— Ядро оказалось очень сложной штукой, и, видимо, физики, изучая элементарные частицы, стремятся к упрощению?

— Поначалу так и казалось. Но постепенно в поведении элементарных частиц раскрылись такие бездонные глубины неведомого и необычного, что физики-элементарщики вновь обратились к ядерной физике.

— Это непонятно. По-моему, ядро так же непохоже на отдельную частицу, как сложное многоклеточное существо на амебу?

— Однако это же самое ядро, ускоренное до большой энергии, способно имитировать элементарную частицу.

В октябре 1970 года на ученом совете Объединенного института ядерных исследований в Дубне член-корреспондент АН СССР А. Балдин рассказал о первых экспериментальных результатах, полученных в новой области науки — релятивистской ядерной физике, родившейся в Лаборатории высоких энергий.

Синхрофазотрон этой лаборатории, созданный еще под непосредственным руководством академика В. Векслера, давно находился на положении экс-чемпиона по энергии ускоряемых протонов. Некоторые его конструктивные особенности привлекали исследователей, и они решили омолодить синхрофазотрон-ветеран.

Инженеры и ученые социалистических стран претворили в жизнь остроумную идею, предложенную группой специалистов, и превратили морально устаревшую гигантскую установку в первый в мире ускоритель для получения релятивистских атомных ядер, то есть ядер, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Энергия, которую приобретает в этом ускорителе атомное ядро, во столько раз больше, чем у протона, во сколько раз его электрический заряд больше заряда протона. Так, ядро кальция в принципе можно разогнать до 200 миллиардов электрон-вольт.

Новое научное направление, идейная, а затем и экспериментальная основа которого была впервые создана в ОИЯИ, помогло замкнуть в единую систему такие отдельные области исследования микромира, как ядерная физика и физика элементарных частиц.

Раньше мы говорили только о прикладных, если так можно сказать, связях физики ядра и физики частиц высоких энергий. В основном они сводились к использованию элементарных частиц в тех экспериментах, где надо было выявить структуру и свойства ядерного вещества.

Но в последние годы физики-элементарщики подметили глубокую аналогию между ядерными реакциями при больших энергиях и теми реакциями, в которых участвуют элементарные частицы, и решили обратиться за помощью к релятивистской ядерной физике в решении самой сложной и наиболее важной из стоящих перед ними проблем — создании теории сильных взаимодействий.

Даже при поверхностном знакомстве с результатами исследований элементарных частиц бросается в глаза одно парадоксальное обстоятельство: большинство реакций, вызываемых ускоренными частицами, сопровождается сильными взаимодействиями между ее участниками, а теория этого взаимодействия до сих пор остается наименее разработанной.

Со времени Э. Резерфорда, впервые наблюдавшего, как ведут себя на близком расстоянии альфа-частица и атомное ядро, физики только тем и занимаются, что сталкивают ядерные частицы, получая сведения, необходимые для построения теории. Они считают, что раскроют все тайны и решат все загадки сильного взаимодействия в том случае, если заставят, например, протоны подойти как можно ближе друг к другу. Экспериментаторы добиваются этого, сообщая протонам с помощью ускорителей все большую энергию.

Но мир элементарных частиц, который не может существовать вне своей питательной среды — огромной энергии, — очень чутко реагирует на ее изменение. Предсказания о поведении частиц в новом энергетическом диапазоне, основанные на наблюдениях за ними при меньших энергиях, сбываются очень редко.

Перед протонами, имеющими скорость, близкую к скорости света, открываются, как правило, совсем другие возможности, чем перед протонами, обладающими небольшой скоростью. А это означает, что экспериментаторы всякий раз имеют дело как бы с совершенно незнакомым объектом, который предстоит изучить заново. Желанная цель — открытие законов, управляющих сильными взаимодействиями, — отступает все дальше по мере продвижения к ней, как отступает горизонт перед усталым путником. И сегодня описание простейшего, казалось бы, события — встречи протона большой энергии с другим протоном — одна из наиболее острых проблем физики высоких энергий.

Что же превратило реакцию столкновения двух ядерных частиц в обильный источник труднейших вопросов?

Мощные ускорители разгоняют протоны столь сильно, что соответствующая им по квантовой механике длина волны становится на три порядка меньше размера самой частицы. Это, в свою очередь, делает ядерную реакцию далеко не безразличной к внутреннему устройству протонов: во взаимодействии двух частиц, по сути дела, проявляется взаимодействие между собой их составных частей.

Какими же видят друг друга сближающиеся протоны огромных энергий?

В том-то и дело, что физики не знают, какую структуру имеют адроны (мы уже говорили, что адроны — это общее название всех сильновзаимодействующих частиц), а поэтому и не могут себе представить, как произойдет столкновение всего двух элементарных частиц.

Экспериментаторы добросовестно делают свое дело — скрупулезно, по крупинкам, собирают разрозненные и отрывочные сведения о поведении адронов. Теоретики на этой основе создают схемы строения адронов и моделируют реакции элементарных частиц при больших энергиях. Круг познания — наблюдение, осмысливание, предсказание, проверка, — замыкаясь, выявляет истину. На сегодня она состоит в том, что, подобно ядру, которое то проявляет себя как капля ядерного вещества, то похоже на группу собравшихся зачем-то вместе независимых нуклонов, адроны тоже подчас демонстрируют совершенно противоположные свойства.

Группа дубненских физиков под руководством доктора физико-математических наук В. Никитина сначала на Серпуховском ускорителе, а затем совместно с американскими учеными на ускорителе в Батавии (США) исследовала одну и ту же реакцию — упругое рассеяние протонов больших энергий на протонах. То есть такое взаимодействие между частицами, когда налетающий протон расходует всю свою энергию только на изменение скорости протона-мишени; как это происходит, например, при ударе одного бильярдного шара о другой.

Цель этих опытов — измерение радиуса протона при разных энергиях столкновения. Мишень — газовая водородная струя — облучалась протонами с энергией от 10 до 400 миллиардов электрон-вольт. Результаты оказались несколько неожиданными: размер протона увеличивался с увеличением скорости сталкивающихся частиц.

И с этим представлением о протоне как о чем-то монолитном, занимающем большую или меньшую, но вполне измеримую область пространства, приходится увязывать совсем иной образ этой частицы. Образ, который возникает при исследовании другого варианта этой же реакции — неупругого рассеяния очень быстрых протонов на протонах. В этом последнем случае аппаратура регистрировала протоны, отклонившиеся на большие углы и потерявшие значительную часть своей энергии. Эта энергия передавалась протону-мишени и шла не на изменение его скорости, а на изменение его внутренней структуры, на рождение новых частиц.

Легко вообразить, каково было изумление ученых, когда обнаружилось, что характер изменения числа отклоненных частиц в зависимости от величины угла точно такой, какой был найден Э. Резерфордом для альфа-частиц, рассеянных тонкими пленками вещества.

Э. Резерфорд, обнаружив альфа-частицы, которые отклонялись на угол до 180 градусов от первоначального направления, сразу высказал гипотезу об атомном ядре. То есть о том, что в атоме есть нечто, сравнимое по массе с альфа-частицей и способное резко изменить направление ее движения.

Аналогичный вывод, теперь уже по отношению к элементарным частицам, вынуждены были сделать и современные ученые. Ускоренные электроны и протоны, сталкиваясь с протонами-мишенями, передавали свою энергию каким-то внутрипротонным структурным единицам.

Словом, отчего ушли, к тому и пришли. Всего семь лет назад атомные ядра и нуклоны казались телами разного порядка сложности. А теперь, в новых энергетических условиях, бывшие элементарные частицы сами стали походить на ядра, заполненные нуклонами.

Теоретики давно предлагали так называемые составные модели фундаментальных элементарных частиц. Наиболее интересной из них оказалась кварковая модель. Адроны в этой модели выглядели состоящими из определенного числа гипотетических частиц — кварков — с дробным электрическим зарядом.

Атомные ядра, состоящие из нуклонов, могут служить вполне реальной моделью элементарной частицы, состоящей из кварков, а столкновения релятивистских ядер — имитировать столкновения протонов больших энергий.

Экспериментаторы нашли неоспоримые доказательства тому, что нуклон — это протяженный составной объект. Но чтобы создать теорию, правильно описывающую поведение адронов при высоких энергиях, когда их скорости близки к скорости света, надо было детально разобраться в том, как они устроены.

Релятивистская ядерная физика — научное направление, которое возникло в ОИЯИ, — дает новый подход к этой проблеме, подводит материальную базу под уже существующий обмен идеями между физикой ядра и физикой элементарных частиц.

Ускорение ядер до скоростей, близких к скорости света, — задача чрезвычайно сложная. И легко представить, с каким интересом ведущие ученые социалистических стран рассматривали демонстрировавшиеся на XXIX сессии ученого совета ОИЯИ во много раз увеличенные первые снимки следов релятивистских ядер.

Эти уникальные фотографии ученые назвали «автографами» дейтона — первого составного ядра, ускоренного на синхрофазотроне.

Сейчас физики Дубны наблюдают не только за поведением в веществе простейшей связанной системы из протона и нейтрона с энергией в 11 миллиардов электрон-вольт, но и за ядрами химического элемента гелия и углерода, ядра которого ускоряются до 60 миллиардов электрон-вольт. Исследования в области релятивистской ядерной физики, начатые в лаборатории высоких энергий в 1970 году, подхвачены и интенсивно развиваются американскими физиками.

— Обычно все с удовольствием смотрят на выступления имитаторов, но каждый понимает, что даже самый талантливый артист не может заменить оригинал. Наверняка и релятивистские ядра передают только внешнее или скорее внутреннее сходство с частицами, а действуют по своим ядерным законам.

— Не стоит говорить об этом столь категорично. Известно, например, что взаимодействия релятивистских ядер подчиняются новой закономерности мира элементарных частиц — масштабной инвариантности.

Главный узел из самых животрепещущих проблем физики высоких энергий завязался сейчас в теоретическом моделировании тех процессов, в которых при столкновении двух нуклонов рождается большое количество новых частиц.

Реакции множественного рождения, как величают их физики, — наиболее интересный результат общения между нуклонами с самыми большими энергиями. Изучению этих сложнейших процессов микромира и посвящают большую часть своего времени экспериментаторы, работающие на самых крупных ускорителях. Они еще и еще раз убедились в том, что и эти реакции происходят по строгим законам сохранения зарядов, энергии, импульса и что фундамент физики по-прежнему непоколебим.

Но ученых не устраивает роль наблюдателей тех чудес, что преподносит иногда природа, когда они вводят в строй очередной сверхмощный ускоритель. Физики сами хотят предсказывать эти чудеса. А вот орудия предсказания — теории — они не имеют.

Получается противоречие. С одной стороны, теории не создать до тех пор, пока не будет решен вопрос о внутренней структуре адронов и не будут выявлены особые закономерности процессов множественного рождения частиц, а с другой — невозможно, не имея теории, разобраться в закономерностях взаимодействия двух нуклонов больших энергий.

Так или иначе, но проблема множественного образования адронов в процессах сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий занимает сегодня центральное место в физике высоких энергий.

Несмотря на то, что интенсивное теоретическое и экспериментальное изучение этого вопроса началось сравнительно недавно, развитие этой перспективнейшей области физики уже вызвало к жизни новые фундаментальные понятия, оригинальные подходы, смелые гипотезы.

Тринадцать лет назад академик М. Марков обратил внимание на то, что при глубоко неупругом рассеянии электронов и нейтрино на протонах, то есть в электромагнитных и слабых взаимодействиях при больших энергиях, протон должен вести себя как точечный объект.

Через 6 лет американский теоретик Дж. Бьёркен высказал предположение, что вероятность глубоко неупругого рассеяния электронов должна обладать свойством масштабной инвариантности, то есть зависеть не от размера протона и массы сталкивающихся частиц, а только от соотношения их импульсов.

Эксперименты, поставленные на Стенфордском электронном ускорителе в 1969 году, подтвердили это предположение. Неожиданная особенность взаимодействия частиц больших энергий и навела Р. Фейнмана на мысль о точечной структуре нуклонов. В предложенной им модели адроны содержат бесконечное множество элементов с исчезающе малыми размерами, которые получили название партонов.

Гипотеза о партонах бурно обсуждается в настоящее время. Правда, как заметил А. Балдин, вместо формул пока обычно рисуют картины, напоминающие абстрактную живопись. И зачастую автор очередной картинки, пожалуй, сам не вполне понимает, что он рисует, а слушатели делают вид, что понимают. В этом нет ничего странного. На переднем фронте науки о микромире, где знание борется с абсолютным незнанием, истина выкристаллизовывается далеко не сразу.

Сейчас твердо можно сказать, что нуклоны состоят из каких-то более элементарных сущностей. Вся проблема в том, как описать эту реально существующую сложную структуру адронов. Не исключено, что это удастся сделать на основе кварковой модели. Но существует и другой подход к этой проблеме.

Группа сотрудников Лаборатории теоретической физики ОИЯИ под руководством профессора А. Тавхелидзе, опираясь на представление о нуклоне как о куске особой адронной материи, сумела доказать, что масштабная инвариантность, обнаруженная первоначально в электромагнитном взаимодействии электрона с протоном, должна также проявиться в глубоко неупругих процессах, при сильных и слабых взаимодействиях между частицами.

Масштабная инвариантность обусловлена внутренней структурой элементарных частиц и является важнейшим проявлением свойств адронной материи.

«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.

Но этот вопрос не был криминальным для гипотезы кумулятивного эффекта. Никак нельзя было ожидать, что все нуклоны ядер сталкивающихся камней большую часть энергии передадут одной рождающейся частице. Сила удара между любыми макроскопическими телами (камнями) слишком мала, и ядра этих объектов даже не соприкасаются; дело ограничивается соударением между электронными оболочками атомов.

В 1971 году группа физиков-экспериментаторов Лаборатории высоких энергий ОИЯИ под руководством доктора физико-математических наук В. Ставинского обнаружила кумулятивный эффект в реакции с ускоренными ядрами тяжелого изотопа водорода — дейтерия. Пионерские результаты, полученные дубненскими учеными, подтвердили применимость масштабной инвариантности к составным нуклонным системам и правильность теоретических представлений о ядре как о группе микроостровков сплошной адронной материи.

Пи-мезоны, возникающие при взаимодействии релятивистских дейтонов с протонами, получали до 98 процентов всей энергии ускоренных ядер. Но ядра дейтерия — простейшие образования. И физикам необходимо было выяснить, как поведут себя более сложные ядерные системы. А где было взять релятивистские тяжелые ядра, если ускоритель выдавал только дейтоны? Безвыходное положение?

Ничего подобного. Ученые недолго предавались унынию. Совершенно строго, с точки зрения законов механики, и остроумно с самой общей точки зрения, они рассудили, что, если нет возможности бросать релятивистские ядра на протоны, то надо бросать протоны большой энергии на покоящиеся тяжелые ядра мишени. И если регистрировать пи-мезоны, вылетающие под углом 180 градусов к пучку ускоренных протонов, то есть в направлении «назад», то реакция представляется обратной; быстрое ядро налетает на протон; и если кумулятивный эффект существует, то его можно обнаружить, измеряя энергию пи-мезонов.

Именно такой эксперимент и был сделан. Электронная аппаратура зафиксировала, что из ядер углерода, алюминия, меди и свинца вылетали пи-мезоны с энергией до 700 миллионов электрон-вольт. А максимальная энергия, которую пи-мезоны приобретали при обычном столкновении двух протонов, так сказать, один на один, не должна была превышать 244 миллионов электрон-вольт.

Точно такой же результат ученые получили в реакции рождения пи-мезонов с положительным электрическим зарядом и для тяжелых К-мезонов.

Островки адронного вещества в ядрах проявлялись с той вероятностью, которая была предсказана теорией. Судя по энергии вторичных частиц, в столкновении подчас одновременно участвовало до четырех ядерных нуклонов.

Отмечая значительный вклад, который внесли в работу VI Международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра ученые Советского Союза и стран народной демократии, известный американский физик профессор Г. Андерсен сказал: «Многие научные новости на конференции носят восточный акцент».

К этим новостям, несомненно, относились дубненские результаты, полученные в области релятивистской ядерной физики: направления, связанного с принципиально новыми аспектами взаимодействия в ядерном веществе. Наиболее интересные обсуждения завязались как раз вокруг кумулятивного эффекта.

Еще не так давно некоторые недальновидные специалисты говорили, что эра волнующих событий в ядерной физике кончилась и осталась лишь прозаическая задача выяснения деталей. Но атомные ядра продолжают преподносить все новые и новые сюрпризы. Один из таких сюрпризов — кумулятивный эффект; он еще ждет своего более глубокого осмысливания. Особое значение эта проблема приобретает в связи с идеей о кварковой структуре ядерного вещества.

Дейтон — слабо связанная система из двух частиц — при релятивистской скорости превращался в компактное плотное ядро. И только в том случае, когда его два нуклона в ядерной реакции действовали заодно, вылетающие пи-мезоны и получали максимальную энергию. Но каждый нуклон по кварковой модели состоит из трех кварков. Если дейтону с большой энергией удается так сильно «сплотить» свои частицы, то, возможно, в каких-то других реакциях при высоких энергиях он (дейтон) проявит свою кварковую структуру и будет вести себя уже не как двухнуклонный, а как шестикварковый объект.

Дубненские физики готовят сейчас опыты по рассеянию релятивистских дейтонов и ядер гелия для проверки этого предположения. С той же целью американские ученые изучали рассеяние электронов самых больших энергий на ядрах дейтерия. Из результатов эксперимента следует, что в этой реакции дейтон действительно выглядит как шестикварковая частица.

— Создается впечатление, что по мере усиления натиска на атомное ядро оно, подобно хамелеону в момент опасности, меняет свой «облик». Но когда «опасность» минует, ядро опять становится самим собой или нет?

— Смотря, что вы имеете в виду, говоря «меняет свой облик»! В результате реакции ядро может потерять один или несколько нуклонов, разлететься на несколько частей; наконец, перейти в возбужденное состояние. Однако во всех этих случаях главное качество ядерного вещества — его плотность — не меняется.

— Неужели она не поддается никаким внешним воздействиям?

— Категорически утверждать этого нельзя. Как графит при большом давлении превращается в алмаз, так и ядерное вещество, может быть, удастся спрессовать и перевести в сверхплотное устойчивое состояние.

Советский теоретик А. Мигдал предложил одну из самых интригующих современных гипотез о строении ядра, в которой он замахивается как раз на то единственное свойство ядерной материи, которому до сих пор удавалось оставаться неизменным.

При анализе процесса рождения и конденсации электрон-позитронных пар вблизи гипотетических ядер с большим электрическим зарядом у него возникла интересная идея: нельзя ли найти в природе такой источник мезонного поля, в присутствии которого происходило бы интенсивное рождение пи-мезонов? Естественно, что необходимое поле могло возникать только где-то среди большого коллектива связанных нуклонов.

Обдумывание этой задачи привело А. Мигдала к важному выводу: рождение и конденсация пи-мезонов, то есть возникновение так называемого «пи-мезонного конденсата», могло происходить лишь в системе протонов и нейтронов, механические моменты которых ориентированы определенным образом.

К сожалению, современная теория ядерного вещества не позволяет достаточно точно предсказать, при какой именно плотности нуклонов начнут «выделяться» избыточные пи-мезоны. Можно только сказать, что она не должна сильно отличаться от плотности обычных ядер. Если критическая плотность окажется немного меньше ядерной, то конденсат есть свойство обычных ядер и пи-мезонный конденсат связан со слоистой ядерной структурой. Но если появление конденсата присуще только более плотным ядерным системам нуклонов, то ясно, что обычные ядра — неподходящая арена для проявления предсказываемого свойства ядерного вещества. В этом случае, настаивает теория А. Мигдала, ядра могут существовать в особых, сверхплотных состояниях.

Получается так, что двум не очень сильно отличающимся значениям критической плотности соответствуют совершенно разные состояния ядерного вещества.

Ядерные частицы, как мы уже знаем, благодаря постоянному движению на мгновения создают в ядре участки более разреженные или более плотные. Но средняя плотность ядерного вещества остается постоянной. Что же надо сделать с ядром, чтобы проверить, может ли оно стать сверхплотным?

Вполне реальную возможность для проверки сжимаемости ядерного вещества подсказала физика элементарных частиц и, в частности, результат исследований реакции множественного рождения. Одновременно возникающие в одной точке пространства нуклоны, гипероны и мезоны узким, слабо расходящимся потоком устремляются вперед, по направлению создавшей их частицы. Эта особенность ядерной катастрофы, как объясняют теоретики, связана с мгновенным зарождением в адронном веществе быстро передвигающегося сгустка — файербола (огненного шара), который на выходе из ядра распадается на множество отдельных частиц. Файербол вызывает ударную волну, на фронте которой и образуются сгущения ядерной материи.

Один быстрый протон с помощью ударной волны заставляет все нуклоны ядра совершать коллективные движения, обладающие очень большой энергией. А «девятый вал», который возникает при столкновении двух релятивистских ядер, может так повысить плотность нуклонов, что ядро перейдет в новое квантовое состояние — сверхплотное.

Будет ли ядро в этом новом состоянии устойчивым или, наоборот, неустойчивым — неизвестно. В обычных ядрах постоянная плотность поддерживается равновесием между силами притяжения и сменяющими их на малых расстояниях между нуклонами столь же мощными силами отталкивания. Но, может быть, при еще большем сближении ядерных частиц они опять начнут притягиваться друг к другу? Тогда естественно предположить, что на этих сверхблизких расстояниях ядерное вещество «схлопывается» в более компактную, более крепко связанную систему нуклонов.

Образование стабильного ядра с повышенной плотностью должно сопровождаться выделением энергии, в десятки раз большей, чем, например, в реакции деления ядра урана. Поэтому открытие сверхплотного состояния ядерного вещества и возможности искусственного получения сверхплотных стабильных ядер произвели бы настоящий переворот в ядерной энергетике.

Первая статья А. Мигдала с подробным изложением основ новой гипотезы о структуре ядра была опубликована в 1971 году, но осталась как-то не замеченной экспериментаторами. Требовался некоторый срок для преодоления «здорового консерватизма» физиков.

На Международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра в Санта-Фе доклад о последних результатах, полученных группой сотрудников Института теоретической физики АН СССР под руководством А. Мигдала, был прослушан с большим интересом. Внимание к этой оригинальной и достаточно глубоко разработанной идее о сверхплотных ядрах в последнее время подогревается быстрым развитием релятивистской ядерной физики. Появилась надежда, что с помощью ускоренных сложных ядер удастся получить сверхсжатое ядерное вещество.

Недавно в Беркли (США) были проведены первые эксперименты по обнаружению ударных волн во взаимодействиях релятивистских ядер. Однако американским физикам не удалось сделать определенного вывода. Более удачной, по-видимому, оказалась попытка ученых из ФРГ. Исследуя параметры треков вторичных частиц в фотоэмульсиях, которые подвергались облучению потоком релятивистских ядер гелия на синхрофазотроне Дубны, немецкие физики пришли к более определенному заключению: соударение релятивистских ядер рождает ударную волну, которая со скоростью, всего в три раза меньшей скорости света, прокатывается по ядерному веществу.

Физики-экспериментаторы из Калифорнийского технологического института воспользовались тем обстоятельством, что на ускорителе Бевалаке можно было получить ядра аргона с релятивистскими скоростями, и попробовали с их помощью создать сверхплотные ядра. Идея эксперимента заключалась в следующем. Налетающее ядро аргона могло, грубо говоря, проделать отверстие в тяжелом ядре мишени, состоящей из химического элемента свинца. Выбитая колонка (цилиндрик) из спрессованных нуклонов, объединившись с ядром аргона, могла образовать сверхплотное ядро с зарядом, бóльшим, чем у ядра аргона.

Американские ученые не обнаружили в этой реакции вторичных быстрых ядер с большим зарядом. Однако отрицательный результат никого не обескуражил — ни теоретиков, ни самих экспериментаторов. Он мог быть связан просто с недостаточно большой энергией ядер аргона либо с необходимостью использовать более тяжелые релятивистские ядра. Возможно, сверхплотные ядра удастся получить только на специальных релятивистских ускорителях атомных ядер, которых еще нет ни в одной лаборатории мира, но которые уже получили свое название — «нуклотрон».

— А не заглянуть ли ядерщикам в космос, подобно физикам-элементарщикам? Вдруг они найдут сверхплотные ядра на Солнце или в какой-нибудь галактике?

— Да, ученые размышляют о том, где можно найти сверхплотные ядра. Но пока межгалактические трассы еще не открыты; релятивистская ядерная физика помогает человеку осваивать ближайшее к Земле космическое пространство.

Ученые еще мало знают, какой конкретно была далекая юность вселенной, да и то, что о ней известно, в основном результат математических расчетов, экстраполяций назад во времени, в прошлое. Тем легче к этому не совсем ясному прошлому относить появление всего того, чему пока нет четких объяснений.

Этому периоду приписывалось рождение античастиц, таинственных кварков, монополей Дирака. И совершенно естественно было предположить, что если в природе существуют сверхплотные ядра, то они, конечно же, возникали в этой начальной стадии развития вселенной, когда ее вещество было еще сверхгорячим и сверхплотным.

Английский теоретик А. Бодмер называет очень плотные ядра коллапсированными. Коллапсированные ядра — это ядра, в которых частицам удалось преодолеть силы отталкивания и «схлопнуться» в комок размером, приблизительно равным радиусу действия ядерных сил.

Дальнейшая судьба сверхплотных ядер древнейшего происхождения могла быть различной. По гипотезе английского физика, они конденсировались на себе подобных и образовали очень компактные массивные черные дыры или рассеивались в межзвездном пространстве. И наконец, они могли находиться в сообществе с обычной материей. В этом случае при образовании планет и звезд они, как более плотные частицы вещества, попадали в центральную часть массивных тел.

А. Бодмер предполагает, что, если сердцевины звезд и планет содержат значительное количество сверхплотных ядер, то реакция захвата ими обычных ядер может быть дополнительным источником тепла космических объектов.

Оригинальная возможность отопления за счет «съедания» собственных ядер! Не исключено, что генерация гигантской энергии в квазарах и центрах галактик не обходится без эффекта коллапсирования атомных ядер!

Сверхплотные ядра могли сохраниться и в остатках протозвездной материи, которая, как предполагает академик В. Амбарцумян, и сейчас существует в глубинах космоса.

Исследования реакций столкновения частиц с тяжелыми релятивистскими ядрами или самих ядер, возможно, покажут, насколько обоснованы предлагаемые теоретиками гипотезы о коллапсе атомных ядер.

В лобовых столкновениях ядер урана с энергией до 2,5 тысячи миллиардов электрон-вольт ударная волна, по расчетам, сожмет ядерное вещество до плотности, в 100 раз больше нормальной. В таком сгустке сильно нагретого ядерного вещества образуются десятки мезонов, много гиперонов — возникает нечто похожее на протозвездную материю.

Если эта воображаемая ядерная реакция когда-нибудь осуществится в лаборатории, то физика дозвездного состояния вселенной превратится в экспериментальную науку.

Сейчас невозможно говорить о том, когда экспериментаторы будут в состоянии проверить космологический аспект проблемы, связанной с таким необычным состоянием вещества, как сверхплотное. Но уже сегодня релятивистская ядерная физика помогает решению некоторых вопросов, возникающих при исследовании галактического космического излучения.

Поиски сверхтяжелых ядер в космических лучах до сих пор не увенчались успехом. И физики пока не дали удовлетворительного объяснения этому явлению.

Взрывающиеся сверхновые как будто время от времени снабжают межзвездный газ ядрами тяжелых элементов. По современным представлениям о нуклеосинтезе на поверхность Земли должны попадать из космоса сверхтяжелые галактические путешественники. Ядерная астрономия, то есть изучение космоса по регистрации потоков сложных ядер больших энергий, могла бы дать свой серьезный вклад в решение астрофизических проблем, но пока не удается установить контакт даже с нашей родной Галактикой на этом языке. Почему?

Пока не совсем ясно, что происходит с ядрами космического излучения от рождения до того момента, когда они достигают поверхности Земли. Межзвездный газ и пыль очень разрежены. Космическое пространство практически пустое. Однако потоки элементарных частиц и ядер — посланцы далеких звезд — преодолевают столь гигантские расстояния, что даже редкие встречи с космическими пылинками сильно изменяют их первоначальную энергию и массу. По дороге к Земле тяжелые ядра «теряют в весе» за счет реакции распада на легкие осколки при столкновении с другими ядрами. После подобных «дорожных происшествий» поток космических лучей постепенно обогащается изотопами легких химических элементов, и ученые могут только строить разные предположения об исходном составе ядер галактического излучения.

Релятивистская ядерная физика позволяет моделировать процессы столкновения тяжелых ядер больших энергий внеземного происхождения. Измеряя вероятность разбивания ядер на осколки и изучая распределение энергии между ними, ученые, возможно, сумеют намного точнее воссоздать условия рождения и ускорения тяжелых и сверхтяжелые ядер в Галактике.

Пока человек не шагнул в космические просторы, зарождающиеся там потоки элементарных частиц и ядер были интересны лишь с точки зрения решения научных вопросов, не имеющих отношения к биологии или медицине. Теперь возник совершенно новый аспект старой проблемы космического излучения. Как оно действует на человека, не защищенного толстым слоем земной атмосферы? Какую радиационную опасность несут быстрые ядра тяжелых элементов?

Хорошо известно, что тяжелые многозарядные частицы отличаются от всех других ионизирующих излучений большей плотностью разрушений, которые они производят на своем пути. Много ли таких частиц в открытом космосе?

Первые эксперименты с целью проверки степени угрозы радиационного поражения, которую таит в себе космическое пространство, были выполнены в 50-х годах с помощью аэростатов, поднятых на высоту 25 километров. В аппаратах находились черные мыши. Известно, что пигментация каждого волоска обеспечивается всего несколькими особыми клетками, весьма чувствительными к действию ионизирующих излучений. Поражение этих клеток ведет к обесцвечиванию волоска, поседению, что очень легко заметить. На спину каждому животному прикрепили стопки ядерных эмульсий. По возвращении на Землю эмульсии проявили и просмотрели под микроскопом. Затем ученые сопоставили следы, оставленные в эмульсии космическими частицами с участками поседения волосков. Результаты этих экспериментов и опыты с животными на ускорителях подтвердили, что быстрые ядра из потока галактических частиц приводят к гибели пигментирующих клеток. Причем для этого достаточно попадания лишь одного тяжелого иона.

Во время серии космических полетов на кораблях «Аполлон» радиобиологи обнаружили сильное влияние релятивистских космических ядер на споры бактерий, семена растений, корешки, проростки и на яйца ракообразных.

Наиболее интересным было открытие американскими астронавтами так называемого явления фосфенов. Участники космического полета периодически ощущали световые «вспышки» при адаптации глаз к темноте. Это наблюдение, сделанное за пределами Земли, было проверено в лаборатории на бэватроне (США) с помощью искусственно ускоренных тяжелых ядер азота. Фосфены возникали в момент разрушения сильноионизирующими частицами светочувствительных элементов сетчатки глаза.

По-видимому, сверхбыстрые тяжелые ядра космического излучения наибольшую опасность представляют для клеток нервной ткани, не обладающих способностью к восстановлению. В шлемах американских космонавтов, находившихся на борту космических кораблей «Аполлон», были обнаружены следы частиц, пробивших их насквозь.

Исходя из количества обнаруженных следов, ученые ориентировочно подсчитали, что при космическом полете продолжительностью в один год может погибнуть приблизительно один процент нейронов в головном мозге человека.

Эксперименты с искусственно полученными релятивистскими ядрами помогут точно определить степень их опасности для организма человека и разработать способы надежной защиты.