Язык рассеяния

Как известно, сколько ни повторяй: шербет, шербет - во рту сладко не станет. Все эти разговоры о структуре и о протяженности частиц не стоили выеденного яйца, если бы эти свойства нельзя было "прощупать" экспериментально.

Иногда возникает такая ситуация, когда мы не можем или не имеем права открыть какую-нибудь коробку или шкатулку. При этом мы твердо знаем, что в ней что-то есть. Чтобы догадаться о характере содержимого, мы начинаем коробку покачивать и трясти, прислушиваясь к доносящимся до нас звукам.

Чтобы выяснить, нет ли в большой отливке пустот или трещин, ее просвечивают рентгеном или гамма-лучами.

Проблема, стоящая перед исследователями элементарных частиц, куда сложнее. Частица - это не коробка со стенками, а сложная система с распределенным зарядом и токами. Исследовать структуру элементарной частицы - это значит исследовать распределение всех ее зарядов, а также измерить ее электромагнитный радиус.

А можно ли провести такую деликатную и чрезвычайно тонкую операцию?

Вспомним, как было открыто атомное ядро. До опытов Резерфорда все представляли себе атомы по модели Томсона: в виде некой положительно заряженной сферы с "плавающими" в ней электронами. Затем с помощью альфа-частицы в атоме нащупали тяжелое ядро.

Экспериментаторы наблюдали, как ведут себя альфа- частицы- эти естественные атомные снаряды, - пролетая сквозь тонкие пленки веществ. Большинство их почти не изменяло направления своего движения. Но были и такие, что отклонились от первоначального направления на 90 и даже на 180 градусов. Однозначный вывод об их встрече с тяжелым крошечным телом был сделан незамедлительно.

Универсальным языком рассеяния можно было бы воспользоваться и в нашем случае. Хотя для этой цели такой грубый зонд, как альфа-частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов, не подходил. Не годился и отдельный быстрый нуклон: между ним и частицей- мишенью сразу же начиналось сильное ядерное взаимодействие, в результате которого появлялись новые нуклоны и мезоны. А в таких условиях разобраться не только в структуре частицы, а даже выяснить, исходная это частица или же вновь полученная, просто невозможно.

Пробовали "просветить" протоны частицами света - фотонами. Но и этот способ оказался для изучения деталей структуры элементарной частицы негодным. Чтобы приблизиться к протону на расстояние, меньшее 10^-13сантиметра, фотон должен был обладать очень большой энергией. А в этом случае столкновение с протоном опять заканчивалось возникновением резонансов и других частиц. Больше всего годилась для этой цели первая обнаруженная физиками элементарная частица, наш старый знакомый - электрон.

Электроны взаимодействуют с другими частицами только электромагнитным образом, так что сильное их взаимодействие с протонами мишени исключено. И кроме того, опыт с электронами можно поставить так, чтобы регистрировать только те из частиц, которые передают протону минимально возможную энергию. Другими словами, исключить случаи рождения новых частиц.

Итак, о том, что частицы-снаряды встречают на своем пути, они рассказывают на языке рассеяния.

Законы рассеяния точечного заряда на другом заряде давно известны из теории электромагнитных взаимодействий. Если предполагать, что электрон точечный, то его рассеяние на протоне покажет нам, по какому закону произойдет их общение друг с другом, имеет ли протон структуру, то есть обнаружится ли отклонение от теории рассеяния точечных зарядов.

Но такая сказка скоро сказывается, да не скоро дело делается. Можно, как говорят, на пальцах объяснить, как исследовать структуру элементарных частиц. Но прежде чем приступить к таким опытам, надо было сначала научиться получать электроны с такой энергией, чтобы они могли приблизиться почти вплотную к протонам. Вплотную - это значит ближе, чем на 10^-13 сантиметра.

"Надо сказать, - отметил однажды член-корреспондент АН СССР Д. Блохинцев, - что в изучении таких проблем, как структура нуклонов, двигаться вперед так же трудно, как в далекие области вселенной. Разница та, что в астрофизике приходится пользоваться сложными телескопами, а в атомной физике - сложными ускорителями".