Можно ли вычислить изменение жесткости ядерного вещества при конденсации и тем самым установить, возможно ли существование более плотного равновесного состояния ядер? К сожалению, в расчеты входят недостаточно хорошо известные в настоящее время величины, характеризующие взаимодействие нуклонов и пи-мезонов в ядерном веществе. Предварительные оценки говорят в пользу того, что одновременно с возникновением конденсации наступает и неустойчивость ядерного вещества. Если эти оценки подтвердятся дальнейшим развитием теории и эксперимента, из этого будет следовать, что ядерное вещество должно сделаться неустойчивым уже при плотностях, близких к плотности ядерного вещества в атомных ядрах.
Эта неустойчивость может означать, что наряду с обычным состоянием ядерного вещества, которое существует в атомных ядрах, есть еще одно (или больше чем одно) необычное устойчивое состояние с большей плотностью. Иными словами, возможны аномальные ядра.
Нет ли пионного конденсата в обычных ядрах? Расчеты дают недостаточно точные значения интересующих нас величин. В частности, неточность в вычислении критической плотности пс такова, что можно допустить обе возможности: критическая плотность пс может быть как меньше, так и больше равновесной ядерной плотности По. Если критическая плотность пс ‹п0, то пионный конденсат должен существовать в обычных ядрах.
Присутствие конденсата в обычных ядрах привело бы к большому числу интересных физических следствий, которые можно обнаружить на опыте. Как показывает расчет, конденсатное поле в ядерном веществе должно периодически изменяться в пространстве. Эти периодические изменения передаются нуклонам и приводят к периодической структуре плотности нейтронов и протонов. Периодическая структура плотности протонов, то есть плотности заряда, могла бы проявиться в рассеянии электронов на ядрах или повлиять на вращательные свойства ядер. Особенно чувствительны к существованию периодической структуры такие процессы рассеяния, которые не происходят в однородном ядерном веществе. Эксперименты подобного рода, по-видимому, показывают, что конденсата в ядрах нет, то есть что пс ›п0. Однако есть много ядерных явлений, которые можно объяснить только близостью к пионной конденсации.
В критической точке энергия, которую нужно затратить на рождение пиона, обращается в нуль. В случае, когда плотность меньше критической, но близка к ней, конденсата нет. Однако в этом случае для превращения виртуального пиона в ядре в реальный нужна энергия гораздо меньшая, чем для рождения пиона в пустоте. Конечно, пион в яме не настоящий, его называют «возбуждение с квантовыми числами пиона». Вблизи критической точки эти возбуждения имеют малую энергию, на физическом жаргоне их называют «мягкими».
Таким образом, близость ядерной и критической плотности проявляется в том, что в ядре возникает «мягкая» степень свободы - возбуждения, напоминающие пи-мезон, но с малой энергией («пионная степень свободы»). Взаимодействие между нуклонами в ядре сильно изменяется благодаря возможности «обмена» такими «мягкими» пионами. Появляется новый механизм взаимодействия нуклонов: один нуклон испускает мягкий пион, другой его поглощает. Обмен мягким пионом заменяет происходящее в пустоте взаимодействие за счет обмена обычным «жестким» пионом. В результате положение некоторых уровней ядра существенно изменяется. Расчет положения уровней с учетом «пионной степени свободы» приводит к хорошему согласию с экспериментом и тем самым подтверждает правильность выбранных при расчете констант. Расчеты позволяют заключить, что ядра находятся в состоянии, очень близком к пионной конденсации. Но даже такие величины, как энергия связи ядра, на которые пионная степень свободы влияет только косвенно, нельзя точно рассчитать без ее учета. Учет пионной степени свободы - необходимый элемент современных ядерных расчетов. После того как теория подвергается экспериментальной проверке, многое приходится изменять. Оставшееся на жаргоне физиков называется «сухим остатком». Даже если предсказание об аномальных состояниях ядерного вещества не подтвердится на опыте, обнаружение пионной степени свободы останется как «сухой остаток» теории.
Возможное существование сверхплотных и нейтронных ядер
Как мы видели, однородное ядерное вещество при плотности п›пс, по-видимому, делается неустойчивым и должно сжиматься. Это заключение можно считать достаточно правдоподобным, поскольку оно сохраняется при варьировании констант теории в широких пределах. Однако отсюда еще не следует, что должны существовать сверхплотные ядра. Для устойчивости таких ядер требуется выполнение ряда условий. Прежде всего энергия такого ядра должна быть меньше, чем сумма энергий покоя нейтронов и протонов, иначе оно распадется на отдельные частицы. Кроме того, ядро должно быть устойчиво относительно деления, то есть не должно делиться на две или больше частей. И наконец, для того, чтобы аномальные ядра можно было наблюдать в космических лучах, они должны жить достаточно долго для прохождения космических расстояний, то есть должны быть устойчивы относительно beta-распада. Чтобы сформулировать эти условия количественно, необходимо знать, как изменяется энергия ядра от малых плотностей нуклонов n~n0 до плотностей, при которых ожидаются устойчивые аномальные ядра (как показывает расчет, эта плотность в 3-6 раз превышает n0).
Энергия ядра складывается из чисто нуклонной энергии и из энергии, выигрываемой при образовании конденсата. Так как чисто нуклонная энергия минимальна, при плотности n = n0~nc, то при n›nс она растет с ростом n. Энергия же, освобождающаяся при пионной конденсации, частично или полностью компенсирует возрастание нуклонной энергии.
Энергия ядра, отсчитанная от суммы энергий покоя нуклонов, в зависимости от плотности может иметь два минимума. Первый соответствует обычным ядрам. Второй, если он существует при энергии, меньшей нуля, соответствует аномальным ядрам. Сверхплотные ядра могут оказаться устойчивыми как при NssZ, так и при N›Z («нейтронные ядра»). Расчет показывает, что при некоторых допустимых предположениях о константах взаимодействия нейтронные ядра могут оказаться устойчивыми относительно деления и р-распада. В зависимости от выбора недостаточно хорошо известных параметров нуклон-нуклонного взаимодействия второй минимум может либо отсутствовать, либо лежать ниже нуля, что соответствует устойчивым сверхплотным ядрам; либо лежать выше нуля, и тогда система будет рассыпаться на отдельные нуклоны.
Следует заметить, что расчет нуклонной энергии и энергии, освобождающейся при конденсации при больших плотностях, - очень сложная задача. Ее решение стало возможным только недавно благодаря усилиям физиков-теоретиков в Советском Союзе и за рубежом. Пока получены очень грубые результаты, и к неточности в выборе параметров взаимодействия добавляется еще и неточность самой теории.
Таким образом, нельзя сделать определенного заключения о существовании аномальных ядер; можно только сказать, что их существование достаточно правдоподобно, чтобы предпринимать самые серьезные усилия для доказательства или опровержения этого предположения.
Возможные пути обнаружения аномальных ядер
В случае, если сверхплотные ядра существуют и имеют большую энергию связи, чем нормальные, последние должны были бы переходить в сверхплотное состояние. Кроме того, если бы аномальные ядра находились в природе вместе с нормальными, их можно было бы наблюдать по большой энергии gamma-квантов, испускаемых при захвате нейтронов. Пока опыты такого рода давали отрицательный результат.
Представляют интерес поиски стабильных или корот-коживущих beta-активных аномальных ядер в продуктах деления обычных ядер.
Возможно, сверхплотные ядра могут образовываться при столкновениях тяжелых ионов с энергиями порядка нескольких сот МэВ на нуклон. Возникающая при этом ударная волна может привести к значительному уплотнению ядерного вещества. Если при этом плотность превысит критическое значение пс, то начнет образовываться сверхплотная фаза. Независимо от того, существуют или нет устойчивые сверхплотные ядра, пионная конденсация должна существенно повлиять на динамику столкновения.
Можно надеяться обнаружить аномальные ядра в космических лучах. Интересны поиски сверхплотных ядер космического происхождения, накопившихся за космологические времена в поверхностных слоях лунного грунта и в метеоритах.
Наконец, возможность образования сверхплотного вещества в результате пионной конденсации оказывает решающее влияние на эволюцию нейтронных звезд при плотностях, превышающих ядерную. Об этом речь пойдет в следующем разделе.
Трудно сказать, что случалось чаще в истории физики - сначала обнаруживался экспериментальный факт, дававший толчок развитию теории, или сначала возникала теория, требующая экспериментальной проверки. Эксперимент и теория постоянно стимулируют друг друга. Если следствия этой теории подтвердятся на опыте - будет сделан существенный шаг в понимании природы. Если же не подтвердятся, теория сохранит свою методическую ценность и послужит основой для более успешных теорий. Как всегда, последнее слово остается за экспериментом.
