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.
— Да, изучать ядро проносящимися сквозь него со скоростью света частицами дело, вероятно, довольно хлопотное. А нельзя ли это делать более спокойным, что ли, способом?
— Такая возможность появилась только после открытия особых, короткоживущих атомов, непохожих на обычные.
— Что, в таких атомах ядро само раскрывает свои тайны?
— Нет, ученые исследуют нуклонный коллектив с помощью частиц — «ядроходов», которые совершают мягкую посадку на ядро и даже на какое-то время проникают в его недра.
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.