«Безразмерность» тех внутренних сущностей, которые принимают на себя энергию при глубоко неупругих процессах, допускает толкование ядерных реакций и в рамках партонной модели, и в том случае, когда протон представляется как сплошной протяженный объект.
Природа сжалилась над физиками и упростила закономерности взаимодействий ядерных частиц при больших энергиях. В самом деле, эксперименты, проведенные на ускорителе в ЦЕРНе, в Серпухове, и затем в Батавии (США), выявили замечательное общее свойство, присущее всем процессам множественного рождения частиц. Сложные математические формулы, с помощью которых физики ухитрялись как-то описывать те или иные реакции между протонами меньших энергий, оказались вдруг совершенно ненужными. В новой области энергий результат столкновения двух частиц зависел только от соотношения импульсов налетающей и рожденной частицы.
Неожиданно выявленное экспериментаторами единообразие многих процессов, происходящих в момент катастрофического столкновения двух частиц в широком интервале энергий от 10 до 400 миллиардов электрон-вольт, напоминает путешествие в пустыне, где нет никаких ориентиров. Все равно, едете вы на верблюде или мчитесь на машине, информация исчерпывается только числом дней и длиной пройденного пути. И впечатления совершенно не зависят от того, какими вы представляете себе окружающие барханы: монолитными или состоящими из мириадов песчинок.
Масштабная инвариантность обнаружена в той области энергий взаимодействующих частиц, в которой отношение квадратов импульсов частиц намного больше квадратов масс. В той же области энергий изучает взаимодействия ядер и релятивистская ядерная физика.
Постановка задачи о применении масштабной инвариантности к столкновениям релятивистских ядер и первые эксперименты в этой области были предложены и выполнены в Лаборатории высоких энергий ОИЯИ. Оказалось, что новая закономерность, свойственная адронной материи при высоких энергиях, применима и к релятивистским ядрам. Исследование же столкновений релятивистских ядер, в свою очередь, поможет лучше разобраться в специфике процессов множественного рождения частиц.
В столкновениях двух нуклонов рождаются десятки новых частиц. Тем же заканчивается и соударение релятивистских ядер. Но между этими похожими событиями микромира есть принципиальная разница, которой и воспользовались физики для выяснения деталей взаимодействия элементарных частиц.
Структура двух ядерных участников реакции известна, чего нельзя сказать о нуклонах. Когда будут ускоряться ядра разных химических элементов, появится возможность в широких пределах варьировать квантовые свойства сталкивающихся объектов и сравнивать особенности соударения легких и тяжелых ядер. При этом, может быть, удастся подобрать наиболее удачный макет и для элементарной частицы.
— Можно согласиться с тем, что ядро со своими нуклонами действительно похоже на составную элементарную частицу. Но подделаться под частицу — кусочек сплошной адронной материи — оно, наверное, не в состоянии?
— Почему? При очень высоких энергиях, когда вероятность процессов не зависит ни от размеров внутренних сущностей взаимодействующих объектов, ни от их массы, вполне уместно предположить, что ядро — архипелаг крупных островков из сплошной адронной материи.
— Предполагать можно все, что угодно. Но предпочтительнее, как говорил один литературный герой, наука не умственная, а натуральная.
— Вот это верно!
Недавно экспериментаторы получили подтверждение правильности нового представления о ядре. Ученые Дубны обнаружили новое физическое явление: ядерный кумулятивный эффект. Открыт он был в 1971 году вскоре после того, как впервые в мире синхрофазотрон Лаборатории высоких энергий стал ускорять ядра дейтерия (их называют дейтонами) до энергии 11 миллиард-электрон-вольт.
При столкновении дейтона с протоном рождается более легкая частица — пи-мезон. Суть кумулятивного поведения ядерного вещества в этой реакции заключается в том, что пи-мезон приобретает сразу суммарную энергию протона и нейтрона. Два нуклона, из которых состоит ядро дейтерия, ведут себя как одна частица.
Этот результат был не просто новым или неожиданным, он заставлял совершенно отказаться от тех воззрений, что сложились у физиков за долгие годы работы с нерелятивистскими дейтонами.
Ядро тяжелого изотопа водорода было «притчей во языцех» всякий раз, когда разговор шел о самой рыхлой, наименее всего связанной системе нуклонов. Но как только к концу 1970 года четко подтвердились масштабно инвариантные свойства не только электромагнитных, но и сильных взаимодействий, А. Балдин предложил с этих новых позиций взглянуть на поведение сверхбыстрого дейтона.
Ученый утверждал, что энергия частиц, рождающихся в соударениях дейтонов и более тяжелых ядер, разогнанных до таких скоростей, при которых действует недавно открытая закономерность микромира, зависит от свойств непосредственно взаимодействующих участков адронного вещества.
Какое же из возможных толкований внутренней структуры адронов, согласующееся с принципом масштабной инвариантности, подходило для описания явлений в релятивистской ядерной физике?
По партонной модели нуклон ведет себя как совокупность точечных частиц — партонов, каждая из которых совершенно независимо от других сталкивается с партонами мишени. И релятивистское ядро вполне можно было воображать наполненным партонным газом. Такая модель (модель Р. Фейнмана) в приложении к сложным нуклонным системам позволяла при расчетах опираться на принцип масштабной инвариантности.
Но вопрос о том, какую максимальную энергию передаст ядро рождающейся в реакции частице, оставался открытым. Что-то определенное на этот счет удалось бы узнать в том случае, если бы стало известно, с какой вероятностью большая часть внутренней энергии ядра сосредоточится у одного партона из числа тех, что взаимодействуют с мишенью. А вот этой-то величины из партонной модели элементарных частиц и нельзя было извлечь.
Гораздо плодотворнее оказалось применение развитого теоретиками Дубны подхода к адронному веществу как к однородной, сплошной среде.
Но во всех без исключения моделях атомных ядер никогда не учитывалась протяженность нуклонов в пространстве: их попросту считали точечными. И несмотря на то, что расстояния между протонами и нейтронами были сравнимы с размерами самих частиц, столь грубое упрощение не мешало успеху образных представлений о ядрах.
«Шила в мешке не утаишь», — говорит пословица. И релятивистским ядрам уже не утаить того, что они, по сути дела, состоят из сверхплотных сгущений нуклонов-кластеров, которые ведут себя подобно островкам сплошной адронной материи. Столкновение быстрого ядра с протоном выглядит как соударение с ним одного из таких островков, для которого, как и для элементарной частицы, должно выполняться соотношение масштабной инвариантности.
Из гипотезы А. Балдина следует, что пи-мезон, рожденный при взаимодействии протона с протонами ядер мишени, наследует энергию всех частиц той группы нуклонов, к которой принадлежал непосредственный участник этой реакции. Предсказание теории было четким. Экспериментаторы могли обнаружить вторичные частицы с энергией, намного превышающей ту, что им полагалось иметь в соответствии с обычными законами кинематики.
Превращение синхрофазотрона ОИЯИ в ускоритель релятивистских ядер давало возможность проверить идею о кумулировании энергии нескольких ядерных частиц на одной при взаимодействии быстрых дейтонов с протонами.
Многим физикам предположение о кумулятивном эффекте казалось неправдоподобным. Они считали, что дейтон из-за своей рыхлости не может действовать как монолитное зерно адронной материи. «Почему при столкновении, например, двух камней не рождаются элементарные частицы больших энергий?» — в такой форме выражалась крайняя степень недоверия к новой точке зрения.