Такая неустойчивость может возникнуть в достаточно сильном электрическом поле. Вблизи ядра с числом протонов Z пионная неустойчивость возникает, как показывает расчет, при значениях Z›1500.
Ядра с таким зарядом, если не принимать во внимание возможность перестройки вакуума, были бы неустойчивы из-за громадного кулоновского отталкивания протонов. Однако расчет энергии, выигрываемой от перестройки вакуума, показывает, что этот выигрыш может превысить потерю энергии из-за кулоновского отталкивания. В результате такие «сверхзаряженные» ядра могут оказаться устойчивыми, и не исключено, что они возникли в процессе эволюции Вселенной. В этом случае следует пытаться искать их в космических лучах.
Наиболее интересна пионная неустойчивость вакуума, которая проявляется в достаточно плотной нуклон-ной среде (в среде, состоящей из нейтронов и протонов). Поскольку пи-мезоны сильно взаимодействуют с нуклонами, такая среда создает ту потенциальную яму, в которой при достаточной плотности возникает неустойчивость вакуума. Как мы увидим, неустойчивость пионного поля в нуклонной среде приводит к большому количеству важных физических следствий и может быть проверена экспериментально. Обсудим это явление более подробно.
Пиониая конденсация
Эффективная потенциальная яма для пионов, создаваемая нуклонным веществом с плотностью п, имеет глубину
U = nA,
где А - амплитуда рассеяния пиона на нуклоне (квадрат этой величины определяет сечение рассеяния). Величина А играет роль глубины ямы, создаваемой одним нуклоном. Неустойчивость вакуума относительно рождения пионов наступит при увеличении плотности, когда глубина ямы сделается больше, чем энергия покоя пиона:
U = nА \gg m_\pi с2.
Критическая плотность, при которой начинается перестройка вакуума:
n_c=(m_\pi с2)/A.
В действительности все обстоит не так просто. Во-первых, амплитуда рассеяния мала при малом импульсе (напомним, что количество движения - импульс - масса X скорость) пионов. И неустойчивость возникает не для покоящихся пионов, а для пионов с импульсом, для которого амплитуда рассеяния максимальна. Этот импульс порядка m_\pi с. Кроме того, при большой плотности нуклонов в этой простой формуле появляются дополнительные слагаемые, которые пока можно найти только приближенно. Поэтому значение критической плотности известно не очень точно: можно только сказать, что она близка к равновесной плотности ядерного вещества (к плотности атомных ядер). Мы будем обозначать эту плотность n0. Таким образом n_c\simeq=n_0.
Итак, в нуклонной среде с плотностью, большей, чем nс возникает пионное поле. Когда оно делается достаточно большим, отталкивание между пионами уменьшает яму и процесс останавливается. Когда плотность нук-лонного вещества заметно превышает критическое значение, глубина ямы делается больше энергии покоя, - при конденсации выигрывается энергия. Энергия Е_\pi , которая освобождается при конденсации, пропорциональна квадрату превышения плотности над критическим значением:
Е_\pi =\alpha(n-nс )2.
Это явление называется «пионной конденсацией». Пионное поле, возникающее при конденсации, называют «конденсатом».
Пионная конденсация приводит к возможному существованию сверхплотных ядер, о которых мы говорили во вступлении, а также ко многим другим физическим следствиям.
Пока такие ядра не обнаружены. Их поисками заняты физические лаборатории многих стран. Теоретическое исследование пионной конденсации и ее следствий началось в 1971 году с работы автора этой книги и продолжается до сих пор во многих научных центрах.
Неустойчивость ядерного вещества при большой плотности
Самое важное следствие пионной конденсации - неустойчивость нуклонного вещества, которая может возникнуть в результате конденсации. Поясним, в чем физическая причина этой неустойчивости. Пусть критическая плотность нуклонов nс , соответствующая пионной конденсации, превышает равновесную плотность n0 ядерного вещества. Покуда нет конденсации, энергия ядерного вещества возрастает с увеличением плотности по сравнению с равновесным значением.
Однако при появлении конденсата, то есть при n›n_c, выигрывается энергия. Если выигрыш энергии нарастает с увеличением плотности быстрее, чем проигрыш от сжатия, то наступает неустойчивость ядерного вещества. Иными словами, при возникновении пи-конденсата жесткость ядерного вещества уменьшается. Если же жесткость сделается отрицательной, то ядерное вещество станет неустойчивым.
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.
Пиониая степень свободы
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.