Нуклон

В конце XIX в. произошли два ключевых открытия, которые кардинально изменили представления о строении материи и атома: обнаружение А. Беккерелем явления естественной радиоактивности в 1896 г. и открытие Дж. Дж. Томсоном электрона в 1897 г. В 1898 г. М. Склодовская-Кюри во Франции и другие учёные обнаружили излучение тория. Систематическое исследование руд, содержащих уран и торий, позволило М. Склодовской-Кюри и её мужу П. Кюри получить новый, неизвестный ранее химический элемент — полоний. Наконец, был открыт ещё один химический элемент — радий, создающий очень интенсивное излучение.

В 1909 г. сотрудники Э. Резерфорда Х. Гейгер и Э. Марсден экспериментально обнаружили отклонение α-частиц на большие углы при их прохождении через тонкую золотую фольгу. При этом одна из 8000 α-частиц рассеивалась назад, т. е. изменяла импульс на противоположный, как это происходит при соударении, например, мяча со стенкой. Господствующая тогда модель атома Томсона не могла адекватно описать парадоксальные результаты этих экспериментов. Для их объяснения в 1911 г. Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов^[2].

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи РУВИКИ)

Открытие явления радиоактивности позволило разработать метод экспериментального изучения состава атомного ядра с помощью бомбардировки его α-частицами. Используя этот метод, Резерфорд в 1919 г. открыл положительно заряженную частицу ядра — протон (от греч. protos — «первый, первичный»). В 1932 г. Дж. Чедвик экспериментально установил, что при облучении ядер атома бериллия α-частицами из них вылетают нейтральные частицы с массой, близкой к массе протона. Такие частицы были названы нейтронами (от лат. neutron — «ни тот, ни другой, или нейтральный»)^[3].

С разработкой планетарной модели атома связан переход от представления об элементарной частице как неделимом атоме с размерами порядка 10^–10 м к пониманию того, что атом — сложная структура, состоящая из электронов с размерами 10^–19 м и ядра размером 10^–14—10^–15 м. Однако в рамках этой модели не удаётся объяснить устойчивость атомов. В 1913 г. Н. Бор предложил качественно новую модель атома, в основу которой были положены планетарная модель атома и идея М. Планка о дискретности излучения и поглощения энергии нагретым телом.

Благодаря работам Н. Бора, П. Дирака, В. Гейзенберга, Э. Шрёдингера и других физиков-теоретиков, в 1920-х гг. сформировалась квантовая механика. В научный обиход вошли такие понятия, принципы и идеи как эквивалентность массы и энергии, корпускулярно-волновой дуализм, соотношения неопределённостей, принцип дополнительности, представление о наличии у каждой частицы дополнительных степеней свободы, в первую очередь спина.

С введением спина частицы были разделены на два класса — бозоны — частицы с целым значением спина (0, 1 и т. д.) и фермионы — частицы со спином, кратным 1/2, или с полуцелым спином (1/2, 3/2, 5/2, …). Различие спинов тождественных частиц привело к появлению двух статистик — статистики Бозе — Эйнштейна для бозонов и статистики Ферми — Дирака для фермионов.

В результате экспериментов выяснилось, что не все атомные ядра устойчивы. Большинство из них проявляют склонность к различным видам радиоактивных распадов. При этом могут излучаться электроны, позитроны, α-частицы, гамма-кванты (фотоны), нейтрино и антинейтрино. Измерения масс атомов с помощью масс-спектрографа Ф. Астона показали, что массы всех исследованных атомов с точностью ~10 % пропорциональны массе протона:

${\displaystyle M\thicksim Am_{p}}$,

где ${\displaystyle A}$ принимает только целочисленные значения.

Этот факт послужил основанием для создания протон-электронной модели атомного ядра. В этой модели предполагалось, что атомное ядро состоит из ${\displaystyle A}$ протонов и (${\displaystyle A-Z}$) электронов. В этой модели можно было объяснить обнаруженную Астоном пропорциональность массы атомного ядра числу ${\displaystyle A}$ и величину заряда атомного ядра. По мере накопления экспериментальных данных по массам атомных ядер, магнитным моментам и спинам атомных ядер, протон-электронная модель ядра начала сталкиваться с трудностями в объяснении экспериментальных данных.

Вскоре после открытия нейтрона в 1932 г. Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра^[4]. Согласно этой модели, ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная модель атомного ядра была впоследствии экспериментально подтверждена, в обычных условиях отклонения от этой модели, связанные с внутренней структурой нуклонов, невелики.

В 1964 г. независимо друг от друга М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой адроны построены из более фундаментальных (или первичных) электрически заряженных частиц — кварков^[5]. Гипотеза Гелл-Манна — Цвейга опиралась на естественные представления о том, что могут быть найдены ещё более элементарные (простые) компоненты, из которых, как из деталей конструктора, должны быть собраны все открытые микрочастицы. В своей теории (кварковой модели) Гелл-Манн и Цвейг использовали представления о симметрии, существенно расширив их применительно к микрофизике. Простейший пример использования представления о симметрии — это введение понятия о нуклоне как частице, двумя состояниями которой являются протон и нейтрон.

В кварковой модели протон состоит из трёх кварков ${\displaystyle uud}$, а нейтрон, соответственно, из кварков ${\displaystyle udd}$ (${\displaystyle u}$ и ${\displaystyle d}$ — два типа кварков). При этом необходимо принять, что кварки имеют дробный электрический заряд: +2/3${\displaystyle e}$ для u-кварка и –1/3${\displaystyle e}$ для d-кварка; и дробный барионный заряд, равный 1/3. Понятие бариона является более общим, чем понятие нуклона. В число барионов входят не только нуклоны, но и другие частицы, состоящие из трёх кварков.

В 1930-е гг. И. Е. Тамм и Д. Д. Иваненко предположили, что фундаментальные взаимодействия происходят в результате обмена частицами. Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов^[6]. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название

${\displaystyle \pi }$-мезонов (пионов).

В квантовой теории процессы взаимодействия между частицами можно наглядно интерпретировать с помощью диаграмм Фейнмана^[7]. Для этого исследуемому физическому процессу сопоставляется его графическая схема. Каждой участвующей в процессе частице соответствует линия. Обычно линии фермионов изображают тонкими прямыми линиями, линии бозонов — либо волнистыми линиями, либо штриховыми прямыми. Частицам, не являющимся по современным представлениям бесструктурными, на диаграммах сопоставляются либо толстые линии, либо пучки параллельных линий.

Диаграмма Фейнмана задаёт алгоритм вычисления волновой функции и вероятности процесса. Каждому элементу диаграммы соответствуют определённые множители или функции. Линии, один из концов которых свободен, соответствуют свободным частицам. В расчёте волновой функции процесса этим линиям отвечают волновые функции частиц. Квадрат модуля волновой функции процесса определяет вероятность процесса.

Приведём пример диаграмм Фейнмана, изображающих взаимодействие между нуклонами посредством заряженных и нейтральных ${\displaystyle \pi }$-мезонов. В вершине диаграммы ${\displaystyle A}$ протон испускает положительный ${\displaystyle \pi ^{+}}$-мезон и становится нейтроном (рис. а). В вершине диаграммы ${\displaystyle B}$ положительный ${\displaystyle \pi ^{+}}$-мезон поглощается нейтроном и становится протоном.

На рисунке б в вершине диаграммы ${\displaystyle A}$ нейтрон испускает отрицательный ${\displaystyle \pi ^{-}}$-мезон и становится протоном. В вершине диаграммы ${\displaystyle B}$ отрицательный ${\displaystyle \pi ^{-}}$-мезон поглощается протоном и становится нейтроном.

Нейтральный ${\displaystyle \pi ^{0}}$-мезон изображён на диаграмме Фейнмана, приведённой на рисунке в. В вершине диаграммы ${\displaystyle A}$ один из протонов испускает нейтральный ${\displaystyle \pi ^{0}}$-мезон и переходит в новое состояние, при котором изменяются его энергия и импульс. В вершине диаграммы ${\displaystyle B}$ нейтральный ${\displaystyle \pi ^{0}}$-мезон поглощается нейтроном, который переходит в новое состояние.

Ядро любого атома, кроме атома лёгкого водорода, состоит из двух типов частиц: ${\displaystyle Z}$ — протонов и ${\displaystyle N}$ — нейтронов, причём протоны имеют электрический заряд ${\displaystyle q=e>0}$, а нейтроны электрическим зарядом не обладают.

В физике атомного ядра, наряду с другими единицами, в качестве единицы массы используется атомная единица массы: 1 а. е. м. =1,66 ${\displaystyle \cdot }$ 10^–27 кг. Тогда масса протона ${\displaystyle m_{p}}$ = 1,67265 ${\displaystyle \cdot }$ 10^–27 кг, а масса нейтрона ${\displaystyle m_{n}}$ = 1,67495 ${\displaystyle \cdot }$ 10^–27 кг, т. е. ${\displaystyle m_{n}}$ > ${\displaystyle m_{p}}$^[8].

Общее число протонов и нейтронов в ядре ${\displaystyle A=Z+N}$, ${\displaystyle A}$ — массовое число. Массовое число ${\displaystyle A}$ в основном определяет массу ядра, а также массу атома в целом. Однако химические свойства атомов обсуловлены не числом нуклонов в ядре, а числом валентных электронов в электронной оболочке атома. Полное число электронов в нейтральном атоме всегда равно порядковому номеру в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, т. е. зарядовому числу ${\displaystyle Z}$. Следовательно, число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов в ядре.

Протоны и нейтроны в атомном ядре связаны ядерными силами, для которых характерна большая величина и малый радиус действия ~10^–13 см. Ядерные силы существенно превосходят силы электростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливают большую плотность вещества ядра ~10¹⁴ г/см³.

Известно, что сильное взаимодействие связывает кварки внутри нуклона, а ядерное взаимодействие, связывающее нейтроны и протоны, является следствием сильного взаимодействия^[9]. Ядерное взаимодействие изменяет свойства нуклонов. Например, свободный нейтрон, являясь нестабильной частицей, внутри ядра может стать стабильным. По отношению к сильному взаимодействию протон и нейтрон имеют одинаковые свойства. Это привело к открытию новой симметрии — изотопической инвариантности сильных взаимодействий. При этом была введена новая квантовая характеристика — изоспин^[10]. Протон и нейтрон образуют изотопический дублет и могут рассматриваться как два квантовых состояния одной частицы — нуклона с разными проекциями изоспина.

Для нуклонов:

• абсолютное значение изоспина ${\displaystyle I}$ одинаково и равно ${\displaystyle {\frac {1}{2}}}$;
• проекция изоспина ${\displaystyle I_{z}}$ различается — именно она определяет, какой это нуклон;
• нуклоны образуют изодублет (${\displaystyle I={\frac {1}{2}}}$ , число частиц в мультиплете: ${\displaystyle 2I+1=2}$):

протон:${\displaystyle I_{z}=+}$${\displaystyle {\frac {1}{2}}}$ , нейтрон: ${\displaystyle I_{z}=-}$${\displaystyle {\frac {1}{2}}}$ .

В ядерной физике иногда используют противоположное соглашение о знаках проекции изоспина для протона и нейтрона:

протон: ${\displaystyle I_{z}=-}$${\displaystyle {\frac {1}{2}}}$ , нейтрон: ${\displaystyle I_{z}=+}$${\displaystyle {\frac {1}{2}}}$ .

С помощью изотопической инвариантности сильных взаимодействий удалось предсказать массы и электрические заряды некоторых новых элементарных частиц.

Протоны и нейтроны образуют атомные ядра всех химических элементов. Число протонов в ядре определяет атомный номер элемента и, следовательно, его место в таблице Д. И. Менделеева. На рисунке показана ${\displaystyle N-Z}$-диаграмма атомных ядер^[11]. Чёрными точками показаны стабильные ядра. Область расположения стабильных ядер обычно называют долиной стабильности. С левой стороны от стабильных ядер находятся ядра, перегруженные протонами (протоноизбыточные ядра), справа — ядра, перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные ядра). Протоноизбыточные ядра являются радиоактивными и превращаются в стабильные в основном в результате β⁺-распадов, протон, входящий в состав ядра при этом превращается в нейтрон. Нейтроноизбыточные ядра также являются радиоактивными и превращаются в стабильные в результате β^--распадов, с превращением нейтрона ядра в протон.

Пунктирная линия очерчивает область возможного существования атомных ядер. Линия ${\displaystyle B_{p}=0}$ (${\displaystyle B_{p}}$ — энергия отделения протона) ограничивает область существования атомных ядер слева (proton drip-line), линия ${\displaystyle B_{n}=0}$ (${\displaystyle B_{n}}$ — энергия отделения нейтрона) — справа (neutron drip-line). Вне этих границ атомные ядра существовать не могут, так как они распадаются за характерное ядерное время (~10^–23 c) с испусканием одного или двух нуклонов.

Эксперименты по изучению нуклонов направлены на исследование структуры, свойств и взаимодействий нуклонов (протонов и нейтронов). В результате экспериментов было установлено, что при описании свойств атомных ядер необходимо учитывать кварковую структуру протонов и нейтронов. С появлением мощных ускорителей элементарных частиц было доказано, что протоны и нейтроны состоят из кварков двух типов ${\displaystyle u}$ и ${\displaystyle d}$.

Эксперименты по рассеянию электронов и фотонов на протонах используются для изучения возбуждённых состояний нуклонов (нуклонных резонансов)^[12]. Они возникают вследствие передачи нуклону внешней энергии, например при его столкновении с другой частицей (${\displaystyle \pi }$-мезоном, фотоном, другим нуклоном и т. д.). Основным методом изучения возбуждённых состояний нуклона являются эксперименты по рассеянию электронов и фотонов на протонах и дейтронах. Эти эксперименты проводятся в различных научных лабораториях (JLab, ELSA, ESRF, MAMI, SPring8) и включают в себя:

1) исследование спектра возбуждённых состояний нуклона в эксклюзивных реакциях фоторождения мезонов;

2) исследование структуры резонансов в реакциях эксклюзивного электророждения мезонов.

Эксперименты на детекторе CLAS (CEBAF Large Acceptance Spectrometer, Лаборатория Т. Джефферсона, США) позволили:

• получить данные для спиральных амплитуд перехода для большинства нуклонных резонансов с массами ниже 1,8 ГэВ;
• определить амплитуды электровозбуждения нуклонных резонансов для большинства возбуждённых состояний в этом кинематическом диапазоне;
• установить, что структура возбуждённых нуклонных состояний формируется совместным вкладом внутреннего кора из трёх одетых кварков и внешнего мезон-барионного облака (на основе анализа амплитуд электровозбуждения нуклонных резонансов в широкой области виртуальностей фотонов Q² < 5,0 ГэВ²); эти данные являются единственным источником информации о механизмах сильного взаимодействия, формирующих нуклонные резонансы с различными квантовыми числами и различной структурой;
• наблюдать новый узкий нуклонный резонанс N*(1685), что стало важным шагом в исследовании структуры нуклона и др.

Обширная информация об особенностях протекания реакций фото- и электророждения мезонов позволит более детально изучить спектр и структуру нуклонных резонансов, что расширит представления о строении адронов и механизмах фундаментальных процессов. В частности, исследования структуры нуклона и его возбуждённых состояний дадут ответы на ряд ключевых вопросов Стандартной модели: о механизмах формирования доминирующей части массы адронов и природе кварк-глюонного конфайнмента^[13].

В экспериментах исследуются взаимодействия нуклонов с другими нуклонами, а также с ядрами. При этом проводится анализ амплитуд рассеяния, сечений упругого и неупругого взаимодействия, поляризационных характеристик. В качестве примера таких исследований можно привести эксперименты по упругому рассеянию нейтронов высоких энергий протонами. Изучение нуклон-нуклонных взаимодействий в Дубне активно проводилось в 1950-х — 1970-х гг. сотрудниками Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ).

Некоторые ключевые периоды и направления исследований:

• 1950-е гг.: на синхроциклотроне в Дубне проводились эксперименты по изучению упругого и неупругого рассеяния нуклонов, в том числе с рождением пионов. В 1952 г. Ю. М. Казаринов доложил на семинаре Гидротехнической лаборатории АН СССР результаты эксперимента по измерению дифференциальных сечений упругого рассеяния нейтронов протонами при энергиях 380 и 590 МэВ. За эти работы в 1953 г. он был удостоен Сталинской премии^[14];
• 1960-е гг.: в Дубне были получены новые данные для полных сечений неупругих и упругих процессов в протон-протонных и протон-ядерных столкновениях при энергиях 9 и 7 ГэВ соответственно;
• 1970-е гг.: в результате широкой программы опытов, выполненных в ЛЯП, удалось провести детальный феноменологический анализ нуклон-нуклонных взаимодействий, определить амплитуду протон-протонного рассеяния и восстановить важнейшие характеристики взаимодействия нейтронов с протонами в изученной области энергий.

Кроме того, в ЛЯП под руководством Б. С. Неганова были выполнены эксперименты по тройному рассеянию протонов на нейтронах, а затем после создания в этой лаборатории первой поляризованной протонной мишени, — эксперименты по рассеянию протонов и нейтронов на поляризованных протонах.

Изучение нуклон-нуклонных взаимодействий проводится на Большом адронном коллайдере (LHC)^[15]. LHC позволяет сталкивать протоны, а также тяжёлые ядра (например, свинца), что позволяет исследовать, в частности:

• нуклон-нуклонные и трёхнуклонные взаимодействия;
• спиновую структуру нуклонов (эксперименты по поляризованному глубоконеупругому рассеянию и высокоэнергетическим поляризованным протон-протонным столкновениям; они дают информацию о спин-зависимых структурных функциях нуклонов.

Экспериментальные исследования нуклонов включают в себя использование передовых технологий и методов в области физики высоких энергий, а также расширение диапазонов энергий для изучения различных аспектов их свойств и структуры.

В 2019 г. международный коллектив учёных (коллаборация CLAS), в который входят российские физики из НИИЯФ МГУ и ИТЭФ, провёл в JLAB эксперимент MARATHON по изучению структуры атомного ядра^[16].

MARATHON — это аббревиатура от Measurement of the ${\displaystyle F_{2^{n}}/F_{2^{p}}}$, ${\displaystyle d/u}$ Ratios and ${\displaystyle A}$ = 3 EMC Effect in Deep Inelastic Scattering off Tritium and Helium-3 Mirror Nuclei. На русский язык это переводится как «измерение соотношений функций структуры ${\displaystyle F_{2^{n}}/F_{2^{p}}}$, кварков ${\displaystyle d/u}$ и EMC-эффекта для ядер с массовым числом ${\displaystyle A}$ = 3 при глубоком неупругом рассеянии на зеркальных ядрах трития и гелия-3».

В экспериментах, выполненных в JLAB, мишени из трития, гелия-3 и дейтерия обстреливались пучком электронов с энергией 11 ГэВ. При таком столкновении нуклоны в ядрах разрушаются, а энергия электрона передаётся отдельным кваркам. По тому, как рассеивается пучок электронов, можно узнать о процессах, происходящих внутри протонов и нейтронов. При низких энергиях электронов они взаимодействуют с ядрами упруго, и исследователи «видят» ядро, состоящим из отдельных нуклонов. При больших энергиях электроны проникают внутрь нуклонов и становятся «видны» кварки.

Различие в поведении нуклонов в ядре и свободном состоянии учёные связывают с изменениями в их внутренней структуре из-за взаимодействия. Понимание того, как кварк-глюонная структура нуклона, связанного в атомном ядре, модифицируется окружающими нуклонами, является важной проблемой ядерной физики. Доказательство существования такой модификации, известной как ЕМС-эффект (назван по названию открывшей его Европейской мюонной коллаборации, ЦЕРН), впервые было получено более 35 лет назад, но до сих пор нет общепринятого объяснения его причины.

Физиками-теоретиками предложены две основные модели, описывающие ЕМС-эффект.

1. Первая модель состоит в том, что структура всех протонов и нейтронов в ядре модифицируются одинаково.
2. Согласно второй модели, которую подтверждают результаты эксперименты MARATHON, большая часть протонов и нейтронов ведёт себя так, как будто они свободны, в то время как остальные — участвуют в короткодействующих корреляциях и сильно модифицируются. При этом вероятность образования пар протон—протон и нейтрон—нейтрон значительно ниже, чем протон—нейтрон.

Исследователи считают, что примерно 20 % нуклонов находятся в коррелированных парах, оказывающих существенное влияние на появление ЕМС-эффекта. При этом, когда структуры протонов и нейтронов внутри ядра перекрываются и происходит их корреляция, кварки начинают двигаться медленнее, чем в свободном протоне или нейтроне.

Результаты эксперимента MARATHON^[17]:

• получены данные о структуре трития и гелия-3 — так называемых «зеркальных ядер», где число протонов в одном ядре равно числу нейтронов в другом;
• измерено отношение функций структуры нейтрона и протона, описывающее распределение импульса среди кварков внутри нуклонов;
• изучен EMC-эффект для трития — явления, при котором внутренняя структура нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре изменяется по сравнению со свободными нуклонами.

Полученные данные позволят усовершенствовать модели квантовой хромодинамики (КХД) и более детально изучить взаимодействие между нуклонами в лёгких ядрах.