Внутри атомных ядер мезоны становятся легче
|
Эксперименты, проведенные на японском ускорителе KEK, подтвердили теоретически предсказанный эффект: мезоны внутри ядер становятся легче.
Движение микроскопических частиц сквозь вещество — очень интересная физическая задача. Когда частица (фотон, электрон и т.д.) летит сквозь среду, она вносит в нее локальные искажения, которые распространяются вперед вместе с самой частицей. Все это вместе можно описать как квазичастицу: объект, отчасти напоминающий исходную частицу, но с изменившимися свойствами.
Изменения, которые претерпевают частицы в среде, могут быть самыми разными. Например, луч света (то есть, поток фотонов), распространяющийся сквозь прозрачную среду с показателем преломления n, замедляется в n раз по сравнению с лучом света в вакууме. Другой пример: электроны в полупроводниках при движении «тащат за собой» локальные искажения кристалла, и из-за этого их кажущаяся масса, как правило, многократно превышает массу электрона в вакууме. В совсем уж экзотических случаях может случиться так, что две характеристики одной и той же частицы как бы разделяются в пространстве и существуют сами по себе (см. заметку «Впервые наблюдалось "раздвоение личности" у квазичастицы»).
Физики-теоретики давно предсказывали, что такие же интересные эффекты имеют место не только для фотонов и электронов, но и в мире атомных ядер и короткоживущих элементарных частиц. В частности, было предсказано, что некоторые мезоны, «продираясь» сквозь ядерное вещество, заметно «теряют в весе».
Стоит подчеркнуть, что в теории этот эффект неизбежен. Он связан с тем, что сама масса адронов возникает динамически: основную «тяжесть» им придают не массы кварков, из которых они непосредственно сконструированы, а масса тех сильных полей, которыми кварки связаны. Внутри ядра эти поля изменяются, из-за чего меняется и масса адронов.
Долгое время экспериментально проверить все эти предсказания не удавалось. Такая проверка — непростая задача: ведь для этого требуется не только породить короткоживущую элементарную частицу в ядре, но и проследить за ее движением. В принципе, за последний десяток лет результаты нескольких экспериментов позволяли предположить, что какие-то изменения с мезонами в ядре действительно происходят (см. например статью nucl-ex/0504010), но однозначно трактовать эти результаты было трудно.
И вот, недавняя статья M. Naruki et al., Physical Review Letters, 96, 092301 (10 March 2006), доступная также как nucl-ex/0504016, а также еще более свежий препринт nucl-ex/0511019, расставили все точки над «i». В эксперименте E325, проведенном в японском ускорительном комплексе KEK, были зафиксированы неопровержимые следы того, что ро-, омега- и фи-мезоны внутри атомных ядер становятся легче.
Вообще, массу короткоживущих элементарных частиц можно определить по суммарной энергии всех тех частиц, на которые она распадается, при условии, конечно, все они попали в детектор и аккуратно измерена их энергия. Во всех предыдущих попытках определить массу мезона внутри ядра использовались распады мезона на другие адроны. Но адроны сильно взаимодействуют с протонами и нейтронами, а значит, могут сами «запутаться» внутри ядра, потеряв при вылете из ядра часть энергии. Такие «помехи», очевидно, затрудняют анализ данных.
Японцы же применили очень «чистый» метод определения массы мезона: через распад на электрон-позитронную пару. Для электронов и позитронов ядерное вещество почти прозрачно, поэтому даже если мезон распадется внутри ядра, электрон-позитронная пара сможет без помех вылететь наружу и долететь до детектора. По суммарной энергии электрона и позитрона можно с высокой точностью определить массу распавшейся частицы.
Результаты эксперимента показали, что мезоны (есть быть точным, то «квазимезоны») внутри ядра теряют почти 10% своей массы, что с хорошей точностью совпадает с результатами теоретических расчетов. Это совпадение позволяет надеяться, что современная теория динамического происхождения массы адронов в целом хорошо отражает реальность. Кроме этого, такие экспериментальные подтверждения позволяют физикам более смело применять свои теории и к таким экстремальным состояниями вещества, которые имеют место, например, внутри нейтронных звезд.
Игорь Иванов
