Подобный опыт решил поставить и Хофстадтер — но уже не на атоме, а на протоне. Альфа-частицы для такого опыта не годились. Никто же не полезет в желудок зондом размерами со всего пациента!

Нужна была частица по крайней мере такая же «простейшая», как протон. Пощупать предстояло распределение электрического заряда в протоне. Значит, частица должна была быть заряженной. И притом заряженной так, чтобы протон не отпихивал зонда, как это часто делают неразумные пациенты.

Наконец, надо было, чтобы частица имела неядерную природу. Иначе при ее встрече с протоном рождались бы мезоны и гипероны. А требовалось, чтобы пациент при обследовании вел себя спокойно.

Что ж, природа предоставила в распоряжение ученого удачные зонды, и в любом потребном количестве. Это электроны.

Чтобы они могли выполнить свое назначение, их все же надо было загонять в тело пациента силой. Мы помним, что пациенты — протоны в атомах водорода — окружены отталкивающей наш зонд электронной же одеждой. Хофстадтер выбрал линейный ускоритель электронов того типа, который некогда соорудил швейцарец Видероэ, сначала на энергию 550 миллионов, а затем на 2 миллиарда электрон-вольт.

И вот получены первые результаты обследования пациента. Мы их нарисовали на графиках. Левый график отражает распределение электрического заряда в протоне, правый — в нейтроне.

Да, да, в нейтральном нейтроне полным-полно электричества! Впрочем, физикам это давно было не в диковинку. Уже много лет было известно, что, несмотря на отсутствие видимого электрического заряда, нейтрон сильно магнитен — сила его магнитика составляет более двух третей силы протонного магнитика. И направлением этого магнитика нейтрон как раз отличается от антинейтрона.

Из этого было сделано заключение, что в нейтроне есть электрические заряды, но компенсирующие друг друга. Примерно так, как в атоме. Атом тоже в целом нейтрален, а между тем в нем живут и «плюсовые» ядра и «минусовые» электроны.

Начнем с левой карты обследования. Вся кривая идет выше нуля. Значит, в протоне весь заряд положительный. Он довольно резко обрывается примерно при 2 ферми^[3]. Поэтому можно считать, что на расстоянии 2 ферми от центра пролегает довольно отчетливая граница протона.

Из правой карты для нейтрона видно, что у него распределение заряда гораздо сложнее. В самом центре располагается крошечная область положительного заряда, затем идет узенькая область отрицательного, потом опять положительного и, наконец, у наружного края снова отрицательная область, причем заряд в ней уменьшается гораздо более плавно, чем у протона. Граница же нейтрона пролегает при тех же 2 ферми.

Первый вопрос: а из чего, собственно, состоят эти заряды? Носителя положительного заряда меньше позитрона, а отрицательного — меньше электрона физика пока не знает. Да если бы и знала (помните «тузы»?), то это не помогло бы в данном случае: «тузы» куда массивнее протона и нейтрона! Выходит, в протоне есть позитроны, а в нейтроне еще и электроны? Никоим образом. Зададим встречный вопрос.

Протон обменивается с нейтроном и обратно — нейтрон с протоном — пи-мезонами. А если возле протона нет нейтрона? Выходит, нет обмена? Протон перестанет «выделять» пи-мезоны? Стоит появиться нейтрону, и начнется выделение? Разумеется, нет. Разведка протона все время в боевой готовности. Иначе протон и «не узнáет» о появлении нейтрона.

Эта боевая готовность заключается в том, что протон все время испускает и поглощает обратно свои же пи-мезоны. Однако поскольку такой процесс виртуален, он должен заканчиваться «молниеносно» — за время порядка 10^–23 секунды. Мы уже об этом не раз говорили.

Протон может каждый раз испускать и по одному пи-мезону, и целые разведывательные отряды из двух, трех и более пи-мезонов, и вообще даже целые «резонансные» частицы. Лишь чем многочисленнее отряд, чем массивнее он или частица, тем быстрее они должны вернуться обратно, тем более близкие окрестности к центру протона они прощупывают. Одиночные же разведчики пи-мезоны могут уйти, и это мы видим из графика, на расстояние порядка 1–2 ферми.

Вот вам и разгадка внешнего слоя электрического заряда протона. Он состоит из облаков виртуальных положительных пи-мезонов. Протон словно укутан в мезонную «шубу».

Под «шубой» укрылась довольно плотная часть протона. Физики назвали ее керном. Из чего он состоит?

А здесь полезно привести вполне современную поговорку физиков: «Нет такого виртуального, чтобы не стало реальным!» Выбрасывает протон при энергичном столкновении реальные ка-мезоны и гипероны, значит, виртуально они содержатся в нем. Появляются антипротоны, значит, и они, как это ни трудно вообразить, виртуально живут в их смертельном враге.

Все эти частицы и образуют, видимо, керн протона. Это понятно — масса и энергия покоя у них гораздо больше, чем у пи-мезонов. На виртуальное рождение их протон должен затратить большую энергию. А раз так, тем меньше времени и в тем меньшем объеме пространства они могут существовать.

«Видимо» же мы сказали потому, что сегодня о керне, в отличие от пи-мезонной «шубы», еще почти ничего не известно.

Мезонная «шуба» нейтрона богаче: она построена как из положительных, так и отрицательных пи-мезонов. Мезоны выполняют двоякие обязанности.

С одной стороны, они несут электрический заряд и осуществляют электромагнитные взаимодействия.

С другой, переносят ядерные взаимодействия.

Значит, электромагнитный и ядерный размеры «шубы» должны совпадать.

На деле же получается, что электромагнитная «вата» далеко вылезла за пределы ядерного «сукна». Долго недоумевали физики, как могла природа сшить такую нескладную «шубу». А потом решили, что «сукно» еще наставлено «меховой» оборкой из двух сортов новых мезонов, гораздо более массивных, чем пи-мезоны.

Это знакомые нам по переписи «резонансы» — нейтральный омега-мезон и «троица» из нейтрального и противоположно заряженных ро-мезонов. (Просьба не путать этот омега-мезон с тем омега-гипероном, о котором была уже речь. Оба они обозначаются одной и той же греческой буквой, но мезон — маленькой, а гиперон — большой. Это видно в нашей «переписи» частиц.)

О керне нейтрона также нет единодушного мнения. Одни считают его в целом заряженным положительно, другие — заряженным отрицательно. Вероятно, в его состав входят пары из нейтрона и антинейтрона, а может быть — и пары из протона и антипротона. Более определенного мнения пока нет.

Вот пока и все, что известно о структуре протона и нейтрона. Мало?

Сравните с «точкой», о которой нечего было сказать еще десять лет назад! «Разъять» протон — это не разнять матрешку, в которой обнаружится еще десяток таких же матрешек мал мала меньше!

Как-то один из охотников за частицами сделал своим сотрудникам остроумный рождественский подарок. Под праздничной оберткой они обнаружили красиво раскрашенную… спичечную коробку. На ней была надпись: «Внутри — целая сотня нейтрино». Коробку открыли — она оказалась пустой…

И все же надпись была совершенно правильной. Любой такой объем на Земле, занят ли он воздухом, водой или камнем, содержит примерно сотню нейтрино. Они пронизывают его со скоростью света по всевозможным направлениям, столь же бесперебойно, как бесперебойно светят Солнце и звезды, распадаются радиоактивные ядра и неустойчивые частицы, рожденные космическими лучами в атмосфере. Для нейтрино не существует преград.