Нуклоны, межнуклонные взаимодействия, атомные ядра

Предложена модель нуклона, отличающаяся от Стандартной модели тем, что валентные кварки располагаются в фиксированных точках поверхности нуклона. Исходя из данной модели, предложен новый механизм межнуклонного взаимодействия, а также новая модель атомного ядра.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В соответствие со своим названием, работа включает 3 основные раздела:

I. модифицированная модель нуклона,

II. механизм межнуклонного взаимодействия,

III. модель ядра, в которой нуклоны образуют в пространстве упорядоченную структуру.

В четвертом разделе предложено качественное объяснение основных ядерных эффектов.

В пятом разделе указаны пути экспериментальной проверки предложенных моделей нуклонов, межнуклонного взаимодействия и атомных ядер.

I. В работе, опубликованной в этом же номере журнала, показано, что нуклоны, вероятно, построены на основе поверхности Боя. Глюонные струны отождествляются с лепестками поверхности Боя, а находящиеся на концах струн кварки – с электрическими центрами этих лепестков. Также как в Стандартной модели, в данной модели объем тетраэдра заполнен «морем» кварк-антикварковых пар. Валентные кварки поляризуют это «море», вследствие чего в объеме нуклона создается неоднородное распределение электрического заряда, что было установлено в экспериментах по глубоконеупругому рассеянию заряженных лептонов.

Единственное принципиальное отличие данной модели от Стандартной модели заключается в том, что длина глюонных струн считается постоянной (поскольку постоянна длина лепестков поверхности Боя). Вследствие этого валентные кварки постоянно находятся на поверхности нуклона, - именно этот вывод является наиболее важным для дальнейшего.

Графическим изображением поверхности Боя является тетраэдр, вершиной которого является трехгранный угол, составленный из 3-х прямых углов (поскольку все 3 лепестка поверхности Боя ортогональны друг другу). Длина ребер тетраэдра, выходящих из его вершины, (т.е. длина глюонных струн), принимается равной радиусу нуклона r ~ 0,86 Фм. По теореме Пифагора находим длину 3-х остальных ребер тетраэдра, образующих его основание: а ~ 1,2 Фм.

Вершины в основании тетраэдра представляют собой валентные кварки. В соответствие с предлагаемой моделью, протоны и нейтроны отличаются друг от друга лишь величиной и знаком заряда одной из вершин основания тетраэдра: у протонов заряды вершин имеют величину (+2/3, +2/3, -1/3), тогда как у нейтронов (+2/3, -1/3, -1/3).

II. В Стандартной модели сильное взаимодействие между нуклонами рассматривается как часть цветового взаимодействия. Предлагаемая модель нуклонов позволяет обойтись без гипотезы о наличии цветового взаимодействия: все свойства нуклонов обусловлены свойствами поверхности Боя. В принципе, цветовое взаимодействие можно сохранить, если каждому из 3-х лепестков поверхности Боя приписать один из 3-х цветов и саму поверхность Боя рассматривать как результат цветового взаимодействия (с тем же успехом можно приписать лепесткам порядковые номера, точнее, квантовые числа -3, -2, -1, +1, +2, +3).

В данной модели сильное взаимодействие между нуклонами не является следствием цветового взаимодействия или обмена мезонами, а обусловлено электростатическим взаимодействием зарядов, расположенных в вершинах описанных тетраэдров (строго говоря, необходимо учитывать также взаимодействие поляризационных зарядов в объеме тетраэдра). При тесном контакте тетраэдров, расстояние между этими вершинами, которое определяется толщиной лепестков поверхности Боя, может оказаться на 1-2 порядка меньше размеров самих тетраэдров. Вследствие этого величина электростатического взаимодействия между данными вершинами (кварками) возрастет в десятки раз и достигнет величины сильного взаимодействия.

Данная модель объясняет все остальные свойства сильного взаимодействия: насыщение, нецентральный характер и т.д. Все эти свойства становятся очевидными, если рассматривать взаимодействие протонов и нейтронов как взаимодействие электрических диполей или 3-х зарядных "ионов", имеющих нуклонные размеры. Подчеркну, что эти диполи или «ионы» приобретают свою форму за счет жесткости ребер тетраэдра (постоянства длины лепестков поверхности Боя).

III. Как известно, модели ядер весьма многочисленны и, по сложившейся традиции, считаются дополняющими друг друга даже тогда, когда исходные положения моделей находятся в явном противоречии друг с другом. Предложенная модель нуклона и механизм межнуклонного взаимодействия позволяют согласовать все основные модели ядра.

Согласно предлагаемой модели, ядра образуются за счет электростатических связей, которые устанавливаются между противоположно заряженными кварками соседних нуклонов, когда эти кварки сближаются на расстояние в несколько сотых долей ферми. Энергии этих связей вполне достаточно: кулоновская энергия взаимодействия u-кварка с d-кварком, находящихся на расстоянии ~ 0,04 Фм (всего в 20 раз меньше радиуса нуклона) имеет величину порядка 8 Мэв. Именно такую величину имеет удельная энергия связей нуклонов в атомных ядрах.

В соответствие с данной моделью, атомные ядра представляют собой конструкции, собранные из указанных выше тетраэдров в результате соединения их противоположно заряженных вершин. В каждой вершине могут сходиться не только 2 или 3 кварка, но 4, 5, или даже 6 кварков, что и обуславливает многообразие образующихся пространственных конфигураций (конструкций).

С другой стороны, каждый тетраэдр соединяется со своими соседями только тремя из 4-х вершин, поэтому данные конструкции оказываются весьма "рыхлыми": абсолютное большинство всех возможных конструкций разваливаются, не успев сформироваться. Вместе с тем, если количество тетраэдров обоих типов примерно одинаково, и общее количество тетраэдров не превышает 300 единиц, то часть конструкций оказываются более-менее устойчивыми, - данные конструкции и соответствуют всем ядрам, которые существуют в природе.

Рассмотрим предлагаемую модель на примере простейших ядер Н-3, Не-3, Не-4.

1. Начнем с наиболее известного ядра Не-4, представляющего собой альфа-частицу.

Расположим 4 тетраэдра, входящих в состав ядра Не-4, на плоскости и составим эти 4 тетраэдра вершинами, образованными тремя прямыми углами. В результате получим правильную 4-х угольную пирамиду: все 4 ребра основания и все 4 остальные ребра пирамиды будут равны друг другу и между собой. Другими словами, все 8 ребер пирамиды будут равны расстоянию между кварками в каждом отдельном нуклоне а ~ 1,2 Фм.

Поворотами и перестановками тетраэдров можно добиться того, чтобы в вершине пирамиды находились кварки (u, d, u, d), расположенные именно в таком порядке, а во всех 4-х вершинах основания располагались по одному u-кварку и одному d-кварку: все эти вершины имели вид (u, d). В итоге, данная конструкция будет описываться следующей формулой: Не-4 ~ 1(u, d, u, d), 4(u, d).

Данная конструкция представляет собой наиболее компактное расположение 4-х тетраэдров. Однако из указанных 4-х тетраэдров могут быть построены еще две пространственные конфигурации, в которых связаны все 12 кварков. Данные конструкции описываются формулами Не-4(1) ~ 6(u, d); Не-4(2) ~ 2(u, d, u, d), 2(u, d) и соответствуют двум изомерам ядра Не-4. Вследствие чрезвычайно короткого времени жизни, эти изомеры пока не наблюдались, однако, при целенаправленном поиске вполне могут быть обнаружены.

2. Пространственная структура ядер Н-3 и Не-3 получается из пространственной структуры ядра Не-4 путем изъятия одного тетраэдра. Другими словами ядра Н-3 и Не-3 представляют собой «недостроенные» пирамиды. В случае ядра Не-3 один из тетраэдров-протонов нужно повернуть, чтобы в вершине пирамиды оказались два d-кварка и один u-кварк: чтобы эта вершина (как и в случае ядра Н-3) описывалась формулой (d, u, d).

В вершинах основания этой «недостроенной» пирамиды сохраняются два (u, d)-узла и, кроме того, появляются две вершины, в которых располагаются отдельные (несвязанные) кварки. В ядре Н-3 в этих вершинах располагаются u-кварк и d-кварк, а в ядре Не-3 в вершинах находятся u-кварки. Таким образом, ядра Н-3 и Не-3 описываются практически одинаковыми формулами:

Н-3: 1(d, u, d), 2(u, d), (u), (d)

Не-3: 1(d, u, d), 2(u, d), (u), (u).

Именно это обстоятельство объясняет примерно одинаковые свойства ядер Н-3 и Не-3, прежде всего, похожий вид спектров возбуждений этих ядер. Вместе с тем, данная конструкция выявляет причину, по которой данные ядра существенно различаются по времени жизни: ядра Н-3 распадаются с периодом полураспада 12,6 лет, тогда как распад ядер Не-3 до сих пор не наблюдался (ядра Не-3 считаются абсолютно стабильными). Данный факт не находит объяснения ни в одной из существующих моделей ядра, поскольку из-за отталкивания двух протонов, ядра Не-3 должны были бы быть еще более нестабильными, чем ядра Н-3. В данной модели наблюдаемое на опыте соотношение между временами жизни ядер Н-3 и Не-3 объясняется следующим образом.

В ядре Н-3, находящиеся в вершинах основания пирамиды свободные u-кварк и d-кварк притягиваются друг к другу. Вследствие этого оба узла (u, d), расположенные в 2-х остальных вершинах основания «недостроенной» пирамиды, испытывают растягивающее натяжение, которое приводит к ослаблению связи между составляющими эти узлы кварками, следствием чего и является нестабильность ядер Н-3.

Напротив, в случае ядра Не-3 два u-кварка, расположенные в тех же самых вершинах «недостроенной» пирамиды, отталкиваются друг от друга, что создает стягивающее натяжение в основании пирамиды. Это способствует дополнительному сближению кварков в двух узлах (u, d), которые расположены в этом основании, что является причиной укрепления данных узлов, благодаря чему ядро Не-3 становится стабильным.

3. На основании вышеизложенного, можно сделать важный вывод.

Каждое ядро и каждый из его изомеров может быть описан кварковой формулой, которая показывает, сколько различных типов узлов связанных или свободных кварков имеется в данном ядре, и сколько кварков обоих видов входит в каждый из узлов данного типа.

Из энергетических соображений следует, что наиболее распространенными узлами являются 3-узлы (d, u, d), электрический заряд которых равен нулю. Данный узел имеет такой же кварковый состав, как нейтрон, однако не является самостоятельной частицей: входящие в узел кварки принадлежат трем разным нуклонам. Кроме того, 3-узел имеет на порядок меньший размер, чем нейтрон. Этот «мининейтрон» является основным структурным элементом атомных ядер.

Кварковая формула тяжелых ядер включает в себя большое количество 3-узлов (d, u, d) с добавкой некоторого числа 2-узлов (u, d) и еще меньшим числом узлов, содержащих 4, 5 или 6 кварков, а также несвязанных кварков (u) (в тяжелых ядрах все d-кварки включены в узлы). Каждой кварковой формуле соответствует определенная пространственная структура, которой обладает данное ядро. В общих чертах структуру атомных ядер можно описать следующим образом.

Ядра представляют собой наиболее компактное расположение описанных тетраэдров. Данное расположение достигается в том случае, когда каждый тетраэдр соединен всеми своими вершинами с максимально большим числом вершин соседних тетраэдров. Это условие будет выполнено, если построенные из тетраэдров конструкции будут обладать сферической формой и состоять из сферических слоев. В каждом слое будет определенное количество тетраэдров, и с удалением от центра это количество будет возрастать. Конструкции, у которых сферические слои полностью заполнены, соответствуют магическим ядрам.

В соответствие с предлагаемой моделью, важнейшей задачей ядерной физики является построение пространственной структуры ядер. Данная задача может быть решена двумя путями:

1) компьютерное моделирование,

2) создание моделей из тетраэдров, имеющих пропорциональные нуклонам размеры.

В результате компьютерного моделирования можно рассчитать все основные параметры ядер и объяснить все наблюдаемые в ядрах физические эффекты (без каких-либо иных моделей).

IV. Предлагаемая модель атомного ядра объясняет все эффекты, которые находят объяснение в капельной и оболочечной моделях.

Действительно, согласно данной модели, ядра представляют собой каплю жидкого кристалла смектического типа. Особенность атомных ядер состоит в том, что смектические слои обладают сферической симметрией. Внутри каждого слоя нуклоны образуют фиксированные структуры, но сами слои могут совершать движение друг относительно друга, в данном случае – вращаться.

В данной модели магические числа нуклонов возникают не за счет группирования нуклонов при движении в центрально-симметричном потенциале, как это имеет место в оболочечной модели, а за счет образования все новых слоев, каждый из которых будет содержать фиксированное количество нуклонов. В рамках данной модели смогут найти объяснение и новые магические числа, которые невозможно получить в оболочечной модели.

Перечислим еще несколько ядерных эффектов, которые находят объяснение в данной модели.

1. Повышенная стабильность четно-четных ядер.

Данное свойство атомных ядер объясняется тем, что конструкции, построенные из четного числа тетраэдров каждого из 2-х типов, более устойчивы, чем конструкции, в которых число тетраэдров хотя бы одного типа является нечетным. Тем самым, нет необходимости привлекать для объяснения этого (и других) свойств ядер сверхтекучую модель, адекватность которой в случае столь малого числа частиц является весьма сомнительной.

2. Нелинейное изменение момента инерции ядер при изменении момента их вращения.

Внутри слоя нуклоны связаны сильней, чем с нуклонами соседних слоев, поэтому слои могут вращаться независимо друг от друга. При достижении моментом вращения определенных величин, во вращательное движение будут вовлекаться новые слои нуклонов, что будет приводить к скачкообразному изменению момента инерции.

3. Большие значения электрического квадрупольного момента деформированных ядер.

Аномально высокие значения квадрупольного момента обусловлены тем, что значительная часть электрического заряда ядра располагается на его поверхности. Причина в том, что внутри ядра электрический заряд u-кварков компенсируется зарядами двух d-кварков (благодаря возникновению 3-узлов (d, u, d)), тогда как на поверхности ядра, особенно в его деформированных частях, такая компенсация осуществляется в меньшей степени.

4. Уменьшение магнитного момента нуклонов, а также уменьшение структурной функции нуклонов (ЕМС-эффект) при встраивании нуклонов в атомные ядра.

Данные эффекты объясняются тем, что в атомных ядрах электрический заряд валентных кварков используется для установления межнуклонных связей. Вследствие этого поляризующее действие заряда валентных кварков на «море» кварк-антикварковых пар ослабляется и величина поляризационных зарядов в этом «море» уменьшается. Поскольку и величина магнитных моментов нуклонов, и вероятность рассеяния заряженных лептонов (которая определяет величину ЕМС-эффекта) обусловлены, главным образом, именно величиной поляризационных зарядов в «море» кварк-антикварковых пар, это и приводит к данным эффектам.

Другими словами, причина данных эффектов заключается в том, что поляризационные заряды «моря» кварк-антикварковых пар имеют наибольшую величину в свободных нуклонах, тогда как в нуклонах, входящих в состав атомных ядер, величина этих зарядов становится меньше.

В рамках данного механизма находит объяснение такое удивительное свойство ЕМС-эффекта, как совпадение вида этого эффекта в большинстве тяжелых ядер с видом ЕМС-эффекта в ядрах Н-3 и Не-3. Данное совпадение объясняется тем, что (как было отмечено выше) в тяжелых ядрах имеется большое количество «мининейтронов» (d, u, d), которые впервые возникают именно в ядрах Н-3 и Не-3. Таким образом, указанное совпадение отражает одинаковое расположение соседних нуклонов друг относительно друга в тяжелых ядрах и в ядрах Н-3 и Не-3, следствием чего является примерно одинаковый вид поляризации «моря» внутри нуклонов, входящих в эти столь разные по массе ядра.

С другой стороны, в ядре Не-4 характерным является узел, состоящий из четырех кварков (u, d, u, d), который обуславливает другой вид ЕМС-эффекта у ядер, которые имеют такой 4-узел.

Кроме того, становится понятно, почему не существуют ядер, у которых ЕМС-эффект был бы аналогичен ЕМС-эффекту в ядрах дейтерия (Н-2). В тяжелых ядрах протон и нейтрон не соединяются так, как в дейтерии: основаниями тетраэдров, - такое соединение протона и нейтрона затрудняет присоединение к ним других нуклонов.

V. Все рассмотренные в данной работе модели нуклонов, межнуклонного взаимодействия и атомных ядер могут быть подвергнуты экспериментальной проверке.

1. Несферическая 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 - еще меньше). В случае использования пучков с продольной и поперечной поляризациями относительно мишени, дифракционная картина будет иметь различный вид.

2. Предложенный механизм межнуклонного взаимодействия может быть проверен в экспериментах по рассеянию на поляризованных мишенях поляризованных пучков нуклонов. 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. В случае использования протонных мишеней и протонных пучков, 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, что соответствует чуть меньшей энергии частиц пучка (для электронов ~ 1 Гэв).

Однако можно обойтись без этих дорогостоящих экспериментов, заменив их компьютерным моделированием, в результате которого будут получены пространственные конструкции и рассчитаны основные характеристики всех ядер, после чего можно будет сравнить эти характеристики с наблюдаемыми величинами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Вывод о том, что нуклоны обладают формой тетраэдра, может иметь важное прикладное значение. Благодаря такой форме, нуклоны должны совершать квантовые переходы, обусловленные инверсией их пространственной формы, подобно тому, как это имеет место у молекул аммиака. Соответственно, на основе этих квантовых переходов может быть создан генератор когерентного излучения, частота которого будет лежать в рентгеновском или гамма диапазоне. Вероятно, подобные рентгеновские (гамма) лазеры реализуются в отдельных типах космических объектов и уже наблюдаются в виде рентгеновских или гамма вспышек.

2. Сильное взаимодействие между нуклонами объясняется электростатическим взаимодействием валентных кварков, расположенных на поверхности нуклона. Валентные кварки сближаются на предельно малое расстояние (поверхности Боя соседних нуклонов состыкуются своими лепестками), благодаря чему величина электростатического взаимодействия достигает величины сильного взаимодействия,

3. Атомные ядра представляют собой упорядоченные в пространстве структуры, являющиеся аналогами ионных квазикристаллов, которые образованы в результате электростатического притяжения валентных кварков соседних нуклонов. Данные структуры обладают сферической симметрией и состоят из сферических (эллипсоидальных) слоев. Заполнение данных слоев соответствует появлению магических ядер.

4. Каждое ядро и все его изомеры могут быть поставлены во взаимнооднозначное соответствие с формулами, которые описывают количество и кварковый состав узлов, в которых происходит соединение вершин тетраэдров нуклонов, входящих в состав данного ядра. По этим формулам, с помощью компьютерного моделирования или путем создания масштабно-подобных моделей, могут быть построены пространственные модели всех ядер.

Дополнительное обсуждение результатов данной работы можно найти на сайте [1].

ЛИТЕРАТУРА

1. Шашлов В.А. http://proectiv-cosmology.narod.ru (Дополнения № 24, 25, 26, 27)