках частиц с одной орбиты на другую.

Первые порции этого излучения приносят только электромагнитные впечатления от взаимодействия пи-, К-мезонов или гиперонов с ядром. Короткодействующие ядерные силы еще не чувствуют присутствия в атоме достойного партнера для сильного взаимодействия. Но стоит адрону войти в область «ядерной стратосферы», как тотчас включается сильное взаимодействие, которое перекрывает все остальные. Адрон перестает ощущать атом и общается только с протонами или нейтронами самой периферии ядра. А мю-мезон эту область проскакивает, совершенно не замечая нуклонов, поскольку его удел слабые взаимодействия.

В популярной песенке поется, что «одна дождинка — еще не дождь, одна снежинка — еще не снег». Но для адронов редкие нуклоны ядерной стратосферы уже ядро. И оно тотчас показывает свой характер. Аппетит ядра к сильно взаимодействующим частицам столь велик, что пи-мезон исчезает уже с пятой или шестой орбиты, диаметр которой еще в десять раз больше размера самого ядра. Ну а К-мезон захватывается ядром и того раньше.

Последний сигнал, принимаемый экспериментаторами от адронного атома, последняя порция рентгеновского излучения наиболее ценна, потому что несет максимальную информацию о характере взаимодействия пи-мезона, К-мезона или гиперона с ядром и, что очень важно, о плотности протонов и нейтронов в самых отдаленных, поверхностных, районах ядра.

Это уникальная возможность проверить, а вернее — испытать на деле многие представления, гипотезы и формулы, предлагаемые теоретиками для описания ядерных взаимодействий. Примеряя свои математические построения к тому экспериментальному материалу, что дают экзотические атомы, ученые подбирают наиболее подходящие значения для произвольных параметров, входящих в формулы.

В 1953 году польские ученые М. Даныш и Е. Пневский изучали взаимодействие космических лучей с ядрами фотоэмульсий. В то время это был единственный способ проникнуть в мир огромных энергий, где каждое столкновение заканчивалось расщеплением ядра и рождением новых частиц.

В методе фотоэмульсий используются только два прибора: сделанный руками человека микроскоп и прибор удивительно высокой чувствительности, созданный самой природой, — человеческий глаз.

По перепутанным следам зверей на заснеженной поляне опытный охотник воссоздает картину борьбы не на жизнь, а на смерть, полную динамизма и ярости. Линии, прорисованные в эмульсии следами (треками) заряженных частиц, полны движения для рассматривающего их физика и говорят об интересных событиях в микромире.

На картине, застывшей в поле зрения микроскопа, наметанный глаз легко различает тонкий непрерывный след космической частицы большой энергии, угодившей прямо в тяжелое ядро вещества эмульсии. Подобно молнии, которая шутя расщепляет ствол дерева-великана, она раскалывает ядро, из которого высыпаются частицы.

Глаз видит как бы звезду, характерный признак взрыва ядра: из одной точки эмульсии расходятся сразу несколько лучей — треков заряженных частиц.

Польские физики при просмотре облученных в космических лучах фотоэмульсий заметили, что в некоторых звездах среди прочих лучей встречается один совершенно необычный. Необычность следа не в том, что толщина его менялась по мере удаления от центра, а совсем в другом. Характер трека не оставлял сомнений в том, что этот осколок вдребезги разлетевшегося тяжелого ядра эмульсии являлся ядром какого-то легкого элемента. Непонятным было его дальнейшее поведение.

Обычно, быстро обрастая электронами, заряженное ядро все меньше ионизировало вещество эмульсии, а, превратившись в нейтральный атом, окончательно «заметало» свой след. В редких же случаях это ядро тоже взрывалось, образуя небольшую вторичную звезду.

Физики были чрезвычайно удивлены тем, что, казалось бы, ни с того ни с сего легкое ядро испытывало катастрофу, да еще буквально в двух шагах от первого. Создавалось впечатление, будто ядро-осколок содержало в себе бомбу замедленного действия.

Бесстрастный свидетель — фотоэмульсия — объективно зафиксировал все детали этого события. По толщине следов, по их длине можно было узнать, какие частицы и с какой энергией вылетели при взрыве легкого ядра. Проще всего было предположить, что вторая звезда — это результат взрыва осколка, «перегретого» в момент образования. Но в таком случае он никак не мог бы иметь столь длинный пробег в эмульсии и столь долгое время жизни — порядка 10^–12 секунды!

Проведя анализ этого странного события, М. Даныш и Е. Пневский сообщили об открытии первого гиперядра — необычного «гибрида» атомного ядра и нестабильного тяжелого лямбда-гиперона.

Нейтральный лямбда-гиперон рождался в момент удара космической частицы о первое ядро и незаметно для протонов и нейтронов приживался в ядре-осколке. Через 10^–12 секунды нестабильный гиперон распадался, на протон и пи-мезон с отрицательным электрическим зарядом. Эти, а также вторичные частицы, выбиваемые ими из ядра, и прочерчивали в эмульсии лучи второй звезды.

Гиперядро представляет собой уникальную возможность для физиков наблюдать, как довольно долгое время (по сравнению с ядерным) посторонняя сильно взаимодействующая частица сосуществует с обычными протонами и нейтронами. В этом сосуществовании все странно и многое непонятно до сих пор. Не без странностей и сама непрошеная ядерная квартирантка. Ученые так и называют гипероны «странными» частицами. Рождаясь и исчезая в сильных взаимодействиях, гипероны как-то умудряются просуществовать гораздо дольше положенного им, законного мгновения ядерного времени, равного 10^–22 секунды.

Странно и другое. С одной стороны, нейтроны и протоны как будто не замечают присутствия в ядерном веществе гиперона, словно он для них невидимка. Но, с другой стороны, эта частица легко приживается в ядре только благодаря тому счастливому обстоятельству, что между гипероном и нуклонами действуют обычные мощные силы ядерного притяжения. Так можно ли говорить о том, что нейтральный лямбда-гиперон попадает в ядро никем не замеченный?

По-видимому, по обоюдному соглашению квартирантка получает все права, какие имеют и постоянные жильцы: ее энергия связи приблизительно такой же величины, что и у других нуклонов. Но в то же время эта частица ловко увиливает от выполнения некоторых правил внутреннего ядерного распорядка.

Один гиперон в ядре не подчиняется принципу запрета Паули, как и одна квантовая пуля в броне или один мю-мезон в ядре. «Это колоссальное преимущество для проверки наших представлений о структуре ядра», — сказал профессор Е. Пневский.

Ученые считают, что наиболее перспективны именно те исследования, в которых изучаются ядра, находящиеся в условиях, отличающихся от стандартных. Сравнение таких свойств гиперядер, как время жизни, возможные квантовые состояния и другие, с такими же свойствами обычных ядер даст богатую информацию и о ядерных силах, и о новых сторонах в строении ядра.

Но физика гиперядер не могла развиваться до тех пор, пока в качестве основного источника гиперонов использовались космические лучи. Слишком редки были случаи рождения гиперядер. Сейчас их создают на мощных ускорителях протонов в пучках отрицательно заряженных К-мезонов. В реакции, которую в 1963 году предложил для получения гиперядер советский ученый профессор М. Подгорецкий, тяжелый К-мезон, сталкиваясь с ядром мишени, захватывается одним из его нейтронов. При этом рождается нейтральный лямбда-гиперон, который приживается в ядре, и пи-мезон. Эта ядерная реакция в основном и штампует гиперядра по сей день.

Известно уже около двадцати таких необычных ядер. Но в результате систематических исследований, к которым приступили ученые во многих известных лабораториях, наверняка будут открыты новые группы подобных ядер с совершенно новыми свойствами.

А пока о гиперядерной физике приходится говорить, оперируя в основном глаголами будущего времени. Это одна из быстро развивающихся, интереснейших областей науки микромира, у которой, правда, гораздо больше потенциальных возможностей, нежели реальных достижений. И все же экспериментаторы уже обнаружили несколько гиперядер, которые содержат не один нейтральный лямбда-гиперон, а целых два. Но и это не предел. Теоретики предсказывают, что на вновь строящихся ускорителях, так называемых нуклотронах, разгоняющих до высоких энергий атомные ядра, можно будет получать экзотические ядра с еще большим числом гиперонов. Такие сверхстранные ядра должны быть более плотными, поскольку при добавлении к ним лямбда-гиперонов их радиусы тем не менее не увеличиваются. Исследование такого необычного ядерного вещества интересно и само по себе, и с точки зрения астрофизики.

Советские астрономы В. Амбарцумян и Т. Саакян еще в 1960 году выдвинули гипотезу о существовании особой формы звездного вещества — вещества, содержащего, кроме нуклонов, еще и гипероны.

Возможно, настанет время, когда гиперонная физика позволит ученым «хватать с неба звезды» и изучать их в лаборатории. Экзотические ядра, содержащие несколько гиперонов, могут служить микроскопической, короткоживущей «пробой» звездного вещества.