§ 7. Партоны

Обратимся теперь к новейшим экспериментам по глубокому неупругому рассеянию электронов высокой энергии на протонах. При помощи Станфордского линейного ускорителя Панофский исследовал рассеяние на углы 6 и 10° при энергии электронов до Подобные эксперименты продолжают классическую традицию исследования структуры при помощи частиц все более высоких энергий. В классических экспериментах Резерфорда была определена структура атома и открыто ядро. Эффективное сечение рассеяния Резерфорда — Мотта имеет вид

Эксперименты Хофстадтера в том же Станфордском университете позволили определить электромагнитные размеры протона (0,8 фермы) путем рассеяния электронов с энергиями в сотни мегаэлектронвольт. Новые опыты призваны уточнить структуру протона и обнаружить его возможные составные части (типа кварков).

Согласно общей теории, дифференциальное эффективное сечение неупругого рассеяния электронов, при котором детектируется только один электрон, имеет вид

Формфакторы (структурные функции) зависят от свойств мишени и могут быть представлены в виде функции переданного импульса и потери энергии электронов

где отношение сечений фотопоглощения продольных и виртуальных поперечных фотонов.

Важным шагом явилось предположение Бьоркена, что при высоких энергиях имеет место масштабная инвариантность в том смысле, что оказывается универсальной функцией только отношения а не и в отдельности.

Эксперименты показали, что: 1) при больших значениях и величина действительно становится функцией только безразмерной переменной при данном значении полной энергии медленно убывает с ростом Е в резком отличии от поведения упругих формфакторов, 3) при больших значениях со величина оказывается примерно постоянной.

Эти фундаментальные эксперименты 1968-1969 гг. возбудили очень большой интерес и привели к разнообразным попыткам объяснения. Не останавливаясь на не встречающих, по-видимому, особой симпатии интерпретациях на базе прежних представлений (при помощи алгебры токов или модели векторной доминантности Сакураи и др.), поясним кратко новую гипотезу «партонов» - некоторых точечных составных частей, из которых, как предполагается, составлен протон. Природа партонов еще неясна и в ряде отношений требует уточнения. У Бьоркена и др. речь идет о кварках и парах типа облака мезрнов. Кабиббо и др. говорят о пионах и каонах в качестве партонов. Нильсен, развивая соображения Бьоркена, считает партоны скалярными частицами с массами в несколько гигаэлектронвольт. Во всех расчетах существенным является признание очень большого или бесконечного моря виртуальных точечных партонов.

Не останавливаясь на деталях, укажем на типичные расчеты Дрелла и др., использующих, как и другие авторы, систему центра масс, в которой и электрон, и протон являются ультрарелятивистскими частицами; при этом взаимодействие можно трактовать как резкий импульс, в течение которого [составные части протона (т. е. партоны) могут рассматриваться как свободные.

Исходим из фундаментального определения формфакторов

где — однонуклонное состояние с импульсом — импульс виртуального фотона, — передача энергии. Подразумевается усреднение по спину нуклона (учет спина произведен венгерскими физиками Гальфи и др.). Тогда, применяя «старомодный» метод возмущений, существенно используя обрезание по поперечным импульсам и переходя к «голым», или свободным, токам при помощи «раздевания»

где

а — известный гамильтониан взаимодействия нуклонов и пионов, в конце концов асимптотически получаем

Эту формулу Дрелл считает основой партонной модели, поскольку после разнообразных процедур и приближений мы приходим к точечным токам.

Если отождествить партоны с кварками, то, как показали Бьоркен и Пачос, получается описание, качественно согласующееся с экспериментальными данными. Китани и Иоши, предположив дополнительно пуассоновское распределение партонов внутри адрона (при этом также партоны отождествляются с кварками), получили очень хорошее согласие с экспериментом.

Итак, начав с широкого обобщения формулы рассеяния Резерфорда — Мотта для учета распределения заряда неточечнойдмишени, мы в конце концов приходим к сумме точечных сечений.

Развивая партонную модель адронов, согласующуюся с дуальностью, Нильсен и др. замечают, что адрон, возможно, скорее подобен капле жидкости; тем самым они приближаются к моделям капли, предложенным из других соображений в разных вариантах (Хагедорн, Фройнд и др., Вижье и др.). Вместе с тем это подводит нас к статистическим, термодинамическим моделям процессов при высоких энергиях.

Недавние эксперименты М. Конверси и др. на встречных пучках [накопительное кольцо установки «Адоне» (Фраскати — Рим), область энергий ], где исследовались процессы рассеяния, порождения мюонов и адронов, наряду с новым подтверждением квантовой электродинамики указывают на порождение пар адронов (пионов и др.) в большем количестве, чем ожидалось, что предварительно говорит в пользу «партон-ной» структуры протона.