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.
— Судя по всему, «посторонние» сильновзаимодействующие частицы не могут так же долго гостить в ядре, как, например, мю-мезоны. Значит ли это, что физики никогда не получат обстоятельного рассказа о ядре от адрона-очевидца?
— В общем, да. Но, к счастью, в микромире нет правил без исключений. Обнаружены такие ядра, где вместе с протонами и нейтронами отлично «уживается» нейтральный лямбда-гиперон — частица не без «странностей», но, что самое главное, способная к сильному взаимодействию с нуклонами.