Магнитные моменты барионов в двухзонной модели вихря Кельвина–Фойгта

Дмитрий Лосинец · Март 2026

Аннотация. В работе развито самосогласованное расширение механической аналогии Кельвина–Фойгта (К–Ф) для уравнений Максвелла, строго выведенной в A1, на описание магнитных моментов барионов. Каждый нуклон моделируется единственным вихрем типа Хилла, состоящим из компактной внутренней зоны (ядро, радиус $r_c$) и протяжённой внешней зоны (мантия, внешний радиус $r_m$), параметры которых фиксируются данными электронного рассеяния по распределению заряда. В рамках К–Ф модели электрический заряд вихревого кольца есть нормированный на массу инвариант циркуляции $Q={\rho }_0{r}_0\Gamma$; магнитный момент выводится из периферийной скорости вихревого ядра. Условие равных зарядов даёт беспараметрическое соотношение между отношением магнитных моментов и геометрическим отношением размеров двух зон, находящееся в количественном согласии с экспериментом. Модель распространена на сектор гиперонов: сформулировано фальсифицируемое предсказание для магнитного формфактора $\Lambda$, показано, что триплет $\Sigma$ требует независимых данных о распределении заряда, а дублет $\Xi$ оказывается несовместим с условием равных зарядов при К–Ф соглашении о знаках; в отличие от случая $\Sigma$, где неудача носит количественный характер, система $\Xi$ вообще не имеет физического решения. Разработаны конкретные предложения по экспериментальной проверке. Как паспорт нуклона в единой механической программе, статья дополнительно фиксирует канон плотности сжатого кора ${\rho }_{\mathrm{core}}=\gamma p_0/c^2$ (вириальная плотность нуклона), берущийся входом в статьях о гравитации и ядерном взаимодействии. Подход является феноменологическим и не претендует на фундаментальность, однако обладает значительным потенциалом для учебных применений.

1. Введение

Экспериментальные исследования рассеяния электронов на нуклонах [1, 2], включая пионерские работы Хофштадтера и обзор Шоппера [3], выявили сложную внутреннюю структуру протона и нейтрона, свидетельствующую о наличии компактного ядра («кернеля») и протяжённой оболочки («мантии») [4]. Стандартная интерпретация этих данных опирается на кварковую модель.

В настоящей работе предлагается альтернативный феноменологический подход, основанный на механической аналогии Кельвина–Фойгта для уравнений Максвелла, строго выведенной в A1. В этом формализме разреженный ансамбль компактных вихревых колец в К–Ф вязкоупругой среде (в несжимаемом приближении поперечного/зарядового сектора; продольная сжимаемость существенна лишь внутри сжатого кора нуклона, см. §3) подчиняется уравнениям, формально тождественным уравнениям Максвелла; электрический заряд отождествляется с нормированным на массу инвариантом циркуляции $Q={\rho }_0{r}_0\Gamma$. Ключевым развитием, представленным здесь, является самосогласованное расширение этого формализма от описания макроскопических электромагнитных полей к моделированию внутренних свойств частиц — в частности, магнитных моментов нуклонов. Цель работы — построить интуитивно понятную и математически самосогласованную модель, способную служить мостом между классическими и квантовыми понятиями в учебном процессе.

Место в единой картине. Настоящая работа — часть программы, в которой одна классическая сплошная среда (сжимаемый слабовязкий эфир) механически порождает все охваченные явления. Программа держит пять принципов: (Т1) достаточность классической механики среды; (Т2) сохранение локальности и реализма; (Т3) допустимость далеко-засверхсветового, но конечного причинного взаимодействия через продольный сектор среды ($c_s\gg c$); (Т4) отсутствие искривления пространства-времени (гравитация — втекание среды, не геометрия); (Т5) реальность замедления процессов и сжатия/растяжения среды (лоренц-эфирная, эмерджентная лоренц-инвариантность). Данная статья задаёт паспорт нуклона: канонически — зарядовую структуру (знак заряда $=$ знак дивергенции циркуляции, §4) и магнитные моменты барионов, и вводит канон плотности сжатого кора ${\rho }_{\mathrm{core}}=\gamma p_0/c^2$ (§3), берущийся входом в статьях о гравитации (A2) и ядерном взаимодействии (A4). Входом из электромагнитной статьи (A1) берутся: среда и два её сектора, объект (вихрь Хилла), словарь полей и заряд-циркуляция $Q={\rho }_0{r}_0\Gamma$. Принципы Т2–Т4 используются как совместимый фон; Т5 реализуется как реальное сжатие кора ($c_s\to c$ внутри нуклона, снятие «стены Маха»). Величины $G$, ${\ell }_{\mathrm{vac}}$, $\alpha$, $\hslash$-масштаб остаются физическими коэффициентами; отождествление ${\Gamma }_0=h/m$ и механизм квантования отложены в статью о квантовом слое (A6).

Состав серии. Настоящая работа — A3 программы из двенадцати статей; краткие адреса A0–A11 используются далее по тексту как ссылки на них:

• A0 основания среды: онтология, паспорт, метод A0;
• A1 электромагнетизм как линейный отклик среды A1;
• A2 гравитация как квадратичный отклик и шов с ЭМ A2;
• A3 нуклон: строение, заряд, магнитный момент A3 (эта статья);
• A4 ядерное взаимодействие и дейтрон A4;
• A5 сложные ядра A5;
• A6 квантовый слой A6;
• A7 фотон A7;
• A8 специальная теория относительности A8;
• A9 электрон и классы вихрей A9;
• A10 термодинамика среды A10;
• A11 космология среды A11.

Дисциплина ссылок в серии: ссылка назад берёт названный результат ранней статьи как вход; ссылка вперёд — только указатель («механизм — в A6»), за нужным результатом она не отсылает. Канонический вывод каждой величины живёт ровно в одной статье, остальные берут её названным входом.

2. Теоретические основы модели

2.1 Математический аппарат

Основой модели служит К–Ф механическая аналогия из A1, в которой квантовый вакуум трактуется как вязкоупругая среда Кельвина–Фойгта, поддерживающая компактные квантованные вихревые кольца [6]. Два центральных результата A1, используемых здесь:

• Электрический заряд вихревого кольца есть нормированный на массу инвариант циркуляции

$$Q={\rho }_0{r}_0\Gamma ,$$

где ${\rho }_0$ — плотность среды, $r_0$ — радиус вихревого ядра, $\Gamma$ — циркуляция, сохраняемая теоремой Кельвина. Для компактного тороидального вихря, ядро которого вращается с угловой скоростью $\omega$, циркуляция вокруг ядра равна $\Gamma =2\pi r_0^2\omega$, так что

$$Q=2\pi {\rho }_0{r}_0^3\omega =\frac{3}{2}{\rho }_{0}V\omega ,$$

где $V\sim \frac{4}{3}\pi r_0^3$ — объём вихревого ядра, а числовой предмножитель зависит от точной геометрии вихря. Уравнение (2) показывает, что К–Ф заряд пропорционален произведению плотности среды, объёма вихря и угловой скорости — размерная структура, используемая на протяжении всей статьи.

• Магнитный момент. Магнитный момент контура с током $I$ и площадью $A$ равен $\mu =IA$. В К–Ф аналогии заряд вихревого кольца переносится элементами жидкости в ядре, вращающимися с угловой скоростью $\omega$. Для компактного тора (${\rho }_{\mathrm{ring}}\sim r_0$) каждый элемент совершает оборот по орбите радиуса ${\rho }_{\mathrm{ring}}$ с той же частотой $\omega /(2\pi )$, так что «ток» равен $I=Q\omega /(2\pi )$, а охватываемая площадь $A=\pi {\rho }_{\mathrm{ring}}^2$. При ${\rho }_{\mathrm{ring}}\sim r_0$:

$$\mu ={\rho }_{0}V(\omega r_0{)}^2,$$

где $\omega r_0$ — периферийная скорость на границе вихревого ядра. Это выражение подчёркивает единый механизм, порождающий заряд и магнитный момент через вращение вихря: заряд масштабируется как $\omega$ (ур. (2)), магнитный момент — как ${\omega }^2{r}_0^2$ (ур. (3)).

Замечание о соглашении о знаках. Уравнение (3) даёт модуль магнитного момента. Знак $\mu$ вдоль оси спина нуклона определяется спиральностью циркуляции: вихрь с $\Gamma >0$ (против часовой стрелки при взгляде вдоль оси $+z$) даёт положительный ${\mu }_z$, а обращение циркуляции ($\Gamma \to -\Gamma$) меняет знак ${\mu }_z$. Знаковая формула имеет вид

$$\mu =\mathrm{sign}(\Gamma )\cdot {\rho }_{0}V(\omega r_0{)}^2,$$

где $\omega =|\Gamma |/(2\pi r_0^2)>0$ по определению. Это соглашение лежит в основе аддитивных правил ${\mu }_p={\mu }_c+{\mu }_m$ (обе зоны со-вращаются) и ${\mu }_n=-{\mu }_c+{\mu }_m$ (зона ядра инвертирована), используемых в разделе 5.1.

Замечание о порядке приближения. Уравнения (2) и (3) трактуют каждую зону как равномерно вращающееся тело, характеризуемое единственной представительной угловой скоростью (${\omega }_c$ или ${\omega }_m$) и соответствующим внешним радиусом. Для реального вихря с плавным профилем циркуляции поправки к приближению равномерного вращения имеют относительный порядок $r_c/r_m\approx 0,19$. Неопределённость геометрического отношения $r_m/r_c$ по данным о распределении заряда эпохи Хофштадтера составляет $\delta (r_m/r_c)/(r_m/r_c)\approx 23\%$ (ур. (16)), что превышает погрешность приближения. Оценка в ведущем порядке равномерного вращения, таким образом, согласована с точностью имеющихся экспериментальных данных, и поправки высшего порядка не требуются.

Замечание о размерностях. В единицах К–Ф модели формула (3) имеет размерность энергии:

$${\mu }_{\mathrm{KV}}=I_{\mathrm{KV}}\cdot A=\underset{I_{\mathrm{KV}}}{\underbrace{[\mathrm{kg}{\mathrm{s}}^{-2}]}}\cdot \underset{A}{\underbrace{[{\mathrm{m}}^2]}}=\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^2{\mathrm{s}}^{-2}=\mathrm{J},$$

где единица К–Ф тока kg,s${}^{-2}$ взята из таблицы соответствий A1 (строка «Ток $I$»). Применение преобразования $I_{\mathrm{SI}}=R{I}_{\mathrm{KV}}$ (где $R={\tau }_{\mathrm{KV}}={\eta }_0/G$ — время релаксации Кельвина–Фойгта, также из той же таблицы) даёт

$${\mu }_{\mathrm{SI}}=I_{\mathrm{SI}}\cdot A=R{I}_{\mathrm{KV}}\cdot A=R{\mu }_{\mathrm{KV}},[R{\mu }_{\mathrm{KV}}]=\mathrm{s}\cdot \mathrm{J}=\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^2{\mathrm{s}}^{-1}\to \mathrm{A}{\mathrm{m}}^2,$$

где последний шаг следует из соотношения СИ $1\mathrm{A}=1\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^2{\mathrm{s}}^{-3}{\mathrm{V}}^{-1}$ в рамках К–Ф электромагнитного соответствия, установленного в A1. Поскольку $R$ — одна и та же константа для всех зон одного и того же нуклона, она тождественно сокращается во всех безразмерных отношениях. Уравнение (3) используется исключительно для вывода отношений вида ${\mu }_c/{\mu }_m$; абсолютные значения в ядерных магнетонах ${\mu }_N$ берутся непосредственно из эксперимента через систему (11).

2.2 Ключевые допущения модели

Двухзонная структура, принятая в работе, непосредственно мотивирована самим К–Ф формализмом. Сферический вихрь Хилла — прототипное решение, используемое в A1, — включает две гидродинамически различные области: внутреннее ядро с ненулевой завихрённостью $\mathbf{\omega }=\nabla \times \mathbf{u}\ne 0$ (ротационная область, характерный радиус $r_c$) и внешнюю безвихревую область ($\mathbf{\omega }=0$), которая тем не менее несёт циркуляцию и хранит К–Ф упругую энергию (мантия, внешний радиус $r_m$). Нуклон моделируется единственным таким вихрем; его две зоны непосредственно соответствуют экспериментально наблюдаемому двухмасштабному распределению заряда.

1. Нуклон описывается единственным вихрем типа Хилла. Его внутренняя зона (ядро, радиус $r_c\sim 0,25\text{фм}$) и внешняя зона (мантия, внешний радиус $r_m\sim 1,3\text{фм}$) (Зонные радиусы $r_c\approx 0,25$ фм и $r_m\approx 1,3$ фм — параметры распределения заряда (двухзонная подгонка данных Хофштадтера). Их не следует смешивать: (i) с конструктом сектора массы $r_c^{(D)}=(2/3)r_e\approx 1,88$ фм («D-кор», открытая граница §6); (ii) с rms-зарядовым радиусом протона $\approx 0,84$ фм, который согласуется с настоящим двухзонным профилем как среднеквадратичный радиус распределения, простирающегося до $r_m\approx 1,3$ фм.) несут вклады в заряд и магнитный момент $Q_c$, ${\mu }_c$ и $Q_m$, ${\mu }_m$ соответственно. Эта двухмасштабная структура отчётливо видна в данных о распределении заряда, полученных из экспериментов по рассеянию электронов (см. рис. 2.2).
2. Вклады от каждой зоны вычисляются из ур. (2) и (4) как оценки ведущего порядка, трактуя каждую зону как равномерно вращающееся тело с представительной угловой скоростью ${\omega }_c$ или ${\omega }_m$. Приближение обосновано с точностью имеющихся данных (см. замечание о приближении в разделе 2.1).
3. Переход протон–нейтрон соответствует обращению вращения зоны ядра (${\omega }_c\to -{\omega }_c$, или эквивалентно ${\Gamma }_c\to -{\Gamma }_c$) при неизменной зоне мантии.
4. Геометрические параметры $r_c$ и $r_m$ фиксируются экспериментальными данными о распределении заряда [4, 5], что обеспечивает самосогласованность модели.

Замечание об устойчивости. Сферический вихрь Хилла — известное стационарное решение несжимаемых уравнений Эйлера [6]; моды деформации формы стабилизируются К–Ф упругой возвращающей силой на масштабе модуля сдвига $G\sim \rho {\Gamma }^2/r_c^2$, выведенного в A1. Устойчивость двухзонного профиля циркуляции против перераспределения циркуляции между ядром и мантией аналитически здесь не рассматривается и остаётся открытой задачей для будущих работ.

Замечание о сжимаемости и согласовании с A1. Несжимаемость уравнений Эйлера здесь — приближение поперечного (зарядового) сектора среды; продольная сжимаемость существенна только во внутреннем коре (канон ${\rho }_{\mathrm{core}}$, §3) и не влияет на линейный расчёт заряда и магнитного момента. В несущей картине программы среда — вихревая губка (жёсткая связная сеть колец, а не регулярная решётка), а поперечная волна — её коллективная мода; модуль сдвига $G\sim \rho {\Gamma }^2/r_c^2$ согласуется по порядку величины с форм-модулем ядра $G_{\mathrm{shape}}=\frac{27}{175}\rho {\Gamma }^2/r_0^2$ из A1 (числовой предмножитель зависит от геометрии; здесь удержан лишь порядок величины).

Замечание о квантовании спина. Возникновение полуцелого спина $J=\hslash /2$ требует квантования углового момента вихря. В рамках сверхтекучей аналогии дискретизация $\Gamma =nh/m$ (Онсагер–Фейнман, см. A1, [6]; квант среды $m$ — отложенное в A6 отождествление ${\Gamma }_0=h/m$, не масса протона) дискретизирует заряд; соответствующее квантование углового момента $L={\rho }_0\Gamma \pi r_0^2$ в единицах $\hslash /2$ остаётся открытой задачей, отложенной на будущее.

Схема поперечного сечения двухзонной модели нуклона (вид вдоль оси симметрии; масштаб не соблюдён). Красный круг: зона ядра (радиус $r_c\approx 0,25\text{фм}$); синее кольцо: зона мантии (внешний радиус $r_m\approx 1,3\text{фм}$). Обе зоны принадлежат единственному вихрю типа Хилла. Дуговые стрелки указывают направление вращения каждой зоны. Протон: обе зоны вращаются в одну сторону, каждая несёт заряд $+e/2$. Нейтрон: вращение зоны ядра инвертировано ($Q_c=-e/2$, $Q_m=+e/2$), что даёт нулевой суммарный заряд и магнитный момент ${\mu }_n=-{\mu }_c+{\mu }_m=-1,91{\mu }_N$.

(схема — в PDF-версии статьи)

Экспериментальные данные о распределении электрического заряда в протоне (слева) и нейтроне (справа). По вертикальной оси — нормированная плотность заряда; по горизонтальной — радиальное расстояние от центра.

3. Канон сжатого кора: вириальная плотность ${\rho }_{\mathrm{core}}$ и снятие стены Маха

Внутренняя зона нуклона — область реального сжатия среды (принцип Т5 программы: среда действительно уплотняется, а не искривляет геометрию). Среда двухсекторна: поперечный (световой) сектор со скоростью $c=\sqrt{G/{\rho }_0}$ ($G={\rho }_0{c}^2$ — сдвиговый модуль среды, A1) и продольный сектор со скоростью $c_s\approx 1,26\cdot 10^{23}\text{м/с}$ ($c_s\gg c$ на $\sim 15$ порядков; число вводится в электромагнитной статье A1). В продольном секторе среда сжимаема; радиальное равновесие самосвязанного вихря поднимает локальную плотность кора до вириального значения

$${\rho }_{\mathrm{core}}=\gamma \frac{p_0}{c^2},p_{0}V\sim m_p{c}^2,$$

где $p_0$ — внутреннее давление нуклона, $V$ — его объём, $\gamma$ — показатель адиабаты, $m_p$ — масса протона. Отождествление $p_{0}V\sim m_p{c}^2$ — вириальная теорема для самосвязанного вихря: полная энергия покоя набирается упругой и кинетической энергией сжатого кора.

Снятие «стены Маха». Компактный вихрь Хилла с периферийной скоростью ${\omega }_c{r}_c$ был бы сверхзвуковым относительно невозмущённой скорости продольных возмущений, что запретило бы стационарное решение. Сжатие снимает этот барьер: внутри кора локальная скорость продольных возмущений падает, $c_s\to c$, так что циркуляция остаётся дозвуковой относительно локального значения. Именно сжатый кор делает вихревую модель нуклона внутренне непротиворечивой.

Статус. Формула (7) — канонический выход настоящей статьи: она берётся входом в амплитуде втекания среды (гравитация, A2) и в масштабе давления зазора Бернулли (ядерное взаимодействие, A4). Сам фм-масштаб кора ($r_c$) из первых принципов не выводится и остаётся физическим входом — несущая открытая стена программы («D-кор», §6).

4. Зарядовая структура: заряд как инвариант циркуляции

Заряд в настоящей картине — не самостоятельная сущность, а инвариант циркуляции вихря, взятый входом из электромагнитной статьи программы A1:

$$Q={\rho }_0{r}_0\Gamma$$

(тождественно ур. (1)). Отсюда три структурных утверждения паспорта нуклона.

Одно число. Модуль заряда любого вида задаётся единственным инвариантом ${\rho }_0{r}_0\Gamma$. При квантовании циркуляции $\Gamma =n{\Gamma }_0$ (эмпирический вход A1: Vinen 1961, Rayfield–Reif 1964 [6]; отождествление ${\Gamma }_0=h/m$ отложено в статью о квантовом слое A6) элементарный заряд отвечает $n=1$. Дискретность заряда, таким образом, наследует дискретность циркуляции, а не постулируется отдельно.

Знак. Знак заряда есть ориентация циркуляционного контура — при сшивке со средой знак дивергенции поля смещения $\nabla \cdot \mathbf{u}$. В двухзонной модели это отображается на знак ${\Gamma }_c$: у протона обе зоны со-вращаются ($Q_c,Q_m>0$), у нейтрона ядро инвертировано ($Q_c<0$), что использовано в системе (9) и даёт механическую картину изоспина ($I_3\leftrightarrow \mathrm{sign}{\Gamma }_c$).

Зажим (постулат). Отождествление наблюдаемого элементарного заряда $e$ с единичным инвариантом ($n=1$) содержит один нормировочный зажим — условно «$r=1$»: связь между геометрическим радиусом зарядового ядра и калибром заряда фиксируется единственным условием, а не выводится. Здесь это постулат — честная несущая стена (вершинные симметрии и сектор самоэнергии $r_e$ остаются открытыми границами, §6).

5. Параметры модели, самосогласованность и расширение на гипероны

5.1 Система уравнений для магнитных моментов

Протон несёт суммарный заряд $+e$; нейтрон — нулевой суммарный заряд. В рамках К–Ф формализма переход протон–нейтрон — это инверсия вращения только зоны ядра при неизменной зоне мантии. Эти два условия совместно с гипотезой инверсии одной зоны дают линейную систему

$$Q_c+Q_m=e(\text{протон}),-Q_c+Q_m=0(\text{нейтрон}),$$

с единственным решением $|Q_c|=|Q_m|=e/2$: каждая зона несёт ровно половину элементарного заряда. Используя К–Ф формулу для заряда (2), условие равных зарядов принимает вид:

$$|Q_c|=|{\rho }_0{r}_c{\Gamma }_c|=\frac{e}{2},|Q_m|=|{\rho }_0{r}_m{\Gamma }_m|=\frac{e}{2},$$

т.е. $r_c{\Gamma }_c=r_m{\Gamma }_m$ (при фиксированном ${\rho }_0$). Знаки различаются у протона и нейтрона: у протона обе зоны вращаются в одну сторону ($Q_c>0$, $Q_m>0$); у нейтрона они противоположны ($Q_c<0$, $Q_m>0$), что даёт нулевой суммарный заряд.

В рамках К–Ф формализма это знаковое назначение приобретает естественную геометрическую интерпретацию: квантовое число изоспина ($I_3=+\frac{1}{2}$ у протона, $I_3=-\frac{1}{2}$ у нейтрона) непосредственно отображается на знак циркуляции ядра ${\Gamma }_c$, тогда как циркуляция мантии ${\Gamma }_m>0$ остаётся неизменной. Это отождествление даёт механическую картину изоспина в рамках вихревой модели.

Аддитивные правила ${\mu }_p={\mu }_c+{\mu }_m$ (протон, обе циркуляции сонаправлены) и ${\mu }_n=-{\mu }_c+{\mu }_m$ (нейтрон, ядро инвертировано), объединённые с экспериментальными значениями, дают систему:

$$\{\begin{array}{l}{\mu }_c+{\mu }_m=2,79{\mu }_N,\\ -{\mu }_c+{\mu }_m=-1,91{\mu }_N,\end{array}$$

Единственное решение: ${\mu }_c=2,35{\mu }_N$ и ${\mu }_m=0,44{\mu }_N$. Таблица 1 обобщает параметры зон.

Вычисленные параметры двух зон в рамках модели.

Компонент	Заряд ($e$)	$\mu /{\mu }_N$	Радиус (фм)
Ядро	$+0,5$ (п), $-0,5$ (н)	$2,35$	$0,25$
Мантия	$+0,5$	$0,44$	$1,3$

Магнитный момент нейтрона равен

$${\mu }_n=-{\mu }_c+{\mu }_m=-2,35+0,44=-1,91{\mu }_N,$$

воспроизводя экспериментальное значение включая знак.

5.2 Проверка самосогласованности

Критерием отбора служит согласие с экспериментальным отношением радиусов $r_m/r_c\approx 5,2$ [4, 5]. Из формулы для магнитного момента (3): $\mu \sim {\rho }_{0}V{\omega }^2{r}_0^2\sim {\rho }_0{r}_0^5{\omega }^2$. Исключая $\omega$ с помощью $\Gamma =2\pi r_0^2\omega$, получаем

$$\mu \propto \frac{{\rho }_0{\Gamma }^2{r}_0}{4{\pi }^2}.$$

Следовательно,

$$\frac{{\mu }_c}{{\mu }_m}=\frac{{\Gamma }_c^2{r}_c}{{\Gamma }_m^2{r}_m}.$$

Применяя условие равных зарядов $r_c{\Gamma }_c=r_m{\Gamma }_m$, т.е. ${\Gamma }_c/{\Gamma }_m=r_m/r_c$:

$$\frac{{\mu }_c}{{\mu }_m}={\left(\frac{r_m}{r_c}\right)}^2\cdot \frac{r_c}{r_m}=\frac{r_m}{r_c}.$$

Таким образом, модель предсказывает, что отношение магнитных моментов равно отношению радиусов вихрей: ${\mu }_c/{\mu }_m=r_m/r_c\approx 5,2$.

Замечание об области применимости ур. (15). Уравнение (14) содержит ${\Gamma }_c^2$ и ${\Gamma }_m^2$ (квадраты), поэтому вывод нечувствителен к относительным знакам циркуляций. Следовательно, ур. (15) выполняется как соотношение для модулей $|{\mu }_c|/|{\mu }_m|=r_m/r_c$ независимо от того, со-вращаются зоны или противовращаются. Это расширяет его применимость на секторы $\Lambda$ и $\Xi$ (разделы 5.3–5.5), где условие равных зарядов для нейтрального бариона вынуждает циркуляции разных знаков.

Предсказанное значение ${\mu }_c/{\mu }_m=2,35/0,44\approx 5,34$ согласуется с геометрическим отношением $r_m/r_c=5,2\pm 1,2$ (см. ниже), подтверждая расширение К–Ф формализма на магнитные моменты.

Замечание о неопределённостях. Отношение магнитных моментов ${\mu }_c/{\mu }_m=5,34$ получено из ${\mu }_p=2,7928{\mu }_N$ и ${\mu }_n=-1,9130{\mu }_N$, известных с точностью лучше $10^{-4}{\mu }_N$; его неопределённость пренебрежимо мала. Геометрическое отношение $r_m/r_c$, напротив, извлекается из феноменологической двухкомпонентной подгонки данных электронного рассеяния эпохи Хофштадтера [4, 5]; характерные масштабы $r_c\approx 0,25\text{фм}$ и $r_m\approx 1,3\text{фм}$ несут неопределённости порядка $\delta r_c\approx 0,05\text{фм}$ и $\delta r_m\approx 0,15\text{фм}$ (оценено по разбросу между различными анализами). Распространение погрешностей даёт

$$\delta \left(\frac{r_m}{r_c}\right)\approx \frac{r_m}{r_c}\sqrt{{\left(\frac{\delta r_c}{r_c}\right)}^2+{\left(\frac{\delta r_m}{r_m}\right)}^2}\approx 5,2\times \sqrt{0,04+0,013}\approx 1,2,$$

так что $r_m/r_c=5,2\pm 1,2$. Предсказанное значение $5,34$ лежит в этом диапазоне, подтверждая самосогласованность, однако сравнение ограничено геометрической неопределённостью, а не точностью данных о магнитных моментах.

Контринтуитивный результат ${\mu }_c>{\mu }_m$ несмотря на $r_c<r_m$ имеет прозрачную физическую интерпретацию. Условие равных зарядов $r_c{\Gamma }_c=r_m{\Gamma }_m$ вынуждает меньший вихрь вращаться быстрее: ${\Gamma }_c/{\Gamma }_m=r_m/r_c\approx 5,2$. Поскольку $\mu \propto {\Gamma }^2{r}_0$, выигрыш от повышенной циркуляции перевешивает потери от уменьшенного размера, давая ${\mu }_c\propto {\Gamma }_c^2{r}_c\propto r_m^2/r_c>{\mu }_m\propto {\Gamma }_m^2{r}_m$. Механизм аналогичен фигуристу, прижимающему руки: уменьшение радиуса вихря при фиксированном заряде (гидродинамический угловой импульс $r_0\Gamma$) ускоряет циркуляцию и непропорционально усиливает магнитный момент.

5.3 Проверяемое предсказание: гиперон $\Lambda$

Предсказание ${\mu }_c/{\mu }_m=r_m/r_c$ (ур. (15)) приобретает новое содержание при применении к гиперону $\Lambda$ ($J^P={\frac{1}{2}}^{+}$, $S=-1$, ${\mu }_{\Lambda }=-0,613{\mu }_N$ [8]). Поскольку $\Lambda$ — изоспиновый синглет ($I=0$) без заряженного партнёра, суммарный магнитный момент даёт лишь одно ограничение на две зоны. Так как $Q_{\Lambda }=0$, условие равных зарядов требует зарядов противоположных знаков: $Q_c=-Q_m$ при $|Q_c|=|Q_m|$. Существует двузначность знакового назначения:

• (A) $Q_c=-e/2$, $Q_m=+e/2$ (ядро отрицательное, мантия положительная): ${\mu }_{\Lambda }=-{\mu }_c(\Lambda )+{\mu }_m(\Lambda )$;
• (B) $Q_c=+e/2$, $Q_m=-e/2$ (ядро положительное, мантия отрицательная): ${\mu }_{\Lambda }={\mu }_c(\Lambda )-{\mu }_m(\Lambda )$.

Наблюдаемое ${\mu }_{\Lambda }<0$, в сочетании с ${\mu }_c>{\mu }_m$ (что следует из $r_m>r_c$ через ур. (15)), однозначно выбирает вариант (A): только $-{\mu }_c+{\mu }_m<0$, тогда как (B) даёт ${\mu }_c-{\mu }_m>0$, что противоречит эксперименту. Это даёт:

$${\mu }_{\Lambda }=-{\mu }_c(\Lambda )+{\mu }_m(\Lambda )=-0,613{\mu }_N.$$

Система является недоопределённой: ${\mu }_c(\Lambda )$ и ${\mu }_m(\Lambda )$ не могут быть фиксированы из этого уравнения одного. Вместо того чтобы замкнуть её ad hoc предположением, мы признаём эту недоопределённость непосредственным указанием на то, что должно быть измерено.

Модель предсказывает, что два независимо доступных наблюдаемых должны быть равны:

$$\frac{{\mu }_c(\Lambda )}{{\mu }_m(\Lambda )}=\frac{r_m(\Lambda )}{r_c(\Lambda )}.$$

Левая часть доступна из пространственного профиля распределения намагниченности $\Lambda$, закодированного в магнитном формфакторе Закса $G_M^{(\Lambda )}(Q^2)$ при больших $Q^2$; правая часть доступна из распределения заряда, закодированного в $G_E^{(\Lambda )}(Q^2)$. Эти два формфактора измеряются независимо в одном и том же эксперименте по рассеянию $e\Lambda$. Время жизни $\Lambda$ ($c\tau \approx 7,89\text{см}$) достаточно для конфигураций с пучком гиперонов или вторичной мишенью, делая такие измерения экспериментально доступными на будущих установках, таких как PANDA на FAIR — в отличие от барионов $\Xi$, для которых время жизни и поперечное сечение образования представляют дополнительные экспериментальные трудности (раздел 5.5). Уравнение (18) совместно с ур. (17) тогда однозначно определяет зональные моменты:

$${\mu }_m(\Lambda )=\frac{0,613}{x-1},{\mu }_c(\Lambda )=\frac{0,613x}{x-1},x\equiv \frac{r_m(\Lambda )}{r_c(\Lambda )}.$$

После измерения $x$ оба зональных момента предсказываются без свободных параметров. Равенство (18) составляет нетривиальное содержание модели: оно может не выполняться, и его нарушение фальсифицировало бы двухзонный анзац равных зарядов для $\Lambda$.

Как численную иллюстрацию, таблица 2 показывает предсказанные зональные моменты для двух гипотетических значений $x$. Если геометрия вихря $\Lambda$ схожа с нуклонной ($x\approx 5,2$), то ${\mu }_m(\Lambda )\approx 0,145{\mu }_N$ и ${\mu }_c(\Lambda )\approx 0,758{\mu }_N$; если структура более компактна ($x\approx 3$), то ${\mu }_m(\Lambda )\approx 0,307{\mu }_N$ и ${\mu }_c(\Lambda )\approx 0,920{\mu }_N$. Эти два сценария предсказывают качественно различные пространственные профили плотности намагниченности и в принципе различимы по $Q^2$-зависимости $G_M^{(\Lambda )}(Q^2)$.

Предсказанные зональные магнитные моменты гиперона $\Lambda$ как функция геометрического отношения $x=r_m(\Lambda )/r_c(\Lambda )$, при ${\mu }_{\Lambda }=-0,613{\mu }_N$ и ур. (17)–(19).

$x=r_m/r_c$	${\mu }_c(\Lambda )/{\mu }_N$	${\mu }_m(\Lambda )/{\mu }_N$
$3,0$	$0,920$	$0,307$
$4,0$	$0,817$	$0,204$
$5,2$ (как нуклон)	$0,758$	$0,145$
$7,0$	$0,716$	$0,102$

5.4 Расширение на изоспиновый триплет $\Sigma$

Барионы $\Sigma$ ($I=1$, $J^P={\frac{1}{2}}^{+}$) образуют изоспиновый триплет: ${\Sigma }^{+}$ (заряд $+e$), ${\Sigma }^0$ (заряд $0$) и ${\Sigma }^{-}$ (заряд $-e$). Их точно измеренные магнитные моменты [8]: ${\mu }_{{\Sigma }^{+}}=+2,458{\mu }_N$ и ${\mu }_{{\Sigma }^{-}}=-1,160{\mu }_N$.

В отличие от изоспинового дублета нуклона (шаг $\Delta I_3=1$), триплет $\Sigma$ охватывает $\Delta I_3=2$ от ${\Sigma }^{+}$ до ${\Sigma }^{-}$. В лестничной схеме К–Ф каждый единичный шаг по $I_3$ инвертирует одну компоненту: первый шаг (${\Sigma }^{+}\to {\Sigma }^0$, ядро инвертировано) даёт заряды $(-e/2,+e/2)$ и нулевой суммарный; второй шаг (${\Sigma }^0\to {\Sigma }^{-}$, мантия инвертирована) даёт заряды $(-e/2,-e/2)$ и суммарный $-e$. Применяя схему двойной инверсии непосредственно к паре ${\Sigma }^{+}/{\Sigma }^{-}$:

$${\mu }_{{\Sigma }^{+}}={\mu }_c^{(\Sigma )}+{\mu }_m^{(\Sigma )}=2,458{\mu }_N,{\mu }_{{\Sigma }^{-}}=-{\mu }_c^{(\Sigma )}-{\mu }_m^{(\Sigma )}=-1,160{\mu }_N.$$

Эти два уравнения несовместны ($2,458\ne 1,160$), что указывает на то, что двухзонный анзац равных зарядов нуклонного сектора не переносится напрямую на триплет $\Sigma$. Это физически ожидаемо: $\Sigma$ содержит $s$-кварк, и другой кварковый состав изменяет как геометрию распределения заряда, так и внутренние значения циркуляций.

Несовместность сама по себе является значимым результатом: она означает, что радиусы распределения заряда $r_c^{(\Sigma )}$ и $r_m^{(\Sigma )}$ не просто связаны с таковыми у нуклона, и что их независимое измерение (из формфакторов рассеяния $e\Sigma$, доступных на будущих установках, таких как JLab, HIAF или PANDA на FAIR) необходимо для замыкания системы.

Степень несовместности можно количественно охарактеризовать правилом сумм: в симметричной схеме двойной инверсии сумма ${\mu }_{{\Sigma }^{+}}+{\mu }_{{\Sigma }^{-}}$ должна тождественно обращаться в нуль, тогда как эксперимент даёт

$${\mu }_{{\Sigma }^{+}}+{\mu }_{{\Sigma }^{-}}=2,458-1,160=+1,298{\mu }_N\ne 0.$$

Этот ненулевой остаток — прямая мера влияния $s$-кварка на симметрию инверсии нуклонного сектора: он показывает, насколько баланс циркуляций между ядром и мантией отличается у ${\Sigma }^{+}$ (кварковый состав $uus$) и ${\Sigma }^{-}$ ($dds$). В терминах К–Ф это означает, что распределения заряда двух членов не являются зеркальными отражениями друг друга. Прямым следствием является то, что электрические формфакторы $G_E^{({\Sigma }^{+})}(Q^2)$ и $G_E^{({\Sigma }^{-})}(Q^2)$ должны отличаться не только знаком, но и формой — предсказание, фальсифицируемое на будущих установках рассеяния на гиперонах независимо от каких-либо предположений о $r_c$ и $r_m$.

После независимого измерения $r_m^{(\Sigma )}/r_c^{(\Sigma )}$ для каждого зарядового состояния отдельно (поскольку распределения заряда ${\Sigma }^{+}$ и ${\Sigma }^{-}$ различаются по форме, каждый имеет своё геометрическое отношение), модель предсказывает ключевое соотношение для каждого члена отдельно:

$$\frac{{\mu }_c^{({\Sigma }^{\pm })}}{{\mu }_m^{({\Sigma }^{\pm })}}=\frac{r_m^{({\Sigma }^{\pm })}}{r_c^{({\Sigma }^{\pm })}},$$

что даёт нетривиальную проверку К–Ф формализма за пределами нуклонного сектора.

5.5 Расширение на каскадные частицы $\Xi$

Барионы $\Xi$ ($I=\frac{1}{2}$, $J^P={\frac{1}{2}}^{+}$, странность $S=-2$) образуют дублет с измеренными моментами [8]: ${\mu }_{{\Xi }^0}=-1,250{\mu }_N$ и ${\mu }_{{\Xi }^{-}}=-0,6507{\mu }_N$.

Дублет $\Xi$ накладывает более жёсткие ограничения на формализм, чем синглет $\Lambda$: два независимых измерения магнитного момента полностью определяют систему, не оставляя свободных параметров, тогда как для $\Lambda$ одно измерение оставляло систему недоопределённой и модель могла лишь предсказать соотношение между наблюдаемыми. Это делает сектор $\Xi$ более решительной проверкой — и, как показано ниже, решительной неудачей.

В отличие от нуклона, для которого двухзонное распределение заряда непосредственно установлено данными электронного рассеяния [4, 5], аналогичных измерений для барионов $\Xi$ не существует: их короткое время жизни ($\sim 10^{-10}\text{с}$) исключает использование в качестве неподвижных мишеней, а электромагнитные формфакторы $G_E^{(\Xi )}(Q^2)$ и $G_M^{(\Xi )}(Q^2)$ не измерены. Двухзонная структура и условие равных зарядов поэтому экспериментально не обоснованы для сектора $\Xi$; они составляют непроверенное допущение при применении здесь по аналогии.

Применяя анзац равных зарядов $|Q_c|=|Q_m|$ с ограничением $Q_c^{(\Xi )}+Q_m^{(\Xi )}=0$ (заряд ${\Xi }^0$), получаем $Q_c^{(\Xi )}=+e/2$ и $Q_m^{(\Xi )}=-e/2$: две зоны несут заряды противоположных знаков. В отличие от нуклона, где обе зоны со-вращаются (${\Gamma }_c>0$, ${\Gamma }_m>0$), заряды противоположных знаков подразумевают циркуляции противоположных знаков (${\Gamma }_c>0$, ${\Gamma }_m<0$). По К–Ф соглашению о знаках (ур. (4)), это даёт ${\mu }_c^{(\Xi )}>0$ и ${\mu }_m^{(\Xi )}<0$.

Применяя гипотезу инверсии ядра (${\Xi }^0$ как опорное состояние с $I_3=+\frac{1}{2}$, ${\Xi }^{-}$ получается инверсией ядра) с этими знаковыми ограничениями:

$$|{\mu }_c^{(\Xi )}|-|{\mu }_m^{(\Xi )}|=-1,250{\mu }_N({\Xi }^0),-|{\mu }_c^{(\Xi )}|-|{\mu }_m^{(\Xi )}|=-0,6507{\mu }_N({\Xi }^{-}).$$

Сложение этих уравнений даёт $-2|{\mu }_m^{(\Xi )}|=-1,901{\mu }_N$, откуда $|{\mu }_m^{(\Xi )}|=0,950{\mu }_N$; вычитание даёт $2|{\mu }_c^{(\Xi )}|=-0,599{\mu }_N<0$, что не имеет физического решения.

Данные о магнитных моментах $\Xi$ поэтому несовместны с двухзонным анзацем равных зарядов при К–Ф соглашении о знаках — аналогично триплету $\Sigma$ (раздел 5.4). Несовместность носит более фундаментальный характер, чем для $\Sigma$: там она возникала из триплетной структуры, тогда как здесь условие равных зарядов, применённое к нейтральному члену ${\Xi }^0$, само по себе вынуждает циркуляции противоположных знаков, которые не могут одновременно удовлетворять обоим измеренным моментам. Остаётся открытым вопрос, может ли модифицированный двухзонный анзац — с неравными зарядами зон или иной схемой инверсии — описать данные по $\Xi$. В терминах К–Ф две структурные гипотезы естественно напрашиваются. Во-первых, двухзонной модели может быть недостаточно: каждый странный кварк мог бы требовать дополнительного масштаба циркуляции, так что трёхзонная структура с радиусами $r_c<r_{\mathrm{int}}<r_m$ проявилась бы как три различных формфакторных масштаба в $G_E^{(\Xi )}(Q^2)$. Во-вторых, сама топология вихря может меняться при $S=-2$: вместо единственного вихря Хилла двойная странность могла бы быть связана с двумя сцепленными вихревыми контурами, изменяя механизм инверсии на качественном уровне. Оба сценария предсказывают, что формфактор заряда $\Xi$ будет отличаться от нуклонного качественно — не только количественно — что непосредственно проверяемо через $Q^2$-форму $G_E^{(\Xi )}(Q^2)$ на будущих установках, таких как PANDA на FAIR.

5.6 Странность как структурный зонд: программа исследований

Результаты разделов 5.3–5.5 образуют согласованную картину, которую можно организовать в систематическую программу исследований. Двухзонный анзац равных зарядов точно работает при $S=0$, выживает (в виде одноуравнения, недоопределённого) для $\Lambda$ ($S=-1$, $I=0$), количественно не работает для $\Sigma$ ($S=-1$, $I=1$) и принципиально невозможен для $\Xi$ ($S=-2$). Эта иерархия предполагает, что каждая единица странности вносит структурное усложнение, которое простейшая двухзонная модель с равными зарядами не в состоянии учесть, и что степень неудачи сама по себе несёт физическую информацию о внутренней структуре странных барионов.

Таблица 3 обобщает статус анзаца равных зарядов по барионному октету вместе со структурным предсказанием, следующим из каждого исхода.

Статус двухзонного анзаца равных зарядов по барионному октету, организованный по странности. Отклонение от правила сумм $\Delta$ определяется как значение, которое должно обращаться в нуль при симметричной схеме инверсии. Прочерк ( — ) означает отсутствие партнёра инверсии.

$S$	Барион	Статус анзаца	$\Delta$	Структурное предсказание
$0$	$p,n$	точное	$0$ (по построению)	Две зоны, $r_m/r_c\approx 5,2$
$-1$	$\Lambda$	недоопределён	—	${\mu }_c/{\mu }_m=r_m/r_c$ (ур. (18))
$-1$	${\Sigma }^{\pm }$	не работает	$+1,298{\mu }_N$	$G_E^{({\Sigma }^{+})}\ne G_E^{({\Sigma }^{-})}$ по форме
$-2$	${\Xi }^{0,-}$	невозможен	нет решения	$\ge 3$ зоны или иная топология

Отклонение от правила сумм $\Delta ={\mu }_{{\Sigma }^{+}}+{\mu }_{{\Sigma }^{-}}=+1,298{\mu }_N$ (ур. (21)) является количественным диагностическим инструментом: оно измеряет асимметрию между распределениями заряда ${\Sigma }^{+}$ ($uus$) и ${\Sigma }^{-}$ ($dds$), вносимую $s$-кварком. Систематическое измерение аналогичного правила сумм ${\mu }_B+{\mu }_{\bar{B}}$ по барионному октету позволило бы нанести на карту зависимость асимметрии вихревой структуры от странности в рамках К–Ф картины.

Для дублета $\Xi$ отсутствие какого-либо физического решения — более сильное утверждение: не количественное несоответствие, а качественная смена режима. Это мотивирует два конкретных экспериментальных направления. Во-первых, определить, проявляет ли $G_E^{(\Xi )}(Q^2)$ два или более различных формфакторных масштаба (двузонная vs. многозонная). Во-вторых, сравнить $Q^2$-наклоны $G_E^{({\Xi }^0)}$ и $G_E^{({\Xi }^{-})}$, чтобы проверить, являются ли их распределения заряда зеркальными отражениями или отличаются по форме — тест, независимый от каких-либо модельных предположений о числе зон.

Таким образом, области, где К–Ф модель не работает, функционируют как диагностические инструменты: каждая несовместность переводится в конкретное, фальсифицируемое предсказание о геометрии распределения заряда соответствующего бариона, доступное на будущих установках рассеяния на гиперонах.

6. Паспорт нуклона

Таблица 4 собирает параметры вихря-нуклона в форме, готовой для нижележащих статей серии. Столбец «статус» отмечает роль величины в графе зависимостей: вход A1 — берётся из электромагнитной статьи; выход-канон — фиксируется здесь и берётся входом в A2/A4; модель — следствие двухзонной подгонки; открыто — физический вход, не выведенный из первых принципов.

Паспорт нуклона в единой механической программе. Символы костяка идентичны во всех статьях серии.

Величина	Значение / роль	Статус
${\rho }_0={\epsilon }_0$	$8,854\cdot 10^{-12}{\text{кг/м}}^3$ (плотность среды)	вход A1
$c$ (свет, поперечн.)	$\sqrt{G/{\rho }_0}$, $G={\rho }_0{c}^2$	вход A1
$c_s$ (звук, продольн.)	$\approx 1,26\cdot 10^{23}\text{м/с}$, $c_s\gg c$	вход A1
$Q={\rho }_0{r}_0\Gamma$	заряд $=$ инвариант циркуляции	вход A1
${\rho }_{\mathrm{core}}=\gamma p_0/c^2$	$\approx 1,6\cdot 10^{18}{\text{кг/м}}^3$ (вириал)	выход-канон (A2/A4)
$r_c$ (зона заряда)	$\approx 0,25\text{фм}$ (подгонка Хофштадтера)	модель
$r_m$ (мантия)	$\approx 1,3\text{фм}$ (подгонка Хофштадтера)	модель
зарядовый радиус (rms)	$\approx 0,84\text{фм}$	эксперимент
${\mu }_p,{\mu }_n$	$+2,79,-1,91{\mu }_N$	вход (эксперимент)
${\mu }_c,{\mu }_m$	$2,35,0,44{\mu }_N$	модель
${\mu }_c/{\mu }_m=r_m/r_c$	$\approx 5,2$ (беспараметрич.)	выход модели
$r_c^{(D)}$ (сектор массы)	$(2/3)r_e\approx 1,88\text{фм}$ («D-кор»)	открыто

Каноническим выходом статьи для нижележащих работ служит плотность сжатого кора ${\rho }_{\mathrm{core}}=\gamma p_0/c^2$ (§3): статьи о гравитации (A2) и ядерном взаимодействии (A4) берут её названным входом, а не переизобретают. Несущая открытая граница — вывод фм-масштаба кора из первых принципов («D-кор»): выводится форма (знаки, степени, отношение ${\mu }_c/{\mu }_m=r_m/r_c$), тогда как сами длины ($r_c$, $r_m$, $r_c^{(D)}$) остаются физическим входом. Это честная граница программы, а не пробел данной статьи.

Независимая сверка радиуса зоны заряда (A9). Подогнанное здесь значение $r_c\approx 0,25\text{фм}$ получено из формфакторов электронного рассеяния и ни на что в программе не настраивалось. Между тем условие насыщения квантовой статьи (A6) — узор заряда идёт на пределе светового сектора — даёт для протона независимо

$$a_p=\frac{\hslash }{m_{p}c}=0,210\text{фм},$$

то есть согласие $\times 1,19$ по двум несвязанным маршрутам: кинематическому и подгоночному. Сверка проведена в статье об электроне (A9) A9, где она же используется как привязка для соотношения $r_0\propto m$; там показано, что при аспекте нуклона порядка единицы (шар Хилла, как и принято выше) электрон получает аспект $\sim 3\cdot 10^6$, то есть принадлежит другому классу вихрей.

7. Обсуждение результатов и учебная ценность

Представленная модель предлагает единое и интуитивно понятное описание ключевых экспериментальных фактов: распределения заряда, аномальных магнитных моментов и размеров барионов. Механическая аналогия К–Ф из A1 обеспечивает прочное теоретическое основание: формула заряда $Q={\rho }_0{r}_0\Gamma$ не постулируется, а выводится из конститутивного закона вязкоупругой среды и теоремы Кельвина о циркуляции. Формула магнитного момента $\mu ={\rho }_{0}V(\omega r_0{)}^2$ является естественным расширением, выражающим $\mu$ через те же микроскопические параметры вихря (${\rho }_0$, $r_0$, $\Gamma$), которые определяют заряд. Таблица 5 сравнивает предсказания модели с экспериментом и двумя устоявшимися подходами для нуклонного сектора.

Сравнение параметров нуклона в различных моделях.

Параметр	Эксперимент	Кварковая модель	Вихревая (К–Ф) модель
${\mu }_p/{\mu }_N$	$2,79$	$2,79$	$2,79$
${\mu }_n/{\mu }_N$	$-1,91$	$-1,91$	$-1,91$
$r_m/r_c$	$5,2\pm 1,2$	н.п.${}^{†}$	$5,34$
$r_c$, фм	$\sim 0,25$	н.п.${}^{†}$	$0,25$
$r_m$, фм	$\sim 1,3$	н.п.${}^{†}$	$1,3$

{ ${}^{†}$ Нерелятивистская кварковая модель предсказывает магнитные моменты из спинов конституентных кварков и не определяет двухмасштабную радиальную геометрию. Модель мешка МИТ имеет единственный радиус конфайнмента $R\approx 1\text{фм}$ и не демонстрирует структуры компактного ядра — протяжённой мантии. Заметим, что для К–Ф модели ${\mu }_p$ и ${\mu }_n$ являются входными данными для системы (11), тогда как кварковая модель предсказывает их из моментов конституентных кварков.}

7.1 Сравнение с другими феноменологическими моделями

Ряд устоявшихся моделей описывает магнитные моменты нуклонов, каждая с собственными достоинствами. Нерелятивистская кварковая модель (НКМ) воспроизводит ${\mu }_p$ и ${\mu }_n$ через спины конституентных кварков (${\mu }_p=\frac{4}{3}{\mu }_u-\frac{1}{3}{\mu }_d$, ${\mu }_n=\frac{4}{3}{\mu }_d-\frac{1}{3}{\mu }_u$), но принимает магнитные моменты кварков как свободные параметры и не предлагает геометрической связи между распределением заряда и отношением магнитных моментов. Модель мешка МИТ трактует кварки как свободные поля внутри конфинирующей сферы радиуса $R\sim 1\text{фм}$; она приближённо предсказывает аномальные моменты, но требует отдельного рассмотрения масштаба конфайнмента и магнитных свойств и не демонстрирует естественной двухмасштабной внутренней структуры, наблюдаемой в данных Хофштадтера. Модель Скирма представляет нуклон как квантованный топологический солитон; она правильно предсказывает знак отношения ${\mu }_p/{\mu }_n$ из топологических аргументов, однако не имеет прямой гидродинамической интерпретации геометрии распределения заряда.

К–Ф двухзонная модель занимает дополняющую нишу. Её отличительной чертой является беспараметрическое соотношение ${\mu }_c/{\mu }_m=r_m/r_c$ (ур. (15)), связывающее две независимо измеренные величины — отношение магнитных моментов из спиновых измерений и геометрическое отношение из электронного рассеяния — через единственное механическое ограничение (условие равных зарядов). Ни одна из трёх упомянутых моделей не даёт аналогичного геометрического предсказания. Цена этой простоты — ограниченная область применимости: в нуклонном секторе модель опирается на условие равных зарядов, расширение которого на гипероны требует независимого измерения геометрии их распределения заряда (см. §5.3–5.5), а К–Ф формализм сам по себе ожидает независимого рецензирования A1.

Использование классической гидродинамической образности предоставляет существенное преимущество для учебных применений: модель может быть использована для создания наглядных пособий и симуляций, помогая студентам сформировать первоначальное интуитивное понимание структуры адронов перед переходом к сложному математическому аппарату КХД. Важно подчеркнуть, что модель является феноменологической и не претендует на фундаментальность, но служит удобным инструментом для описания и систематизации экспериментальных данных.

8. Перспективы развития и экспериментальная верификация

Для проверки модели и её дальнейшего развития предлагаются следующие эксперименты:

1. Измерение распределения намагниченности внутри нуклона. Модель предсказывает различные плотности магнитного момента в ядре и мантии (отношение $\approx 5,34$). Это переводится в специфическое двухмасштабное поведение магнитного формфактора Закса $G_M^p(Q^2)$: медленное спадание при промежуточных $Q^2$ (доминирование протяжённой мантии, $r_m\sim 1,3\text{фм}$), сменяющееся более жёсткой компонентой при больших $Q^2$ (компактное ядро, $r_c\sim 0,25\text{фм}$, $Q^2\gtrsim 10{\text{ГэВ}}^2$). Высокоточные измерения методом передачи поляризации в Холл С Национальной лаборатории Джефферсона [10, 11, 12] установили, что отношение $G_E^p/G_M^p$ линейно убывает с $Q^2$ выше $1{\text{ГэВ}}^2$, что явно расходится с простым дипольным анзацем. Именно такое поведение предсказывает двухмасштабная внутренняя структура: мантия ($r_m\sim 1,3\text{фм}$) доминирует в $G_M^p$ при умеренных $Q^2$, тогда как компактное ядро ($r_c\sim 0,25\text{фм}$) вносит вклад более жёсткой компоненты, заметной при $Q^2\gtrsim 10{\text{ГэВ}}^2$. Повторный анализ этих данных в двухкомпонентной параметризации $G_M^p(Q^2)=G_M^{(c)}(Q^2)+G_M^{(m)}(Q^2)$ с независимо подогнанными формфакторами ядра и мантии представляет прямую экспериментальную проверку геометрической структуры модели.
2. Поиск кинематических особенностей в глубоко-неупругом рассеянии. Можно ожидать, что переход между рассеянием на компактном ядре и протяжённой мантии мог бы проявиться в более резких изменениях сечений по сравнению с предсказаниями моделей, основанных на партонных распределениях.
3. Наблюдение эффектов вращения в высокоэнергетических столкновениях. Вихревая природа нуклонов могла бы проявляться в специфических корреляциях частиц в конечном состоянии [7]. Примечательно, что глобальная поляризация гиперонов $\Lambda$, согласующаяся с макроскопическим вихревым течением, уже измерена коллаборацией STAR в столкновениях Au+Au при $\sqrt{s_{NN}}=7,7$–$39\text{ГэВ}$ [9]: наблюдаемая поляризация достигает $\sim 1,08\%$, что соответствует оценочной угловой скорости кварк-глюонной плазмы $\omega \sim 10^{22}{\text{с}}^{-1}$, делая её наиболее быстро вращающейся жидкостью, известной в природе. В рамках настоящего подхода это наблюдение демонстрирует, что макроскопические вихревые структуры формируются в ядерном веществе в экстремальных условиях, и мотивирует поиск связей между микроскопической вихревой структурой отдельных нуклонов и полным угловым моментом плазмы.
4. Расширение на другие адроны. В разделах 5.3–5.5 модель развита для гиперонов $\Lambda$, $\Sigma$ и $\Xi$. Для $\Lambda$ предсказанное соотношение ${\mu }_c/{\mu }_m=r_m/r_c$ (ур. (18)) предлагает конкретную фальсифицируемую проверку, доступную через магнитный формфактор Закса $G_M^{(\Lambda )}(Q^2)$. Для $\Sigma$ и $\Xi$ анзац равных зарядов оказывается несовместным с измеренными магнитными моментами; в случае $\Xi$ это усугубляется полным отсутствием данных о распределении заряда, делая измерение $G_E^{(\Xi )}(Q^2)$ необходимым первым шагом. Помимо барионов со спином $\frac{1}{2}$, проверка того, допускают ли мезоны (например, $\rho$, $\omega$) аналогичное двухзонное разложение, зондировала бы универсальность К–Ф формализма по всему адронному спектру.

9. Заключение

Механическая аналогия Кельвина–Фойгта из A1 расширена на самосогласованное описание магнитных моментов нуклонов. В рамках К–Ф формализма электрический заряд — инвариант циркуляции $Q={\rho }_0{r}_0\Gamma$ (ур. (1)), а магнитный момент — $\mu ={\rho }_{0}V(\omega r_0{)}^2$ (ур. (3)), причём обе величины выражены через одни и те же микроскопические параметры вихря. Условие равных зарядов $r_c{\Gamma }_c=r_m{\Gamma }_m$ даёт ключевое предсказание ${\mu }_c/{\mu }_m=r_m/r_c$ (ур. (15)). Предсказанное значение $5,34$ согласуется с геометрическим отношением $r_m/r_c=5,2\pm 1,2$ (ур. (16)); сравнение ограничено неопределённостью данных о распределении заряда 1960-х годов, а не точностью измерений магнитных моментов.

То же геометрическое соотношение ${\mu }_c/{\mu }_m=r_m/r_c$ распространено на сектор гиперонов. Для $\Lambda$ (изоспиновый синглет) оно даёт фальсифицируемое предсказание (ур. (18)), связывающее магнитный и зарядовый формфакторы $\Lambda$ и проверяемое на будущих установках рассеяния электронов на гиперонах. Для изоспинового триплета $\Sigma$ схема двойной инверсии, применённая к паре ${\Sigma }^{+}/{\Sigma }^{-}$, оказывается несовместной с экспериментом, что указывает на неприменимость анзаца равных зарядов вне нуклонного сектора и необходимость независимого измерения распределения заряда $\Sigma$. Для дублета $\Xi$ анзац равных зарядов, применённый к нейтральному члену ${\Xi }^0$, вынуждает циркуляции зон противоположных знаков, что приводит к системе без физического решения для зональных магнитных моментов — несовместность, аналогичная случаю $\Sigma$, но более фундаментальная. Данных о распределении заряда для $\Xi$ не существует, что делает измерение $G_E^{(\Xi )}(Q^2)$ на будущих установках необходимым предварительным условием для любого К–Ф предсказания в секторе двойной странности.

Характер результатов по барионному октету — точное согласие при $S=0$, недоопределённость при $S=-1$ ($\Lambda$), количественная неудача при $S=-1$ ($\Sigma$) и принципиальная невозможность при $S=-2$ ($\Xi$) — сам по себе составляет систематическую программу исследований (раздел 5.6, таблица 3): каждая несовместность переводится в конкретное структурное предсказание о соответствующем барионе, фальсифицируемое через независимые измерения электромагнитных формфакторов на будущих установках рассеяния на гиперонах.

Построенная феноменологическая двухзонная модель предлагает наглядную картину внутренней структуры барионов и обладает значительными преимуществами для учебных применений. Сформулированы конкретные предложения по экспериментальной верификации.

Литература

1. Hofstadter, R. (1956). Electron Scattering and Nuclear Structure. Reviews of Modern Physics, 28(3), 214–254.
2. Ernst, D. J., et al. (1994). Nucleon form factors from electron-nucleon scattering. Physical Review C, 50(2), 910–922.
3. Schopper, H. (1961). Die elektromagnetische Struktur des Protons und Neutrons. Physikalische Bl”{a}tter, 21(10), 454–462.
4. Hofstadter, R., & Herman, R. (1961). Electric and magnetic structure of the proton and neutron. Physical Review Letters, 6(6), 293–296.
5. Hand, L. N., Miller, D. G., & Wilson, R. (1963). Electric and magnetic form factors of the nucleon. Reviews of Modern Physics, 35(2), 335–349.
6. Donnelly, R. J. (1991). Quantized Vortices in Helium II. Cambridge University Press.
7. Liang, Z.-T., & Wang, X.-N. (2005). Globally polarized quark-gluon plasma in non-central A+A collisions. Physical Review Letters, 94(10), 102301.
8. Workman, R. L., et al. (Particle Data Group) (2022). Review of Particle Physics. Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2022, 083C01. https://doi.org/10.1093/ptep/ptac097
9. STAR Collaboration: Adamczyk, L., et al. (2017). Global $\Lambda$ hyperon polarization in nuclear collisions. Nature, 548, 62–65. https://doi.org/10.1038/nature23004
10. Jones, M. K., et al. (2000). $G_{Ep}/G_{Mp}$ ratio by polarization transfer in $\vec{e}p\to e\vec{p}$. Physical Review Letters, 84(7), 1398–1402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.1398
11. Gayou, O., et al. (2002). Measurement of $G_{Ep}/G_{Mp}$ in $\vec{e}p\to e\vec{p}$ to $Q^2=5,6{\mathrm{GeV}}^2$. Physical Review Letters, 88, 092301. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.092301
12. Puckett, A. J. R., et al. (2010). Recoil polarization measurements of the proton electromagnetic form factor ratio to $Q^2=8,5{\mathrm{GeV}}^2$. Physical Review Letters, 104, 242301. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.242301
13. Д. Лосинец, «Среда: онтология, паспорт и метод механической программы» (A0 — основания серии: пять тезисов, паспорт среды с провенансом каждого числа, метод эффективной теории); Zenodo.
14. Д. Лосинец, «Уравнения Максвелла из вихревой механики: аналогия на основе модели Кельвина–Фойгта» (A1 — канон Т1: словарь $\mathbf{u}\leftrightarrow \mathbf{A}$, заряд-циркуляция, два сектора); Zenodo, doi:10.5281/zenodo.19135635.
15. Д. Лосинец, «Гравитация и электромагнетизм как два отклика одного вихря: гидродинамическая модель квантового вакуума» (A2 — канон Т4: приталкивание, «река» Пенлеве–Гулстранда, шов); Zenodo.
16. Д. Лосинец, «Магнитные моменты барионов в двухзонной модели вихря Кельвина–Фойгта» (A3 — канон ${\rho }_{\mathrm{core}}$: паспорт нуклона, зарядовая структура, магнитные моменты); Zenodo, doi:10.5281/zenodo.16934345.
17. Д. Лосинец, «Ядерное взаимодействие вихрей Хилла в сжимаемой среде Кельвина–Фойгта: плотностное поле нуклона, дейтрон и низкоэнергетическое $NN$-рассеяние» (A4); Zenodo.
18. Д. Лосинец, «Сложные ядра как соосные стеки вихрей Хилла: геометрия сборки Буртаева на языке вихревой среды Кельвина–Фойгта» (A5); Zenodo.
19. Д. Лосинец, «Квантовый слой из вихревой среды: замкнутый двухкомпонентный вихрь как механизм спина, магнитного момента и неопределённости» (A6 — канон Т2+Т3: квантование, ${\Gamma }_0=h/m$, спин-$\frac{1}{2}$, $g=2$, разделение кора и поля); Zenodo.
20. Д. Лосинец, «Вихревая модель фотона: программа экспериментальной проверки» (A7 — кольцо-часы, поперечный Доплер, поляризация); Zenodo, doi:10.5281/zenodo.17063624.
21. Д. Лосинец, «Специальная теория относительности как эмерджентная гидромеханика: $\gamma$-фактор, замедление времени и $E=m{c}^2$ как эффекты сжимаемого течения в поперечном секторе» (A8 — канон Т5); Zenodo.
22. Д. Лосинец, «Электрон и классы вихрей: лёгкий сектор механической программы» (A9); Zenodo.
23. Д. Лосинец, «Термодинамика вихревой среды: температура, энтропия и статус гравитационного цикла» (A10); Zenodo.
24. Д. Лосинец, «Космология вихревой среды: баланс стоков, рецикл и красное смещение» (A11); Zenodo.