Среди задач физики элементарных частиц - теории и эксперимента - одной из
основных является понимание и описание свойств ядерной материи, основного
компонента, из которого состоит окружающий нас мир и мы сами. Важным достижением
физики 20-го века было открытие протонов и нейтронов как составных компонент
всех известных ядер. В теории поля протоны и нейтроны (нуклоны) рассматриваются
как элементарные частицы, которые могут рождаться и уничтожаться в различных
процессах, подобно фотонам и электронам. Возможны, однако и другие подходы.
Как это часто бывает в науке и особенно в теоретической физике, для того, чтобы
получить новые результаты и новое понимание, необходимо отказаться от прежних
концепций и взглянуть с новой точки зрения на уже известные явления и факты.
Киральные солитонные модели, предложенные Скирмом в 1961 г., дают возможность
весьма экономного описания барионных систем с различными свойствами,
основанного на малом количестве исходных принципов и составляющих.
Лагранжиан модели представляет собой усеченный лагранжиан
эффективной теории поля, широко используемый для описания и объяснения многих
явлений во взаимодействиях мезонов и барионов при низких энергиях.
Барионы или барионные системы возникают в рамках этого подхода как квантованные
солитонные решения уравнений движения системы, характеризуемые так называемым
топологическим зарядом (применяется также термин winding number).
Эти солитоны называют также скирмионами, по имени физика-теоретика, впервые их
предложившего.
В рамках топологических солитонных моделей, то есть если принять, что
барионы и барионные системы действительно представляют собой топологические
солитоны, находит объяснение, почему в природе имеется изотопический спин:
число генераторов изотопической группы, равное 3, совпадает с числом измерений
пространства, в котором мы существуем, что и делает возможной ту корреляцию
между киральными полями и пространственными координатами, которая приводит к
образованию скирмионов.
Конфигурации полей наинизшей энергии обладают различными топологическими
свойствами - то есть формой распределения массы и барионного заряда -
для различных значений барионных чисел. Это сфера для В=1, тор для В=2,
тетраэдр с размытыми ребрами для В=3, и т.д.
Важной и парадоксальной особенностью модели является то, что в конфигурациях
наинизшей энергии отсутствует индивидуальность отдельных нуклонов. Со
школьной скамьи мы привыкли к тому, что все ядра - и любые барионные системы -
состоят из отдельных нуклонов или барионов, то есть по определению нуклон
представляет собой элементарный кирпичик материи.
Это не так в рамках модели топологических киральных солитонов.
Привычная картина здесь возникает, когда учитываются так называемые ненулевые
моды во внутреннем движении солитона - дыхательные, вибрационные и т.д..
Квантование нулевых (вращательных) мод киральных солитонов позволяет получить
спектр состояний с различными значениями квантовых чисел: спина,
изотопического спина, странности, очарования и т.д.
Этот метод позволяет с неплохой точностью описывать различные свойства
барионов, нуклонов и гиперонов, поэтому представляют интерес предсказания
моделей такого рода для барионных систем с барионными числами, превышающими 1.
Во-первых, предсказывается существование сверхузких дибарионов, отщепленных от
двухнуклонной системы вследствие принципа Паули. Например, состояние с
изоспином I=J=1, положительной четностью и энергией ниже порога распада на
два нуклона и пи-мезон, и лишь на 50-60 Мэв превышающей двухнуклонный
порог [Ядерная физика 58 (1995) 1317].
Этот дибарион невозможно наблюдать непосредственно в нуклон-нуклонном
взаимодействии, но можно увидеть в реакции излучения двух и более фотонов во
взаимодействии двух нуклонов, где один фотон необходим для рождения дибариона,
а второй возникает в результате его распада.
Экспериментальные указания на существование D' в этой реакции были получены
в ОИЯИ (Дубна) коллаборацией DIB-2gamma, JINR preprint E1-96-104 (1996).
Масса обнаруженного здесь дибариона составляет (1923.5 +- 4.5) Мэв.
Этот результат, однако, не подтвержден в эксперименте по изучению
тормозного излучения протонов в Уппсале (Швеция)
[H.Calen et al, Phys.Lett. B427 (1998) 248].
Указания на существование низко-лежащих узких дибарионов были получены также
на Московской мезонной фабрике в реакции неупругого
рассеяния протонов на дейтроне группой экспериментаторов, возглавляемой
Е.С.Конобеевским.
[E.S.Konobeevsky et al, Izv. Ross. Acad. Nauk, 62 (1998) 2171; L.V.Filkov et
al, nucl-ex/9902002, Phys.Rev. C61 (2000) 044004].
Проверка и подтверждение этих результатов, возможные на ускорителях
небольших энергий, например в ИТЭФ (Москва), КОЗИ (Юлих, ФРГ) и других, по
своей значимости сравнимы с открытием новой элементарной частицы и, как
отмечалось, могут изменить наши представления о структуре ядерной материи.
Отсутствие же таких состояний приведет к определенным ограничениям на
применимость кирального солитонного подхода и эффективных полевых теорий.
Нейтронно-избыточные нуклиды, такие как тетра-нейтрон, секста-нейтрон и так
далее, предсказываются в рамках этого подхода при энергии значительно выше
порога для распада на отдельные нуклоны за счет сильного взаимодействия. С
увеличением барионного (атомного) числа, энергии таких нейтронно-избыточных
состояний становятся меньше и, соответственно, уменьшаются ширины.
Другим весьма характерным предсказанием является предсказание мультибарионов
или ядерных фрагментов с различными "ароматами", или флейворами, такими как
странность, очарование или прелесть. Энергии связи таких флейворных состояний
для странных фрагментов предсказываются меньшей, чем энергии связи обычных ядер.
Для небольших значений барионных чисел, до 4-5, такие странные фрагменты скорее
всего не связаны, однако наличие виртуальных уровней должно приводить к
усилению сечений соответствующих реакций.
В канале с B=2 такое около-пороговое состояние со странностью S=-1
было наблюдено более 30 лет назад в реакции PP -- P(lambda) K+
и подтверждено недавно в эксперименте на ускорителе КОЗИ (ФРГ).
Подобное околопороговое состояние в системе двух странных лямбда-гиперонов
было наблюдено недавно в Японии коллаборацией KEK PS E224.
Топологические солитонные модели объясняют существование таких околопороговых
состояний с барионным числом 2, и предсказывают подобные состояния для
больших значений барионных чисел.
Для некоторых значений B, начиная примерно с 5 или 6, такие состояния,
имеющие несколько единиц странности, могут быть стабильны по отношению к
сильному взаимодействию. Это означает, что такие странные ядерные фрагменты
должны иметь время жизни, характерное для слабых взаимодействий, то есть
не менее одной десятимиллиардной доли секунды, и оставлять достаточно
длинный след в детекторе.
Отрицательно заряженный долго-живущий фрагмент с массой около
7.4 Gev наблюденный в эксперименте NA52 ЦЕРН в столкновениях тяжелых
ионов [S.Kabana et al, J. Phys. G23 (1997) 2135] может быть объяснен
как ядерный фрагмент с атомным весом 7 или 6 и странностью S= -3, -4
или -5,-6, предсказываемый в рамках киральных солитонных моделей.
Проверка и подтверждение этого результата и поиски других фрагментов
странной материи весьма актуальны.
Для квантовых чисел "очарование" и "прелесть" энергии связи нуклидов больше по
величине, чем в случае странности, но для наблюдения таких состояний требуются
существенно большие начальные энергии, поскольку выше порог рождения частиц
с такими квантовыми числами.
Таким образом, изучение некоторых процессов при промежуточных энергиях,
которое в настоящее время в определенной степени вышло из моды, позволит
проверить ряд фундаментальных принципов, лежащих в основе современных
представлений о микромире, и привести к качественно новому пониманию природы
ядерных сил.
Владимир Копелиович,
ИЯИ РАН, Москва.