НУКЛОНЫ, МЕЖНУКЛОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, АТОМНЫЕ ЯДРА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Целью работы является краткое рассмотрение 3-х наиболее существенных проблем ядерной физики:

1. строение нуклона,

2. механизм межнуклонного взаимодействия,

3. структура атомного ядра.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В соответствие со своим названием и поставленной целью, работа включает в себя 3 основные раздела:

I. модифицированная модель нуклона, в которой валентные кварки располагаются в фиксированных участках поверхности нуклона,

II. механизм межнуклонного взаимодействия, учитывающий тот факт, что валентные кварки расположены на поверхности нуклона,

III. модель атомного ядра, в которой нуклоны связаны за счет электростатического притяжения валентных кварков, находящихся напротив друг друга в соприкасающихся участках поверхности соседних нуклонов.

В четвертом разделе указаны пути экспериментальной проверки предложенных физических моделей нуклонов, межнуклонного взаимодействия и атомных ядер, а также приведены основные выводы и резюме работы.

I. В основу модифицированной модели нуклона положены те же самые структурные элементы, которые используются в стандартной модели нуклона:

1. три валентные кварка,

2. три глюонные струны, на концах которых находятся валентные кварки,

3. "море" виртуальных кварк-антикварковых пар, заполняющих объем нуклона.

Также как в стандартной модели, все три глюонные струны соединены своими концами вблизи центра нуклона и располагаются вдоль его радиусов. Единственное отличие заключается в том, что глюонные струны имеют постоянную длину, которая принимается равной радиусу нуклона ~ 0,86 Фм.

Такое расположение и свойство глюонных струн приводит к тому, что валентные кварки постоянно находятся на поверхности нуклона.

Вывод о поверхностном расположении валентных кварков не противоречит экспериментам по глубоконеупругому рассеянию, в которых обнаружено, что электрический заряд распределен по объему нуклона непрерывно. Непрерывное распределение электрического заряда в нуклонах объясняется поляризацией "моря" кварк-антикварковых пар (примечание 1а).

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что нуклоны имеют форму тетраэдра. В этом тетраэдре три ребра представляют собой 3 глюонные струны, а остальные три ребра - это 3 отрезка, которые соединяют валентные кварки (примечание 1б).

Глюонные струны равноправны и имеют не только одинаковую длину, но и располагаются под одинаковыми углами друг к другу. Вследствие этого, расстояния между кварками также равны друг другу (электростатическим притяжением и отталкиванием разноименных и одноименных кварков можно пренебречь по сравнению с силами, которые определяют строение нуклона).

Более того, глюонные струны ортогональны друг к другу, образуя друг с другом углы, равные 90 градусов. Соответственно, по теореме Пифагора, расстояния между валентными кварками равны ~ 1,2 Фм.

Таким образом, параметры представляющих нуклоны тетраэдров полностью определены. Основанием тетраэдра является правильный треугольник с длиной стороны ~ 1,2 Фм, а боковые грани тетраэдров являются прямоугольными равнобедренными треугольниками с длиной боковых сторон ~ 0,86 Фм (тетраэдры являются "сплюснутыми").

Согласно предлагаемой модели, протон и нейтрон имеют одинаковое строение в виде указанных тетраэдров и различаются лишь величиной и знаком заряда одной из 3-х вершин основания данных тетраэдров: у протонов заряды вершин имеют величину (+2/3, +2/3, -1/3), а у нейтронов (+2/3, -1/3, -1/3).

II. Если модифицированная модель нуклона соответствует действительности, то нуждается в уточнении механизм межнуклонного взаимодействия.

Когда нуклоны-тетраэдры сближаются своими вершинами, расстояние между валентными кварками становится меньше размеров самих нуклонов, вследствие чего величина кулоновского взаимодействия данных кварков (и соответственно, нуклонов в целом) увеличится. Достаточно, чтобы расстояние между заряженными вершинами тетраэдров стало на 1-2 порядка меньше радиуса нуклона, чтобы энергия электростатического взаимодействия данных вершин достигла величины, которая характеризует сильное взаимодействие (примечание 2).

Например, кулоновская энергия взаимодействия u-кварка с d-кварком, находящихся друг от друга на расстоянии ~ 0,04 Фм (всего в 20 раз меньше радиуса нуклона) имеет величину порядка 8 Мэв. Именно такая величина характеризует удельную энергию связи нуклонов в атомных ядрах.

III. Модифицированная модель нуклона и данный механизм межнуклонного взаимодействия позволяют выдвинуть новую модель атомного ядра.

Согласно этой модели, нуклоны в ядрах связаны за счет притяжения противоположно заряженных валентных кварков. Требуемая энергия связи достигается, когда кварки оказываются друг от друга на расстоянии (0,04-0,06) Фм.

В соответствие с данной моделью, атомные ядра представляют собой конструкции, собранные из указанных выше тетраэдров в результате соединения их противоположно заряженных вершин.

Поскольку соединяться способны не все вершины тетраэдров (четвертая вершина вообще не имеет заряда), то данные конструкции оказываются весьма "рыхлыми" (абсолютное большинство всех возможных конструкций разваливаются, не успев сформироваться). Вместе с тем, если количество тетраэдров обоих типов будет примерно одинаковым, и общее количество тетраэдров не превысит 300 единиц, то тетраэдры можно соединить таким образом, что конструкции окажутся достаточно устойчивыми. Данные конструкции и соответствуют всем ядрам, которые могут существовать в природе.

В настоящее время автор приступил к построению данных конструкций из тетраэдров, изготовленных из бумаги. Длина основания тетраэдров выбрана равной 3 см. В результате, автор рассчитывает построить модели всех наиболее характерных ядер в масштабе (3 см / 1,2 Фм) ~ 25 триллионов : 1. Уже для ядра Не-4 получены новые результаты (примечание 3а).

Естественно, что данные модели целесообразнее строить с помощью 3D-графики. В этом случае для каждой конструкции можно будет рассчитать все основные параметры. Тем самым, все свойства ядер могут быть получены без использования капельной, оболочечной или к каких-либо иных моделей атомных ядер (примечание 3б).

В соответствие с предлагаемой моделью, атомные ядра можно рассматривать как 3-мерные пазлы, собираемые из 2-х типов тетраэдров, которые соответствуют протонам и нейтронам (наглядный образ этих пазлов - русская матрешка).

Еще одно возможное представление ядер - это свернутые в клубок полимерные молекулы (в частности, - белковые глобулы). Основное отличие атомных ядер от этих объектов заключается в том, что ядра имеют слоистое строение (подобно капле смектического жидкого кристалла, в котором слои имеют сферическую форму).

IV. Все расмотренные в данной работе модели нуклонов, межнуклонного взаимодействия и атомных ядер могут быть экспериментально проверены.

1. Несферическая ("грушевидная") форма нуклонов может быть обнаружена в экспериментах по рассеянию на поляризованных мишенях поляризованных пучков частиц, длина волны которых сравнима с размером нуклона. Для электронного пучка это соответствует энергии порядка 1,5 Гэв (для мюонного пучка требуемая энергия еще меньше). Условия дифракции в случаях продольной и поперечной поляризаций пучка и мишени будут различными, и эксперимент должен показать это различие.

2. Предложенный механизм межнуклонного взаимодействия также может проверен в экспериментах по рассеянию поляризованных пучков нуклонов на поляризованных мишенях. При изменении взаимной поляризации пучка и мишени во взаимодействии будут принимать участие валентные кварки, расположенные в разных участках поверхности, что должно существенным образом сказаться на результатах рассеяния. Если будут использоваться протонные пучки и протонные мишени, то энергия пучка должна лежать в интервале (10-100) Мэв.

3. Модель ядра с квазирегулярным расположением нуклонов (как по радиусу, так и внутри каждого сферического слоя) может быть проверена в экспериментах такого же типа, как в пункте 1 (только длина волны используемых частиц должна быть несколько больше).

Еще один возможный способ проверки предлагаемой модели атомных ядер - это построение компьютерных моделей ядер в виде конструкций, составленных из указанных 2-х типов тетраэдров. В результате моделирования можно будет вычислить все параметры каждого конкретного ядра и сравнить их с наблюдаемыми величинами.

ВЫВОДЫ,

1. Нуклоны имеют форму тетраэдров: три вершины данного тетраэдра - это 3 валентные кварка, а четвертая вершина - это точка соединения глюонных струн (данный вывод может иметь важное прикладное значение для создания нового типа рентгеновских лазеров).

2. Взаимодействие между нуклонами определяется электромагнитным взаимодействием валентных кварков (а также индуцированных зарядов в "море" кварк-антикварковых пар), сближающихся на расстояние, которое много меньше размеров самих нуклонов.

3. Атомные ядра представляют собой каркасные конструкции, образованные из 2-х видов тетраэдров, соответствующих двум видам нуклонов: конструкции формируются путем соединения вершин тетраэдров, в которых располагаются u-кварки, с вершинами, в которых находятся d-кварки.

РЕЗЮМЕ. Предложен новый подход к решению проблем ядерной физики. В основу данного подхода положена модель нуклона в виде тетраэдра. Жесткость тетраэдра обеспечивается глюонными струнами, которые можно рассматривать как обычные пружины, обладающие чрезвычайно высокой жесткостью (собственная частота колебаний данных пружин соответствует энергии в несколько сотен Мэв). Ядерная структура формируется в результате электростатического притяжения валентных кварков, расположенных в вершинах данных тетраэдров. Требуемая для обеспечения межнуклонных связей величина электростатического притяжения достигается благодаря сближению валентных кварков соседних нуклонов (тетраэдров) на расстояние в (15-20) раз меньшее размера нуклонов.

Примечание 1а. Из энергетических соображений следует, что вблизи валентного кварка больше вероятность рождения компонент кварк-антикварковых пар, которые имеют противоположный знак электрического заряда. Соответственно, компоненты кварк-антикварковых пар, имеющие тот же самый знак заряда, с большей вероятностью рождаются во внутренних областях нуклона. Данный эффект и проявляется как "распространение" электрического заряда расположенных на поверхности валентных кварков во внутреннюю область нуклона.

Вместе с тем, эффект поляризации "моря" кварк-антикварковых пар объясняет отсутствие у нуклонов дипольного момента. Образующиеся в "море" индуцированные заряды экранируют электрические заряды валентных кварков и создают дипольный момент, который компенсирует дипольный момент, создаваемый валентными кварками.

Примечание 1б. В действительности, форма нуклона - это нечто среднее между тетраэдром и сферой, т.е. нуклоны имеют "грушевидную" форму.

Аналогичную форму имеют молекулы аммиака (кварки соответствуют атомам водорода, а точка соединения глюнных струн - атому азота). Из общих законов квантовой механики следует, что нуклоны (также как молекулы аммиака) должны совершать квантовые переходы, связанные с инверсией их пространственной формы. В свою очередь, данные переходы могут быть использованы для создания квантового генератора (подобно аммиачному мазеру). Поскольку частота инверсных переходов нуклонов, вероятно, лежит в рентгеновском или гамма диапазоне, это будет рентгеновский или гамма лазер.

Не исключено, что подобные рентгеновские (гамма) лазеры реализуются в астрофизических объектах, обладающих сильным магнитным полем, и уже наблюдаются среди космических источников рентгеновского (гамма) излучения.

Примечание 2. В рамках данной модели, при любых расстояниях между нуклонами взаимодействие между ними имеет электромагнитную природу.

На малых расстояниях взаимодействие нуклонов представляет собой взаимодействие мультиполей, образованных электрическими зарядами валентных и виртуальных кварков. Данный механизм взаимодействия обладает всеми свойствами, которые характеризуют сильное взаимодействие: нецентральный характер, насыщение ... . Тем самым, гипотеза, что сильное взаимодействие между нуклонами обусловлено обменом виртуальными мезонами, является избыточной.

Наглядно взаимодействие нуклонов можно представить как взаимодействие 3-х зарядных "ионов" имеющих нуклонные размеры (~ 1 Фм) и дробную величину заряженных центров (+2/3 и -1/3). Основная трудность заключается в том, что внутренняя часть "ионов" обладает свойством идеального проводника, вследствие чего внутри "ионов" имеются индуцированные заряды, которые необходимо учитывать при расчете взаимодействия.

Однако современные суперкомпьютеры способны справиться с этой задачей. В данной модели проблема определения межнуклонного взаимодействия имеет чисто вычислительный характер.

Примечание 3а. Четыре тетраэдра, входящие в состав ядра Не-4, соединяются вдоль одного из своих ребер таким образом, что образуют правильную пирамиду. Основанием пирамиды является квадрат, сторона которого равна расстоянию между кварками в каждом отдельном нуклоне (~1,2 Фм). Боковые ребра пирамиды имеют точно такую же величину. В центре основания пирамиды собраны незаряженные вершины всех 4-х тетраэдров. В вершине пирамиды соединяются два u-кварка и два d-кварка: данная вершина описывается формулой (u, d, u, d). В каждой из 4-х вершин основания соединяются u-кварк и d-кварк: эти вершины имеют формулу (u, d). Таким образом, ядро Не-4 имеет вид правильной четырехугольной пирамиды и описывается формулой 1(u, d, u, d), 4(u, d).

Модель ядра Не-4, которая была предложена в работе http://proectiv-cosmology.narod.ru/12.htm, описывается формулой 2(u, d, u, d), 2(u, d). Данная модель соответствует, вероятно, чрезвычайно нестабильному изомеру Не-4.

Однако, существует еще одна пространственная структура, построенная из 4-х тетраэдров путем соединения их вершин. В этой структуре все 12 заряженных вершин, которые имеются у четырех тетраэдров (двух протонов и двух нейтронов), соединены попарно в 6 узлов (u,d), каждый из которых имеет заряд +1/3. Все эти 6 узлов располагаются на поверхности сферы (подобно атомам углерода в фуллерене). При этом, все 4 тетраэдра располагаются внутри сферы и незаряженные вершины тетраэдров сходятся в центре сферы (получающаяся фигура имеет вид октаэдра). Не исключено, что данный изомер Не-4, описываемый формулой 6(u, d), может быть обнаружен экспериментально.

Все ядра (включая их изомеры), характеризуются подобными формулами. Данные формулы описывают кварковый состав узлов, в которых происходит соединение вершин тетраэдров, и количество узлов каждого типа в данном ядре.

Примечание 3б. В работах (http://proectiv-cosmology.narod.ru/12.htm и http://proectiv-cosmology.narod.ru/13.htm) уже было дано качественное объяснение в рамках данной модели многих свойств атомных ядер. Дополним перечень этих свойств еще двумя ядерными эффектами.

1. Магнитные моменты нуклонов, входящих в состав атомных ядер, меньше магнитных моментов свободных нуклонов.

В данной модели магнитные моменты нуклонов определяются не только электрическим зарядом валентных кварков, но и индуцированным зарядом "моря" кварк-антикварковых пар. Поскольку при встраивании нуклонов в атомные ядра, часть электрического поля валентных кварков "переключается" на взаимодействие с валентными кварками соседних нуклонов, то поляризующее действие валентных кварков ослабляется. Это приводит к уменьшению индуцированного заряда "моря" и, тем самым, к уменьшению магнитного момента нуклона.

2. ЕМС-эффект, суть которого заключается в уменьшении структурной функции нуклонов при встраивании в атомные ядра.

Данный эффект обусловлен той же самой причиной, что и уменьшение магнитного момента, а именно, уменьшением индуцированных зарядов в "море" кварк-антикварковых пар (обусловленное установлением межнуклонных связей при формировании атомных ядер). Уменьшение индуцированных зарядов в "море" кварк-антикварковых пар приводит к уменьшению вероятности глубоконеупругого рассеяния, с помощью которого обнаруживается ЕМС-эффект.

Дальнейшее развитие данной модели способно привести не только к качественному, но и количественному объяснению всех ядерных эффектов. В данной модели для рассчета ядерных эффектов используется только электромагнитное взаимодействие, и вся проблема заключается лишь в преодолении вычислительных трудностей