14. Структура нуклона

    В 1911 г. Э. Резерфорд, анализируя результаты экспериментов выполненных Гейгером и Марсденом по рассеянию α-частиц на тонкой золотой фольге установил, что атом не является однородным и состоит из массивного положительно заряженного ядра малого размера R <10^-12 см, окруженного отрицательно заряженными электронами. Метод рассеяния пробных частиц для определения структуры микрообъемов, предложенный Резерфордом, является универсальным, широко используется и в настоящее время. Современные эксперименты отличаются от опытов Резерфорда в основном своими масштабами – колоссальной энергией пробных частиц, получаемых на ускорителях, гигантскими детекторами, насчитывающими десятки тысяч регистрирующих элементов. Как известно, атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. До сих пор при обсуждении процессов, происходящих в атомных ядрах, исходили из того, что и протон, и нейтрон являются частицами, не имеющими внутренней структуры. Так ли это на самом деле? Уменьшение длины волны пробной частицы меньше чем 10^–13 см открыло возможности изучения внутренней структуры протона и нейтрона. В 1970 г. на ускорителе электронов с энергией 20 ГэВ, построенном в Стэнфорде, было получено, что протон и нейтрон имеют размер ~ 0,8 фм и являются составными частицами. Оказалось, что электроны сверхвысоких энергий рассеиваются на протонах и нейтронах так, как никто не ожидал. Так же как в случае опытов Резерфорда угловое распределение электронов удалось объяснить, если предположить, что внутри протона имеются более мелкие образования. Фейман назвал эти неизвестные точечные составные части протона и нейтрона, на которых происходит рассеяние электронов «партонами». Внутренняя структура протона зависит от пространственного разрешения, определяемого длиной волны виртуального фотона λ = h/q, где q − импульс виртуального фотона. Энергии современных ускорителей соответствуют разрешению ≈ 0.01 фм. При таком разрешении видны отдель­ные составляющие протона – партоны.
    Результаты исследований показали, что нуклон это частица, состоящая из трех валентных кварков, виртуальных морских кварков-антикварков и глюонов.

1. Внутри нуклона обнаружены точечные объекты – партоны, в которых сосредоточена вся масса (внутренняя энергия) нуклона. Размер партонов < 10^–17 см.
2. Заряженные партоны имеют все характеристики кварков – их спин 1/2, а заряды в единицах е либо +2/3, либо –1/3.
3. Нейтральные партоны, отождествляемые с глюонами, несут около половины внутреннего импульса (энергии) нуклона.
4. Валентные кварки окружены испускаемыми и поглощаемыми ими виртуальными глюонами, реализующими межкварковое сильное взаимодействие. Глюоны рождают виртуальные кварк-антикварковые пары, аннигилирующие затем вновь в глюоны. Эти виртуальные пары образуют множество морских кварков.

Уменьшение длины волны виртуального фотона.

    Знание внутренней структуры нуклонов даёт информацию о природе сильных взаимодействий, за счет которых протоны и нейтроны образуют атомные ядра. При больших значениях длины волн виртуального фотона нуклон выглядит как некий кор, окруженных облаком виртуальных π-мезонов, Виртуальные π-мезоны реализуют взаимодействие между нуклонами в атомном ядре. При уменьшении длины волны, когда она становится сравнимой с разменом нуклона, проявляется кварковая структура нуклона. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Нейтрон состоит из одного u-кварков и двух d-кварков. При ещё большем уменьшении длины волны виртуального фотона видно, что на самом деле валентные кварки являются сложными образованиями большого числа кварк-антикварковых пар связанных глюонами. Как формируется трехкварковая структура нуклона из моря виртуальных кварк-антикварковых пар является одной из фундаментальных проблем современной физики.
    Распределения электрического заряда и магнитного момента протона

<r²_E>^1/2_p = (0.86 + 0.01) Фм, <r²_M>^1/2_p = (0.86 + 0.06) Фм.

Распределение электрического заряда в нейтроне и протоне

Распределения электрического заряда и магнитного момента нейтрона

<r²_E>^1/2_n = (0.10 + 0.01) Фм. <r²_M>^1/2_n = (0.89 + 0.07) Фм.

• Размер протона ~0.8 Фм. Размер нейтрона приблизительно такой же.
• Протон лишен четкой границы. Плотность заряда в протоне плавно убывает по закону

ρ(r) = ρ(0)exp(-r/a), где ρ(0) = 3 е/Фм³, a = 0.23 Фм.

• Средний квадрат радиуса протона

• Отличие величины <r²_E>^1/2_n от нуля в случае нейтрона означает, что заряд нейтрона только после усреднения по всему объему нейтрона равен нулю.
• В нейтроне центральная часть (r < 0.7 Фм) заряжена положительно, периферийная часть − отрицательно.
• Распределения магнитных моментов протона и нейтрона совпадают.