Дискуссии - Наука

В.А. Шашлов

Жесткий керн нуклона имеет форму поверхности Боя. Кварки расположены в вершинах 3-х лепестков поверхности Боя. Атомные ядра образуются в результате объединения протонов и нейтронов вершинами лепестков своих жестких кернов.

Цель работы

Работа имеет своей целью применить модель нуклона в виде поверхности Боя для построения новой модели ядра.

Содержание работы

В первом разделе описана модель нуклона, в которой нуклон имеет форму поверхности Боя, а кварки образованы лепестками поверхности Боя.

Во втором разделе предложена модель атомных ядер в виде конструкций, образованных в результате объединения вершин лепестков поверхностей Боя.

В третьем разделе рассматривается конструкция простейшего ядра – дейтрона.

I. Исходные положения

В работе предлагается модель ядра, основанная на принципиально новой модели нуклона: новизна заключается в том, что нуклоны имеют форму поверхности Боя.

Поверхность Боя представляет собой замкнутую одностороннюю поверхность, имеющую топологию проективной плоскости, из которой «выкроены» 3 лепестка, являющиеся неотъемлемыми частями поверхности Боя [1].

Наглядное представление поверхности Боя:

Примечание. Данная модель нуклона является частью проективной модели строения материи, согласно которой все частицы обычной (не «темной») материи построены на основе замкнутых односторонних поверхностей: поверхность Боя служит керном всех частиц, входящих в класс адронов, а класс лептонов построен на основе односторонних сфер и торов: заряженные лептоны (электроны и позитроны) – на основе сфер, а нейтральные лептоны (нейтрино и антинейтрино) – на основе торов.

Существенным аргументом в пользу модели нуклона на основе поверхности Боя является вычисление магнитных моментов нуклонов. Модель указывает распределение масс, зарядов и спинов кварков по объему нуклона, что позволяет определить ось и частоту вращения нуклона. В свою очередь, зная положение оси и частоту вращения нуклона, можно вычислить величину кольцевых токов, которые создаются вращением кварковых зарядов вместе с вращением самих нуклонов, как целого: эти токи порождают магнитные моменты нуклонов [1].

Примечание. Чтобы приведенное в [1] вычисление магнитных моментов нуклонов действительно являлось вычислением «из первых принципов», осталось показать, что степень деформации нуклона за счет центробежных сил составляет 20%. При такой величине деформации, угловая скорость, которую придают нуклону спины 2-х кварков, вращающих нуклон в одном направлении, почти в 3 (а не в 2) раза превышает угловую скорость, которую придает кварк, вращающий нуклон в противоположном направлении. За счет увеличения результирующей частоты вращения нуклонов, вычисленные в [1] магнитные моменты достигают экспериментальных значений.

Поверхность Боя имеет чрезвычайно сложную форму, поэтому заменим ее на более простой геометрический объект: прямоугольный тетраэдр. Прямоугольная вершина тетраэдра соответствует тройной точке поверхности Боя (расположенной в нижней части рисунка), а вершины основания тетраэдра – вершинам 3-х лепестков (в верхней части).

Примечание. По отношению к рисунку, моделирующий поверхность Боя прямоугольный тетраэдр «смотрит» вершиной вниз. Соответствие форм данных 2-х объектов станет более явным, если рисунок сжать по вертикальной оси в (2-3) раза.

Модель нуклона в виде поверхности Боя (прямоугольного тетраэдра) позволяет не только вычислить магнитные моменты нуклонов, но и построить принципиально новую модель ядра. Основные положения этой модели рассмотрены в следующем разделе.

II. Алгоритм построения ядерных конструкций

Когда нуклоны осуществляют контакт друг с другом вершинами своих лепестков, находящиеся в вершинах кварки сближаются на расстояние (r), которое в (10-20) раз меньше радиуса нуклона. Положим этот коэффициент равным (14-15), тогда расстояние между кварками будет иметь величину r ~ (14-15)^-1*0,86 Фм ~ 0,06 Фм. На таком расстоянии энергия кулоновского взаимодействия между u-кварком и d-кварком равна Е ~ (1/3)*(2/3)*(е²/ℏс)*(ℏс)/r ~ (2/9)*(1/137)*(200 Мэв*Фм)/0,06 Фм ~ 5,4 Мэв, что в расчете на один кварк, составляет (1/2)*5,4 Мэв ~ 2,7 Мэв.

Если к этим двум кваркам добавить примерно одинаковое количество u-кварков и d-кварков, то дополнительная энергия притяжения разноименных кварков будет компенсирована энергией отталкивания одноименных кварков, вследствие чего удельная энергия кварков останется неизменной. Обозначая количество u-кварков и d-кварков буквами «n» и «m», данный объект будем именовать «(n,m)-узел». Это обозначение указывает, сколько кварков каждого из 2-х типов входит в состав данного узла.

В стабильных ядрах каждый нуклон встроен в (n,m)-узлы всеми тремя кварками, поэтому в расчете на один нуклон, удельная энергия связи атомных ядер должна иметь величину 3*2,7 Мэв ~ 8,1 Мэв, что совпадает со средней удельной энергией связи ядер. Это означает, что энергия связи атомных ядер может формироваться благодаря кулоновскому взаимодействию кварковых зарядов, собранных в (n,m)-узлы.

Соответственно, нет необходимости в сильном взаимодействии: его функцию выполняет кулоновское взаимодействие, интенсивность которого увеличена за счет сближения кварков соседних нуклонов на расстояние, много меньшее размеров нуклонов.

Для наглядного представления атомных ядер в виде конструкций, построенных путем соединения вершин оснований моделирующих форму нуклонов прямоугольных тетраэдров, введем вспомогательный геометрический объект – ядерный каркас.

При построении конструкций реальных ядер ядерный каркас выполняет функцию «строительных лесов»: каркас требуется для того, чтобы зафиксировать каждый тетраэдр-нуклон в нужном пространственном положении. Ядерный каркас строится из (воображаемых) правильных тетраэдров путем наложения граней. Размер граней выбирается равным основанию тетраэдров-нуклонов.

Алгоритм построения ядерного каркаса состоит в следующем.

Один правильный тетраэдр выбирается в качестве нулевой ячейки каркаса, после чего к четырем граням нулевой ячейки пристраиваются 4 точно такие же ячейки. Затем, к 3*4 = 12 свободным граням образовавшейся конструкции пристраиваются 12 новых ячеек, и данная процедура продолжается. Образованная с помощью данного алгоритма разветвленная конструкция, содержащая произвольное число присоединенных друг к другу всеми возможными способами ячеек, представляет собой ядерный каркас.

Все ядра, которые существуют или могут существовать в природе, получаются путем встраивания соответствующего числа протонов (Z) и нейтронов (N) в определенные ячейки ядерного каркаса.

Все ячейки каркаса можно пронумеровать, что позволяет составить нуклонную формулу ядра. Нуклонная формула показывает, в ячейки с какими номерами встроены протоны, а в какие ячейки – нейтроны.

Для полного описания конструкции атомных ядер одной нуклонной формулы недостаточно. Необходимо также указать, как расположены нуклоны в своих ячейках: в какие 3 вершины ядерного каркаса каждый из нуклонов вносит свои кварки. Поскольку кварки располагаются в вершинах оснований тетраэдров-нуклонов, то при встраивании нуклонов в ячейки каркаса (для этого основания тетраэдров должны быть совмещены с гранями ячейки), кварки непременно оказываются расположенными вокруг узлов каркаса.

Все узлы ядерного каркаса также можно пронумеровать, что позволяет записать кварковую формулу ядра. Кварковая формула показывает, вокруг каких узлов ядерного каркаса образовались (n,m)-узлы, и сколько u-кварков и d-кварков собралось вокруг каждого из этих узлов.

Нуклонная и кварковая формулы полностью определяют распределение массы, зарядов и спинов по ячейкам и узлам ядерного каркаса. Зная распределение этих 3-х величин по объему ядра, можно вычислить электрический и магнитный моменты ядра. Вычисления элементарны по своим физическим принципам, однако требуют 3-мерной графики и большой вычислительной работы. Несмотря на это, автор намерен в течение ближайших месяцев провести эти вычисления, по крайней мере, до ядра ¹⁸О.

Сравнение вычисленных значений электрических и магнитных моментов с известными величинами (а также величинами, которые только будут измерены) явится надежным критерием проверки правильности «тетраэдрной» модели атомных ядер.

III. Конструкция дейтрона

Исследование структуры дейтрона, как наиболее простого ядра, традиционно считается первым шагом, который необходимо сделать при проверке новой модели ядра.

Конструкция дейтрона строится следующим образом. Две поверхности Боя, изображающие протон и нейтрон, располагаются одна над другой так, чтобы выпуклая нижняя часть верхнего нуклона вставлялась в полость, образованную тремя лепестками в верхней части нижнего нуклона. Конструкция, получающаяся при совмещении данных частей 2-х поверхностей Боя, образует ядро ²Н.

Стабильность конструкции дейтрона обеспечивается не только контактом жестких кернов 2-х нуклонов, но также кулоновским притяжением 3-х пар противоположно заряженных кварков, которые расположены друг над другом. В каждой из этих пар кварки находятся друг от друга на расстоянии, равным примерно половине радиуса нуклона, т.е. в 14/2 ~ 7 раз дальше, чем в (n,m)-узлах. Это означает, что энергия связи нуклонов в дейтроне в расчете на один нуклон меньше средней удельной энергии связи ядер также в 7 раз, т.е. имеет величину (8 Мэв)/7 ~ 1,1 Мэв, что согласуется с опытом.

Данная модель объясняет не только величину удельной энергии связи дейтрона, но и значение спина S(²Н) = 1. В общепринятой модели данное значение спина объясняется тем, что межнуклонное взаимодействие зависит от ориентации спинов и при параллельных спинах имеет большую величину. Однако причина столь большого различия величины сильного взаимодействия при параллельных и антипараллельных спинах остается неизвестной.

В данной модели сильное взаимодействие вообще отсутствует, а одинаковое направление спинов нуклонов в дейтроне имеет чисто геометрическое объяснение.

В каждом нуклоне спины располагаются одинаковым образом по отношению к направленному отрезку, соединяющему вершину выпуклой части поверхности Боя с центром «ямки», образованной тремя лепестками. Объединение нейтрона и протона происходит таким образом, что эти отрезки располагаются на одной прямой, из чего следует, что в дейтроне спины протона и нейтрона параллельны: S(²Н) = 1/2 + 1/2 = 1.

Примечание. Чтобы дейтрон имел нулевой спин, поверхности Боя двух нуклонов должны быть повернуты друг к другу либо своими выпуклыми, либо вогнутыми частями, однако в этих положениях нуклоны не могут «зацепиться» друг за друга.

Несмотря на то, что составляющие дейтрон нуклоны образуют единую конструкцию, связь между протоном и нейтроном слабая, и они сохраняют возможность независимого вращения. Вследствие этого, магнитные моменты протона и нейтрона сохраняют свои значения, и магнитный момент дейтрона находится, как алгебраическая сумма магнитных моментов протона и нейтрона: µ(²Н) ~ µ_р + µ_n ~ + 0,88 µ₀.

Примечание. Отличие от экспериментального значения µ(²Н)_эксп ~ + 0,86 µ₀ объясняется сопротивлением, которое нуклоны оказывают вращению друг друга, что приводит к уменьшению их угловых скоростей примерно на 2%.

Отсутствие у конструкции дейтрона жесткости затрудняет строгое вычисление электрического квадрупольного момента, однако, при некоторых весьма естественных допущениях получается экспериментальное значение Q₀(²Н)_эксп ~ + 2,82 Фм².

Отмечу, что конструкция дейтрона является исключением из алгоритма, который описан в предыдущем разделе: только один из 2-х нуклонов вписывается в ячейку ядерного каркаса, тогда как второй нуклон не удовлетворяет этому условию. Однако уже следующие по сложности ядра ³Н и ³Не полностью подчиняются алгоритму: все нуклоны располагаются в ячейках ядерного каркаса.

Рассмотрению ядерных конструкций ³Н и ³Не будет посвящена следующая работа. Далее автор предполагает проводить последовательное и систематическое рассмотрение конструкций всех ядер по мере увеличения их атомного веса.

Заключение

В настоящее время форма нуклона считается сферической, однако, проведенные в последние годы разные типы экспериментов по измерению радиуса протона говорят о противном. В экспериментах получены разные значения радиуса, причем эти значения выходят за погрешность измерений: при разных условиях проведения экспериментов радиус протона имеет разные значения, что говорит о не сферичности нуклона. Соответственно, гипотеза о том, что нуклоны имеют форму поверхности Боя, имеет полное право на существование.

Примечание. Модель нуклонов (как и всех адронов) на основе поверхности Боя объясняет сам факт существования кварков, наличие дробных зарядов, кратных 1/3, а также невозможность существования в свободном состоянии (конфайнмент кварков). Первое свойство обусловлено тем, что кварки строятся из 3-х лепестков поверхности Боя, второе свойство – тем, что величина заряда определяется распределением по трем лепесткам связок проективных прямых, являющихся носителем единичного заряда, а конфайнмент является следствием изменения топологии «оторванного» лепестка поверхности Боя: из оторванных лепестков формируются частицы другого вида [1].

В данной работе сделан еще один шаг в понимании структуры нуклонов и ядер. Этот шаг заключается в утверждении, что нуклоны имеют форму поверхности Боя, а ядра представляют собой конструкции, построенные путем объединения вершин лепестков поверхности Боя.

Данная модель ядра обладает двумя важнейшими достоинствами:

1. позволяет вычислить электрические и магнитные моменты всех ядер,

2. объясняет все известные ядерные эффекты и предсказывает новые эффекты.

Модель позволяет построить конструкции атомных ядер, не вводя гипотезу о существовании сильного взаимодействия: его функцию выполняет кулоновское взаимодействие кварков соседних нуклонов, собранных в (n,m)-узлах. Энергия кулоновского взаимодействия достигает требуемой для объединения нуклонов величины за счет того, что в (n,m)-узлах кварки сближены на расстояние в сотые доли Фм.

Данная модель предлагает новые алгоритмы вычисления электрического и магнитного моментов ядер, что делает возможным ее экспериментальную проверку: требуется провести эти вычисления для возможно большего числа ядер и сравнить полученные величины с экспериментальными значениями.

Более того, модель дает качественное объяснение многим ядерным эффектам, природа которых до настоящего времени остается неизвестной. В качестве примера приведу наличие в ядрах многокварковых объектов, получивших название «флуктоны». Данное наименование предполагает, что многокварковые объекты возникают вследствие флуктуаций, при которых 2, 3 или даже 4 соседних нуклона приобретают повышенную энергию, за счет которой их поверхности «расплавляются» и находящиеся в них кварки образуют самостоятельный объект, содержащий 6, 9 или даже 12 кварков.

В тетраэдрной модели ядер многокварковыми образованиями являются (n,m)-узлы. В отличие от флуктонов, (n,m)-узлы являются не флуктуациями, а необходимыми структурными элементами ядер, без которых они не могли бы существовать.

Новая модель ядра может найти важное практическое применение: знание истинной структуры атомных ядер позволяет указать ядра, которые – при определенных условиях – смогут вступать в реакции при нормальной температуре. Выявление этих условий откроет прямой путь к овладению холодным ядерным синтезом.

Выводы

1. Центральный керн нуклона имеет форму поверхности Боя.

2. Три кварка образуются в 3-х лепестках поверхности Боя.

3. Масса кварка распределена по лепестку поверхности Боя равномерно, а заряд и спин сосредоточены в вершине лепестка.

4. Данное распределение масс, зарядов и спинов определяет величину магнитных моментов нейтрона и протона.

5. Ядра образуются в результате объединения вершин лепестков поверхностей Боя, что приводит к объединению кварков в (n,m)-узлы, выполняющие функцию креплений, удерживающих нуклоны в атомных ядрах.

6. Ядерные конструкции получаются путем встраивания моделирующих форму поверхности Боя прямоугольных тетраэдров-нуклонов в ячейки ядерного каркаса, построенного из правильных тетраэдров путем наложения граней.

7. Нуклонная и кварковая формулы ядра определяют, как распределены массы, заряды и спины по ячейкам и узлам ядерного каркаса, что определяет величину электрического и магнитного моментов ядер.

8. Конструкция дейтрона получается путем совмещения выпуклых и вогнутых частей поверхностей Боя протона и нейтрона.

9. Существование в ядрах (n,m)-узлов давно подтверждено экспериментально, только ранее они интерпретировались, как «флуктоны».

10. Тетраэдрная модель атомных ядер может найти важное практическое применение для овладения холодным ядерным синтезом.

ЛИТЕРАТУРА

1. 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»]