Дискуссии - Наука

В.А. Шашлов

Атомные ядра представляют собой конструкции, построенные в результате объединения нуклонов участками поверхности, в которых расположены кварки. Ядра образуются за счет собирания кварков соседних нуклонов в кварковые узлы, которые скрепляют нуклоны, формируя из них ядерные конструкции.

Цель работы

Целью работы является описание новой модели ядра, отличающейся способом связи нуклонов: нуклоны соединяются в ядра благодаря объединению кварков контактирующих друг с другом нуклонов в кварковые узлы, выполняющие функцию крепления нуклонов в ядерных конструкциях.

Содержание работы

В первой части изложена модель нуклона, которая используется для построения архитектурной модели ядра.

Во второй части описана архитектурная модель ядра в виде конструкций, построенных путем объединения кварков соседних нуклонов.

В третьей части описаны конструкции магических и полумагических ядер.

I. Природа кварков и структура нуклона

Чтобы ответить на вопрос: «Какова структура нуклона?», сначала необходимо разобраться с природой кварков. Согласно Стандартной модели, кварки представляют собой фундаментальные частицы, объединение которых по двое и по трое образуют мезоны и барионы, составляющие класс адронов.

В данной работе предлагается прямо противоположный взгляд на взаимосвязь между адронами и кварками: первичными частицами являются адроны, а кварки формируются в процессе образования адронов, как их составные части.

Данное понимание природы адронов и кварков следует из гипотезы, что адроны обладают жестким керном в форме поверхности Боя. Обоснованием данной гипотезы является то, что она объясняет все свойства адронов, включая их полный спектр.

Поверхность Боя является 3-х лепестковой односторонней поверхностью, и каждый их 3-х лепестков поверхности Боя может стать кварком.

Лепестки являются неотделимыми частями поверхности Боя, что обуславливает конфайнмент кварков: конфайнмент является следствием неотделимости лепестков поверхности Боя.

Примечание. Поверхность Боя невозможно «разрезать» на отдельные лепестки.

Образование адронов и кварков происходит, когда поверхность Боя соединяется с связкой аффинно-проективных прямых.

Примечание. Связка прямых является необходимым элементом частиц материи: она наделяет частицы массой, зарядом и спином; масса порождается натяжением связки прямых, заряд – вращением этих прямых, а спин – кручением прямых связки [1].

Соединение связки и поверхности Боя происходит, когда центр связки совмещается с центром (тройной точкой) поверхности Боя. При таком совмещении, связка распределяется по трем лепесткам и с каждым лепестком соединяется доля связки, кратная 1/3. Поскольку связка является носителем единичного заряда, то заряд кварков должен быть дробным и кратным 1/3 единичного заряда, т.е. либо 1/3, либо 2/3.

Если распределение долей связок по лепесткам поверхности Боя имеет вид (+2/3, +2/3, -1/3), то получаются протоны, а если (+2/3, -1/3, -1/3) – нейтроны.

Итак, суть новой модели нуклона состоит в том, что нуклон обладает жестким керном в виде поверхности Боя, а кварки образуются из лепестков поверхности Боя: каждый кварк – это лепесток поверхности Боя вместе с принадлежащей этому лепестку 1/3 или 2/3 долей связки прямых.

Согласно Стандартной модели, кварки совершают внутри нуклона практически свободное движение: только при приближении к поверхности нуклона цветовое взаимодействие возвращает кварки внутрь нуклона. В предлагаемой модели нуклона ситуация прямо противоположная: кварки постоянно находятся вблизи поверхности: кварковые заряды (кварки) образуются благодаря фокусированию долей связок прямых, и эти фокусы располагаются в вершинах лепестков поверхности Боя.

Данная модель позволяет вычислить аномальные магнитные моменты нуклонов: это обычные, классические магнитные моменты, формируемые в результате вращения кварковых зарядов, которое они совершают вместе с вращением нуклонов, как целого. Положение оси и частота вращения нуклона определяются по обычным правилам сложения параллельных вращений, которые создают спиновые моменты 3-х кварков [2].

Итак, истинная форма нуклонов – это поверхность Боя, однако, в первом приближении, форму поверхности Боя можно представить в виде прямоугольного тетраэдра. Вершина этого тетраэдра, составленная из 3-х прямых углов, соответствует тройной точке поверхности Боя, а основание тетраэдра – это треугольник, образованный вершинами лепестков поверхности Боя.

Представление нуклонов в виде прямоугольных тетраэдров лежит в основе архитектурной модели ядра: ядра имеют вид конструкций из прямоугольных тетраэдров, соединенных вершинами оснований, в которых расположены кварки.

II. Принципы построения ядерных конструкций

Если нуклоны действительно имеют форму прямоугольных тетраэдров и кварки расположены в вершинах основания этих тетраэдров, то становится практически неизбежным создание новой модели ядра, в которой объединение нуклонов в ядра осуществляется за счет объединения кварков соседних нуклонов.

Для реализации этой модели достаточно, чтобы нуклоны сближались вершинами, в которых находятся кварки, и в образующихся кварковых узлах разноименные кварки располагались ближе друг к другу, чем одноименные, чтобы энергия притяжения разноименных кварков превышала энергию отталкивания одноименных кварков.

В кварковых узлах расстояние между кварками в 10-20 раз меньше, чем в нуклонах. На столь малых расстояниях (порядка сотых долей Фм) кулоновская энергия взаимодействия кварков увеличивается также в 10-20 раз по сравнению с энергией взаимодействия зарядов этих же кварков на расстояниях, равных размеру нуклонов. Поскольку каждый нуклон имеет 3 кварка, то за счет образования кварковых узлов, энергия кулоновского взаимодействия нуклона с соседними нуклонами увеличивается в 30-60 раз и достигает величины, которая характеризует сильное взаимодействие.

Это означает, что для формирования ядер сильное взаимодействие не требуется: все эффекты, которые имеют место в атомных ядрах, могут быть объяснены, если заменить сильное взаимодействие на кулоновское взаимодействие кварков, собранных в кварковые узлы.

Поскольку удержание кварков внутри адронов также осуществляется без участия сильного взаимодействия (это – геометрическое свойство лепестков поверхности Боя), то можно сделать вывод, что сильное взаимодействие вообще не существует в природе.

Примечание. Данный вывод упрощает физическую картину мира: в отсутствии сильного взаимодействия картина мира становится более совершенной.

Уточним количественную оценку энергии связи, создаваемой за счет кулоновского взаимодействия кварков в кварковых узлах. Сначала рассмотрим узел, составленный из одного u-кварка и одного d-кварка.

Размер лепестков поверхности Боя имеет величину, равную радиусу нуклона, т.е. (0,8-0,9) Фм. Расстояние (ℓ) от вершины лепестка до кваркового заряда положим равным 1/30 размера самого лепестка, т.е. ℓ ~ (0,027-0,03) Фм. Соответственно, при сближении нуклонов вершинами лепестков, находящиеся в этих вершинах кварковые заряды приближаются друг к другу на расстояние 2ℓ ~ (0,05-0,06) Фм. На таком расстоянии энергия кулоновского взаимодействия u-кварка и d-кварка имеет величину (5-6) Мэв, что в расчете на один кварк составляет (2,5-3) Мэв.

В реальных ядерных конструкциях кварковые узлы содержат более 2-х кварков: количество кварков в узле может быть 3, 4, … 12. Однако, если количество u-кварков и d-кварков в узле примерно одинаково, то энергия их кулоновского взаимодействия не претерпит существенных изменений. Добавление нового кварка увеличивает энергию отталкивания от одноименных кварков, но эта величина компенсируется энергией притяжения к кваркам с противоположным знаком заряда: энергия связи существенным образом зависит от взаимного расположения и расстояний между кварками.

Поскольку каждый нуклон вносит свои 3 кварка в 3 кварковых узла, то в расчете на один нуклон энергия связи составит 3*(2,5-3) Мэв ~ (7,5-9) Мэв.

В этот интервал попадает удельная энергия связи абсолютного большинства ядер, поэтому энергия связи ядер имеет кулоновскую природу: она создается за счет энергии кулоновского взаимодействия кварков, собранных в кварковые узлы, размер которых составляет сотые доли Фм.

Это означает, что архитектурная модель «проходит» по энергетическому параметру: она дает правильную величину энергии связи ядер.

Итак, крепление нуклонов в ядерных конструкциях осуществляют кварковые узлы, составленные из кварков соседних нуклонов. Обозначая количества u-кварков и d-кварков в кварковом узле буквами n и m, каждый узел будем именовать «(n,m)-узел».

Атомные ядра представляют собой конструкции, построенные путем соединения нуклонов с помощью (n,m)-узлов.

В удержании нуклонов в ядерных конструкциях существенную роль играет не только кулоновское взаимодействие кварков в (n,m)-узлах, но также взаимодействие, имеющее неэлектромагнитную природу, которое обусловлено наличием у нуклонов жесткого керна в виде поверхности Боя. Благодаря жесткому керну нуклонов, все три (n,m)-узла, в которые нуклон вносит свои 3 кварка, жестко связаны между собой этим самым керном: эта связь необходима для устойчивости ядерных конструкций.

На первый взгляд, расположение тетраэдров-нуклонов в составе ядерных конструкций может быть произвольным, однако, устойчивые конструкции образуются только в том случае, если тетраэдры-нуклоны располагаются регулярным образом, формируя сферические структуры, подобные структуре фуллерена.

Для понимания основных принципов формирования ядерных конструкций введем вспомогательную конструкцию, выполняющую функцию «строительных лесов», которую будем именовать «ядерный каркас».

Ядерный каркас строится из ячеек, имеющих форму правильных тетраэдров. Размер ячеек выбирается таким образом, чтобы тетраэдры-нуклоны встраивались в них максимально плотно. Для этого грани тетраэдров-ячеек выбираются конгруэнтными основанию прямоугольных тетраэдров-нуклонов: в этом случае тетраэдры-нуклоны могут встраиваться в ячейки только в том случае, если их основание будет совмещаться с одной из 4-х граней тетраэдра-ячейки.

Ядерный каркас строится следующим образом. В центре располагается нулевая ячейка. К четырем граням нулевой ячейки прикладываются грани 4-х новых ячеек: эти 4 ячейки образуют первый слой ядерного каркаса. У каждой ячейки первого слоя имеется 3 свободные грани, к которым могут быть присоединены новые ячейки. Общее количество таких ячеек составит 3*4 = 12: эти ячейки составят второй слой ядерного каркаса.

Данная процедура может быть продолжена, что позволяет построить третий и последующие слои: все возможные комплексы, которые получаются при реализации данного алгоритма, являются разновидностями ядерного каркаса.

Атомные ядра получаются путем встраивания тетраэдров-нуклонов в ячейки ядерного каркаса. Поскольку кварки располагаются в вершинах основания тетраэдров-нуклонов, то все кварки автоматически оказываются расположенными вокруг узлов ядерного каркаса: эти узлы и становятся (n,m)-узлами. Благодаря (n,m)-узлам, нуклоны закрепляются в ячейках ядерного каркаса, формируя ядерные конструкции: каждое ядро имеет свой вид ядерной конструкции и свой набор (n,m)-узлов.

Данная модель объясняет наличие в центре ядер свободного пространства (пузырька): в большинстве ядер нулевая ячейка каркаса остается незаполненной.

Примечание. Встраивание нуклона в нулевую ячейку ядерного каркаса сделало бы набор (n,m)-узлов в первом слое ядерных конструкций не симметричным.

Исследование каждого ядра начинается с построения модели ядерной конструкции: нужно определить ячейки ядерного каркаса, в которые встроены тетраэдры-протоны и тетраэдры-нейтроны, а также определить положение каждого нуклона внутри ячейки.

Построив модель ядерной конструкции, можно определить полный набор (n,m)-узлов, т.е. кварковую формулу данного ядра. В свою очередь, зная набор (n,m)-узлов, можно вычислить все физические параметры данного ядра: спиновый, электрический и магнитный моменты.

Сравнение этих величин с экспериментальными значениями однозначно покажет, что данная конструкция адекватно описывает структуру исследуемого ядра.

Если такое соответствие будет проверено для всех ядер, можно будет сделать вывод, что архитектурная модель ядра соответствует действительности: ядра – это конструкции, построенные из нуклонов путем объединения кварков в (n,m)-узлы.

Задача исследования каждого ядра сводится к определению вида его конструкции: какое положение занимает в ней каждый нуклон, и какой вид имеют наборы кварков во всех узлах ядерного каркаса.

III. Конструкции магических и полумагических ядер

Встает вопрос: «Способна ли архитектурная модель ядра объяснить не только энергию связи, но и другие ядерные свойства, прежде всего, магические числа?».

В оболочечной модели магические ядра возникают, как результат заполнения нуклонами оболочек, которые появляются при решении уравнения Шредингера для нуклонов, движущихся в сферически симметричном потенциале. Однако существование «орбитального» движения нуклонов в столь плотной среде, какой являются атомные ядра, вызывает большие сомнения.

Подлинная причина существования магических ядер вовсе не орбитальное движение нуклонов, а регулярное расположение нуклонов в виде сферических слоев: количество протонов и нейтронов в этих слоях определяет магические числа.

Как указано выше, первые 2 сферических слоя ядерного каркаса содержат 4 и 12 ячеек. При полном заполнении этих слоев равными количествами протонов и нейтронов, получаются ядра, у которых эти количества равны 4/2 = 2 и (4 + 12)/2 = 16/2 = 8. Это ядра ⁴Не и ¹⁶О, а полученные числа – это первые 2 магических числа.

Третий слой ядерного каркаса формируют ячейки, пристроенные к свободным граням ячеек второго слоя. Общее количество этих ячеек могло бы быть равным 3*12 = 36, однако, все 36 ячеек не могут поместиться в третьем слое, поскольку его объем имеет недостаточно большую величину. По этой причине, из 3-х свободных граней каждой ячейки второго слоя тетраэдры-нуклоны присоединяются только к 2^м граням, поэтому количество тетраэдров-нуклонов в третьем слое получается равным 2*12 = 24.

Соответственно, ядро, у которого полностью заполнены первые 3 сферических слоя ядерного каркаса, содержит (4 + 12 + 24) = 40 нуклонов: это ядро ⁴⁰Са, и третье магическое число равно 40/2 =20.

Все перечисленные результаты проверены автором на макетах ядерных конструкций. Построение макетов с числом тетраэдров-нуклонов > 40 позволит получить все остальные магические числа.

В процессе построения макетов ядерных конструкций стала ясна причина возникновения полумагических ядер: данные ядра возникают, когда слои ядерного каркаса заполняются не полностью, однако распределение кварков по узлам каркаса все равно оказывается симметричным: ядерные конструкции полумагических ядер имеют симметричный набор кварковых узлов (симметричную кварковую формулу).

Заключение

В данной работе предлагается новая модель атомного ядра, в которой ядра обладают сочетанием свойств квазикристалла и жидкого кристалла.

Положение нуклонов и кварковых узлов внутри ядерных конструкций является, хотя и не регулярным, но строго определенным (как у квазикристаллов), вместе с тем, нуклоны располагаются в виде сферических слоев, которые обладают свойством подвижности друг относительно друга (как у жидких кристаллов).

Примечание. Подвижность сферических слоев нуклонов в ядерных конструкциях является причиной эффекта бэкбендинга: скачкообразное уменьшение момента инерции ядер при увеличении момента количества движения обусловлено вовлечением во вращательное движение дополнительных сферических слоев.

Структурные элементы ядерных кристаллов имеют форму прямоугольных тетраэдров, которые складываются в ядерные конструкции. В каждый из сферических слоев встраивается определенное количество тетраэдров-протонов и тетраэдров-нейтронов: эти количества определяют магические числа.

Архитектурная модель ядра допускает экспериментальную проверку. Для этого необходимо изготовить макеты всех ядерных конструкций, соответствующих всем известным и пока еще не открытым ядрам. Вид данных конструкций и набор кварковых узлов покажут, какие конструкции обладают повышенной устойчивостью (являются магическими и полумагическими), после чего можно будет приступить к экспериментальному поиску таких ядер.

Более того, наличие данных макетов позволит определить распределение масс, зарядов и спинов в каждой ядерной конструкции, т.е. в каждом ядре. Соответственно, для каждого ядра можно будет вычислить спиновый, электрический, магнитный моменты. Совпадение столь большого числа вычисленных моментов с экспериментальными величинами явится надежным подтверждением архитектурной модели ядра.

Согласно архитектурной модели, задача исследования каждого ядра сводится к определению положения каждого нуклона в ячейках ядерного каркаса.

Каждая достаточно большая совокупность нуклонов способна расположиться в ячейках ядерного каркаса практически неограниченным числом способом, однако, только очень небольшое количество таких способов приводит к образованию устойчивых конструкций: одна из этих конструкций соответствует основному состоянию, а остальные – изомерным состояниям ядра.

Архитектуру часто называют «застывшая музыка», поэтому каждое ядро можно рассматривать, как набор нот: каждая нота – это положение нуклона в ячейке ядерного каркаса. Чтобы получилось стабильное ядро, каждый нуклон должен быть встроен в определенную ячейку ядерного каркаса и расположиться в ней определенным образом: все стабильные ядра – это «застывшие мелодии».

Выводы

1. Центральной частью каждого адрона является жесткий керн в форме поверхности Боя.

2. Кварки не являются элементарными частицами, а образованы из лепестков поверхности Боя.

3. Кварки не совершают «асимптотически свободное» движение внутри адронов, а постоянно находятся в вершинах лепестков поверхности Боя.

4. Атомные ядра образуются, когда нуклоны состыкуются друг с другом вершинами лепестков своих поверхностей Боя с образованием кварковых узлов.

5. Кварковые узлы выполняют функцию креплений, удерживающих нуклоны в фиксированных участках ядерных конструкций.

6. Энергия связи ядер представляет собой кулоновскую энергию кварков в кварковых узлах.

7. Все ядерные конструкции строятся путем заполнения нуклонами ядерного каркаса, образованного из правильных тетраэдров путем наложения граней.

8. Магические ядра образуются, когда происходит полное и симметричное заполнение протонами и нейтронами сферических слоев ядерного каркаса.

9. Полумагические ядра образуются, когда симметричным является распределение кварков по узлам ядерного каркаса.

10. Наличие «пузырька» в центре ядер объясняется тем, что нулевая ячейка ядерного каркаса остается не заполненной.

11. Эффект бэкбендинга обусловлен подвижностью сферических слоев ядерных конструкций.

12. Архитектурная модель способна вычислить спиновый, электрический и магнитный моменты всех ядер, что позволит подтвердить ее справедливость.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Тайна спина и квантов // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27119, 05.05.2021

2. В.А. Шашлов, Вычисление аномальных магнитных моментов нуклонов «из первых принципов» // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26719, 06.10.2020

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]