Što je proton i što je unutar njega? Elementarne čestice Što je proton.

Svih pet slova elementarnih čestica su navedene u nastavku. Za svaku definiciju dat je kratak opis.

Ako imate nešto za dodati, dolje vam je na usluzi obrazac za komentare u kojem možete izraziti svoje mišljenje ili dodati članak.

Popis elementarnih čestica

Foton

To je kvant elektromagnetskog zračenja, na primjer svjetlosti. Svjetlost je pak pojava koja se sastoji od svjetlosnih tokova. Foton je elementarna čestica. Foton ima neutralan naboj i nultu masu. Spin fotona jednak je jedinici. Foton nosi elektromagnetsku interakciju između nabijenih čestica. Pojam foton dolazi od grčke riječi phos, što znači svjetlost.

Phonon

To je kvazičestica, kvant elastičnih titraja i pomaka atoma i molekula kristalne rešetke iz ravnotežnog položaja. U kristalnim rešetkama atomi i molekule neprestano međusobno djeluju, međusobno dijeleći energiju. S tim u vezi, gotovo je nemoguće proučavati pojave slične vibracijama pojedinih atoma u njima. Stoga se nasumične vibracije atoma obično razmatraju prema vrsti širenja zvučnih valova unutar kristalne rešetke. Kvanti ovih valova su fononi. Pojam fonon dolazi od grčke riječi phone - zvuk.

fazon

Fazon fluktuacije je kvazičestica, koja je ekscitacija u legurama ili u drugom heterofaznom sustavu, koja stvara potencijalnu jamu (feromagnetsko područje) oko nabijene čestice, recimo elektrona, i hvata je.

Roton

To je kvazičestica koja odgovara elementarnoj ekscitaciji u superfluidnom heliju, u području visokih impulsa, povezanom s pojavom vrtložnog gibanja u superfluidnoj tekućini. Roton, u prijevodu s latinskog znači - predenje, predenje. Roton se pojavljuje na temperaturama višim od 0,6 K i određuje eksponencijalno temperaturno ovisna svojstva toplinskog kapaciteta, kao što je normalna entropija gustoće i druga.

Mezon

To je nestabilna neelementarna čestica. Mezon je teški elektron u kozmičkom zračenju.
Masa mezona je veća od mase elektrona i manja od mase protona.

Mezoni imaju paran broj kvarkova i antikvarkova. Mezoni uključuju pione, kaone i druge teške mezone.

Quark

To je elementarna čestica materije, ali zasad samo hipotetski. Kvarkovima se obično nazivaju šest čestica i njihove antičestice (antikvarkovi), koje pak čine skupinu posebnih elementarnih čestica hadrona.

Vjeruje se da se čestice koje sudjeluju u jakim interakcijama, poput protona, neurona i nekih drugih, sastoje od međusobno čvrsto povezanih kvarkova. Kvarkovi stalno postoje u različitim kombinacijama. Postoji teorija da bi kvarkovi mogli postojati u slobodnom obliku u prvim trenucima nakon velikog praska.

Gluon

Elementarna čestica. Prema jednoj teoriji, čini se da gluoni spajaju kvarkove, koji zauzvrat tvore čestice poput protona i neurona. Općenito, gluoni su najmanje čestice koje tvore materiju.

bozon

Bozon-kvazičestica ili Bose-čestica. Bozon ima nulti ili cijeli broj spina. Ime je dano u čast fizičara Shatyendranatha Bosea. Bozon je drugačiji po tome što neograničen broj njih može imati isto kvantno stanje.

hadron

Hadron je elementarna čestica koja nije istinski elementarna. Sastoji se od kvarkova, antikvarkova i gluona. Hadron nema naboj u boji i sudjeluje u jakim interakcijama, uključujući nuklearne. Pojam hadron, od grčke riječi adros, znači velik, masivan.

• Prijevod

Riža. 1: atom vodika. Nije u mjerilu.

Znate da Veliki hadronski sudarač u osnovi udara protone jedne u druge. Ali što je proton?

Prije svega, to je užasan i potpuni nered. Jednako ružan i kaotičan kao što je atom vodika jednostavan i elegantan.

Ali što je onda atom vodika?

Ovo je najjednostavniji primjer onoga što fizičari nazivaju "vezanim stanjem". “Stanje” u suštini znači nešto što postoji već duže vrijeme, a “povezano” znači da su njegove komponente povezane jedna s drugom, poput supružnika u braku. Dapače, primjer bračnog para u kojem je jedan supružnik puno teži od drugoga ovdje jako dobro pristaje. Proton se nalazi u središtu, jedva se mičući, a na rubovima objekta nalazi se elektron koji se kreće brže od tebe i mene, ali mnogo sporije od brzine svjetlosti, univerzalnog ograničenja brzine. Mirna slika bračne idile.

Ili se tako čini dok ne pogledamo sam proton. Unutrašnjost samog protona je više poput komune, gdje su mnogi odrasli i djeca gusto zbijeni: čisti kaos. Ovo je također vezano stanje, ali ono ne povezuje nešto jednostavno, poput protona s elektronom, kao u vodiku, ili barem nekoliko desetaka elektrona s atomskom jezgrom, kao u složenijim atomima poput zlata - već bezbrojni broj ( to jest, ima ih previše i mijenjaju se prebrzo da bi se praktično prebrojale) lake čestice koje se nazivaju kvarkovi, antikvarkovi i gluoni. Nemoguće je jednostavno opisati strukturu protona, nacrtati jednostavne slike - izuzetno je neorganizirana. Svi kvarkovi, gluoni, antikvarkovi jure unutra maksimalnom mogućom brzinom, gotovo brzinom svjetlosti.

Riža. 2: Slika protona. Zamislite da svi kvarkovi (gore, dolje, čudno - u,d,s), antikvarkovi (u,d,s s crticom) i gluoni (g) jure naprijed-natrag gotovo brzinom svjetlosti, sudaraju se sa svakim drugo, pojaviti se i nestati

Možda ste čuli da se proton sastoji od tri kvarka. Ali to je laž – za opće dobro, ali ipak prilično velika. U stvari, postoji bezbroj gluona, antikvarkova i kvarkova u protonu. Standardna kratica "proton se sastoji od dva gornja kvarka i jednog donjeg kvarka" jednostavno kaže da proton ima dva gornja kvarka više nego gornja kvarka i jedan niži kvark više od donjeg kvarka. Da bi ova redukcija bila istinita, potrebno joj je dodati "i još bezbroj gluona i parova kvark-antikvark." Bez ove fraze, ideja o protonu bit će toliko pojednostavljena da će biti potpuno nemoguće razumjeti rad LHC-a.

Riža. 3: Male bijele laži u stereotipnoj slici Wikipedije

Općenito, atomi u usporedbi s protonima su poput pas de deuxa u složenom baletu u usporedbi s diskotekom punom pijanih tinejdžera koji skaču gore-dolje i mašu DJ-u.

To je razlog zašto ćete imati poteškoća ako ste teoretičar koji pokušava shvatiti što će LHC vidjeti u sudarima protona. Vrlo je teško predvidjeti rezultate sudara između objekata koji se ne mogu opisati na jednostavan način. No, na sreću, od 1970-ih, na temelju Bjorkenovih ideja iz 60-ih, teorijski fizičari pronašli su relativno jednostavnu i funkcionalnu tehnologiju. Ali još uvijek radi do određenih granica, s točnošću od oko 10%. Zbog ovog i nekih drugih razloga, pouzdanost naših izračuna na LHC-u je uvijek ograničena.

Još jedna stvar u vezi s protonom je ta da je malen. Stvarno sitan. Ako dignete atom vodika u zrak do veličine svoje spavaće sobe, proton će biti veličine zrnca prašine toliko malen da će ga biti vrlo teško primijetiti. Upravo zato što je proton tako malen, možemo zanemariti kaos koji se događa unutar njega, opisujući atom vodika kao jednostavan. Točnije, veličina protona je 100 000 puta manja od veličine atoma vodika.

Usporedbe radi, veličina Sunca je samo 3000 puta manja od veličine Sunčevog sustava (mjereno orbitom Neptuna). Tako je – atom je prazniji od Sunčevog sustava! Zapamtite ovo kada noću gledate u nebo.

Ali možete pitati: “Čekaj malo! Želite li reći da Veliki hadronski sudarač nekako sudara protone koji su 100 000 puta manji od atoma? Kako je to uopće moguće?

Sjajno pitanje.

Sudari protona nasuprot mini-sudarima kvarkova, gluona i antikvarkova

Sudari protona u LHC-u događaju se s određenom energijom. Bio je 7 TeV = 7000 GeV 2011. godine, a 8 TeV = 8000 GeV 2012. godine. Ali fizičare čestica uglavnom zanimaju sudari kvarka jednog protona s antikvarkom drugog protona, ili sudari dva gluona, itd. – nešto što može dovesti do nastanka doista novog fizičkog fenomena. Ovi mini-sudari nose mali dio ukupne energije sudara protona. Koliko te energije mogu nositi i zašto je bilo potrebno povećati energiju sudara sa 7 TeV na 8 TeV?

Odgovor je na sl. 4. Grafikon prikazuje broj sudara koje je otkrio ATLAS detektor. Podaci iz ljeta 2011. uključuju raspršenje kvarkova, antikvarkova i gluona od drugih kvarkova, antikvarkova i gluona. Takvi mini-sudari najčešće proizvode dva mlaza (mlaz hadrona, manifestacije visokoenergetskih kvarkova, gluona ili antikvarkova izbačenih iz matičnih protona). Mjere se energije i smjerovi mlazova, te se iz tih podataka određuje količina energije koja je trebala biti uključena u mini-sudar. Grafikon prikazuje broj mini-sudara ove vrste kao funkciju energije. Okomita os je logaritamska - svaka linija označava deseterostruko povećanje količine (10 n označava 1 i n nula iza nje). Na primjer, broj mini-sudara opaženih u energetskom intervalu od 1550 do 1650 GeV bio je oko 10 3 = 1000 (označeno plavim linijama). Imajte na umu da grafikon počinje od 750 GeV, ali broj mini-sudara nastavlja rasti kako proučavate mlazove niže energije, sve do točke u kojoj mlazovi postanu preslabi da bi se otkrili.

Riža. 4: broj sudara kao funkcija energije (m jj)

Uzmite u obzir da se ukupan broj sudara proton-proton s energijom od 7 TeV = 7000 GeV približio 100 000 000 000 000. A od svih tih sudara samo su dva mini-sudara premašila 3500 GeV - polovica energije sudara protona. Teoretski, energija mini-sudara mogla bi narasti na 7000 GeV, no vjerojatnost za to se cijelo vrijeme smanjuje. Mini-sudare od 6000 GeV vidimo tako rijetko da je malo vjerojatno da ćemo vidjeti 7000 GeV čak i ako prikupimo 100 puta više podataka.

Koje su prednosti povećanja energije sudara sa 7 TeV u 2010.-2011. na 8 TeV u 2012.? Očito, ono što možete učiniti na energetskoj razini E, sada možete učiniti na energetskoj razini 8/7 E ≈ 1,14 E. Dakle, ako ste se prije mogli nadati da ćete u toliko podataka vidjeti znakove određene vrste hipotetske čestice s mase od 1000 GeV/c 2, onda se sada možemo nadati da ćemo postići najmanje 1100 GeV/c 2 s istim skupom podataka. Mogućnosti stroja se povećavaju - možete tražiti čestice nešto veće mase. A ako prikupite tri puta više podataka 2012. nego 2011., dobit ćete više sudara za svaku energetsku razinu i moći ćete vidjeti potpis hipotetske čestice s masom od, recimo, 1200 GeV/s 2 .

Ali to nije sve. Pogledajte plave i zelene linije na sl. 4: pokazuju da se pojavljuju pri energijama reda veličine 1400 i 1600 GeV - tako da međusobno koreliraju kao 7 do 8. Na razini energije sudara protona od 7 TeV, broj mini-sudara kvarkova s ​​kvarkovima , kvarkovi s gluonima itd. P. s energijom od 1400 GeV više je nego dvostruko veći od broja sudara s energijom od 1600 GeV. Ali kada stroj poveća energiju za 8/7, ono što je radilo za 1400 počinje raditi za 1600. Drugim riječima, ako ste zainteresirani za mini-sudare fiksne energije, njihov broj se povećava - i to mnogo više od povećanja od 14%. u energiji sudara protona! To znači da za bilo koji proces s željenom energijom, recimo pojavu laganih Higgsovih čestica, koji se događa pri energijama reda 100-200 GeV, dobivate više rezultata za isti novac. Prelazak sa 7 na 8 TeV znači da za isti broj sudara protona dobivate više Higgsovih čestica. Proizvodnja Higgsovih čestica povećat će se za oko 1,5. Broj gornjih kvarkova i određenih vrsta hipotetskih čestica malo će se više povećati.

To znači da iako je broj sudara protona u 2012. godini 3 puta veći nego u 2011. godini, ukupan broj proizvedenih Higgsovih čestica povećat će se za gotovo 4 puta samo zbog povećanja energije.

Inače, fig. Slika 4 također dokazuje da se protoni ne sastoje jednostavno od dva gornja kvarka i jednog donjeg kvarka, kao što je prikazano na crtežima poput Sl. 3. Da jesu, tada bi kvarkovi morali prenijeti oko trećinu energije protona, a većina mini-sudara dogodila bi se pri energijama od oko trećine energije sudara protona: oko 2300 GeV. Ali grafikon pokazuje da se ništa posebno ne događa u području od 2300 GeV. Na energijama ispod 2300 GeV ima mnogo više sudara, a što niže idete, to više sudara vidite. To je zato što proton sadrži ogroman broj gluona, kvarkova i antikvarkova, od kojih svaki prenosi mali dio protonove energije, ali ih je toliko da sudjeluju u ogromnom broju mini-sudara. Ovo svojstvo protona prikazano je na sl. 2 – iako je zapravo broj niskoenergetskih gluona i parova kvark-antikvark puno veći nego što je prikazano na slici.

Ali ono što graf ne pokazuje je udio koji u mini-sudarima s određenom energijom pada na sudare kvarkova s ​​kvarkovima, kvarkova s ​​gluonima, gluona s gluonima, kvarkova s ​​antikvarkovima itd. Zapravo, to se ne može izravno reći iz eksperimenata na LHC-u - mlazovi kvarkova, antikvarkova i gluona izgledaju isto. Kako znamo za te dionice složena je priča koja uključuje mnogo različitih prošlih eksperimenata i teorije koja ih kombinira. I iz ovoga znamo da se mini sudari najveće energije obično događaju između kvarkova i kvarkova te između kvarkova i gluona. Do sudara niske energije obično dolazi između gluona. Sudari između kvarkova i antikvarkova su relativno rijetki, ali su vrlo važni za određene fizikalne procese.

Raspodjela čestica unutar protona

Riža. 5

Dva grafikona, različita u mjerilu okomite osi, pokazuju relativnu vjerojatnost sudara s gluonom, gore ili dolje kvarkom ili antikvarkom koji nosi dio protonove energije jednak x. Pri malom x dominiraju gluoni (i kvarkovi i antikvarkovi postaju jednako vjerojatni i brojni, iako ih je još uvijek manje od gluona), a pri srednjem x dominiraju kvarkovi (iako ih postaje iznimno malo).

Oba grafikona pokazuju istu stvar, samo u različitom mjerilu, tako da je ono što je teško vidjeti na jednom od njih lakše vidjeti na drugom. Ono što oni pokazuju je sljedeće: ako protonska zraka dođe do vas u Velikom hadronskom sudaraču i pogodite nešto unutar protona, kolika je vjerojatnost da ćete pogoditi gornji kvark, ili donji kvark, ili gluon, ili gornji antikvark ili donji kvark? antikvark koji nosi djelić energije protona jednak x? Iz ovih grafikona može se zaključiti da:

Iz činjenice da sve krivulje rastu vrlo brzo pri malim x (vidi se na donjem grafikonu), proizlazi da većina čestica u protonu prenosi manje od 10% (x< 0,1) энергии протона, и вероятность столкнуться с частицей, переносящей мало энергии, гораздо больше вероятности столкнуться с частицей, переносящей много. При этом, 10% - не так уж и мало. В 2012 году лучи на БАК достигали энергий в 4 ТэВ, поэтому 10% означало 400 ГэВ. При этом для того, чтобы создать частицу хиггса энергией 124 ГэВ из двух глюонов требуется всего 62 ГэВ на глюон.
Budući da je žuta krivulja (ispod) puno viša od ostalih, slijedi da ako naiđete na nešto što nosi manje od 10% energije protona, to je najvjerojatnije gluon; a ako padne ispod 2% energije protona, jednako je vjerojatno da se radi o kvarkovima ili antikvarkovima.
Budući da krivulja gluona (gore) pada ispod krivulja kvarkova kako x raste, slijedi da ako naiđete na nešto što nosi više od 20% (x > 0,2) energije protona - što je vrlo, vrlo rijetko - to, najvjerojatnije kvark, a vjerojatnost da se radi o gore kvarku dvostruko je vjerojatnija od vjerojatnosti da se radi o padajućem kvarku. Ovo je ostatak ideje da je "proton dva gornja kvarka i jedan donji kvark."
Sve krivulje naglo padaju kako x raste; Vrlo je mala vjerojatnost da ćete naići na nešto što nosi više od 50% energije protona.

Ova zapažanja neizravno se odražavaju na grafikonu na Sl. 4. Evo još nekoliko neočitih stvari o dva grafikona:
Većina energije protona podijeljena je (otprilike jednako) između malog broja visokoenergetskih kvarkova i ogromnog broja niskoenergetskih gluona.
Među česticama brojčano prevladavaju niskoenergetski gluoni, a slijede kvarkovi i antikvarkovi vrlo niskih energija.

Broj kvarkova i antikvarkova je ogroman, ali: ukupan broj kvarkova prema gore minus ukupan broj antikvarkova prema gore je dva, a ukupan broj kvarkova prema dolje minus ukupan broj antikvarkova prema dolje je jedan. Kao što smo vidjeli gore, dodatni kvarkovi nose značajan (ali ne i većinu) dio energije protona koji leti prema vama. I samo u tom smislu možemo reći da se proton u osnovi sastoji od dva gornja kvarka i jednog donjeg kvarka.

Usput, sve te informacije dobivene su fascinantnom kombinacijom eksperimenata (uglavnom o raspršenju elektrona ili neutrina iz protona ili iz atomskih jezgri teškog vodika - deuterija, koji sadrže jedan proton i jedan neutron), spojenih pomoću detaljnih jednadžbi opisivanje elektromagnetskih, jakih nuklearnih i slabih nuklearnih interakcija. Ova duga priča seže u kasne 1960-e i rane 1970-e. I odlično radi za predviđanje pojava opaženih u sudaračima gdje se protoni sudaraju s protonima i protoni s antiprotonima, kao što su Tevatron i LHC.

Drugi dokazi za složenu strukturu protona

Pogledajmo neke od podataka dobivenih na LHC-u i kako oni podupiru tvrdnje o strukturi protona (iako trenutno razumijevanje protona seže 3-4 desetljeća unatrag, zahvaljujući mnogim eksperimentima).

Grafikon na sl. 4 se dobiva iz promatranja sudara tijekom kojih se događa nešto poput onoga prikazanog na slici 1. 6: kvark ili antikvark ili gluon jednog protona sudari se s kvarkom ili antikvarkom ili gluonom drugog protona, rasprši se od njega (ili se dogodi nešto složenije - npr. dva gluona se sudare i pretvore u kvark i antikvark), što rezultira u dvije čestice (kvarkovi, antikvarkovi ili gluoni) odlete od točke sudara. Ove dvije čestice pretvaraju se u mlazove (hadronske mlazove). Energija i smjer mlazova promatraju se u detektorima čestica koji okružuju točku udara. Ove se informacije koriste za razumijevanje koliko je energije bilo sadržano u sudaru dva izvorna kvarka/gluona/antikvarka. Točnije, nepromjenjiva masa dva mlaza, pomnožena s c 2, daje energiju sudara dva izvorna kvarka/gluona/antikvarka.

Riža. 6

Broj sudara ovog tipa ovisno o energiji prikazan je na sl. 4. Činjenicu da je pri niskim energijama broj sudara puno veći potvrđuje činjenica da većina čestica unutar protona prenosi samo mali dio svoje energije. Podaci počinju na energijama od 750 GeV.

Riža. 7: Podaci za niže energije uzeti iz manjeg skupa podataka. Dijet masa – isto kao m jj na sl. 4.

Podaci za sl. 7 preuzete su iz CMS eksperimenta iz 2010., na kojem su nacrtali sudare mesa do energija od 220 GeV. Grafikon ovdje nije broj sudara, već malo kompliciraniji: broj sudara po GeV-u, odnosno broj sudara podijeljen sa širinom stupca histograma. Može se vidjeti da isti učinak nastavlja djelovati u cijelom rasponu podataka. Sudari poput onih prikazanih na sl. 6, puno se više događa pri niskim energijama nego pri visokim energijama. I taj broj nastavlja rasti sve dok više nije moguće razlikovati mlazove. Proton sadrži mnogo čestica niske energije, a malo njih nosi značajan dio njegove energije.

Što je s prisutnošću antikvarkova u protonu? Tri najzanimljivija procesa koji nisu slični sudaru prikazanom na Sl. 6, koji se ponekad pojavljuje u LHC-u (u jednom od nekoliko milijuna sudara proton-proton) uključuje proces:

Kvark + antikvark -> W + , W - ili Z čestica.

Prikazane su na sl. 8.

Riža. 8

Odgovarajući podaci iz CMS-a dati su na sl. 9 i 10. Sl. Slika 9 pokazuje da je broj sudara koji proizvode elektron ili pozitron (lijevo) i nešto što se ne može detektirati (vjerojatno neutrino ili antineutrino), ili mion i antimion (desno), točno predviđen. Predviđanje je napravljeno kombinacijom Standardnog modela (jednadžbi koje predviđaju ponašanje poznatih elementarnih čestica) i strukture protona. Veliki vrhovi u podacima posljedica su pojave čestica W i Z. Teorija savršeno odgovara podacima.

Riža. 9: crne točke – podaci, žute – predviđanja. Broj događaja označen je u tisućama. Lijevo: Središnji vrh je posljedica neutrina u česticama W. Desno su spojeni lepton i antilepton nastali u sudaru i implicirana je masa čestice iz koje su došli. Vrh se pojavljuje zbog rezultirajućih Z čestica.

Još više detalja može se vidjeti na Sl. 10, gdje se pokazuje da teorija, u smislu broja ne samo ovih, već i mnogih povezanih mjerenja - od kojih je većina povezana sa sudarima kvarkova s ​​antikvarkovima - savršeno odgovara podacima. Podaci (crvene točke) i teorija (plave trake) nikada se ne podudaraju točno zbog statističkih fluktuacija, iz istog razloga zbog kojeg ako bacite novčić deset puta, nećete nužno dobiti pet glava i pet repova. Stoga su podatkovne točke smještene unutar "trake pogrešaka", okomite crvene pruge. Veličina pojasa je takva da bi za 30% mjerenja pojas pogreške trebao graničiti s teorijom, a za samo 5% mjerenja trebao bi biti dva pojasa udaljen od teorije. Vidi se da svi dokazi potvrđuju da proton sadrži mnogo antikvarkova. I ispravno razumijemo broj antikvarkova koji nose određeni dio energije protona.

Riža. 10

Onda je sve malo kompliciranije. Čak znamo koliko gore i dolje kvarkova imamo ovisno o energiji koju nose, budući da točno predviđamo - s pogreškom manjom od 10% - koliko više W + čestica dobivamo nego W - čestica (slika 11).

Riža. jedanaest

Omjer gornjih i donjih kvarkova trebao bi biti blizu 1, ali bi trebalo biti više gornjih nego donjih kvarkova, posebno pri visokim energijama. Na sl. 6 možemo vidjeti da bi nam omjer rezultirajućih W + i W - čestica trebao približno dati omjer gornjih i donjih kvarkova uključenih u proizvodnju W čestica. Ali na Sl. Slika 11 pokazuje da je izmjereni omjer W + prema W - česticama 3 prema 2, a ne 2 prema 1. Ovo također pokazuje da je naivna ideja da se proton sastoji od dva gornja kvarka i jednog donjeg kvarka previše pojednostavljena. Pojednostavljeni omjer 2 prema 1 je zamagljen, budući da proton sadrži mnogo parova kvark-antikvark, od kojih su gornji i donji približno jednaki. Stupanj zamućenja određen je masom W čestice od 80 GeV. Ako ga učinite lakšim, bit će više zamućenja, a ako je teži, bit će manje zamućenja, budući da većina parova kvark-antikvark u protonu nosi malo energije.

Na kraju, potvrdimo činjenicu da su većina čestica u protonu gluoni.

Riža. 12

Da bismo to učinili, koristit ćemo se činjenicom da se top kvarkovi mogu stvoriti na dva načina: kvark + antikvark -> top kvark + top antikvark ili gluon + gluon -> top kvark + top antikvark (slika 12). Znamo broj kvarkova i antikvarkova ovisno o energiji koju nose na temelju mjerenja ilustriranih na sl. 9-11 (prikaz, stručni). Iz ovoga možemo koristiti jednadžbe Standardnog modela da predvidimo koliko će top kvarkova nastati iz sudara samo kvarkova i antikvarkova. Također vjerujemo, na temelju dosadašnjih podataka, da u protonu ima više gluona, pa bi se proces gluon + gluon -> top kvark + top antikvark trebao javljati barem 5 puta češće. Lako je provjeriti ima li tu gluona; ako nisu, podaci moraju biti daleko ispod teoretskih predviđanja.
gluoni Dodaj oznake

Proučavajući strukturu materije, fizičari su otkrili od čega se sastoje atomi, došli do atomske jezgre i razdvojili je na protone i neutrone. Svi ovi koraci bili su zadani prilično lako - samo je trebalo ubrzati čestice do potrebne energije, gurnuti ih jednu o drugu, a onda bi se one same raspale na svoje sastavne dijelove.

Ali s protonima i neutronima ovaj trik više nije radio. Iako su kompozitne čestice, ne mogu se "razbiti na komade" čak ni u najnasilnijem sudaru. Stoga su fizičarima bila potrebna desetljeća da dođu do različitih načina da pogledaju unutar protona, vide njegovu strukturu i oblik. Danas je proučavanje strukture protona jedno od najaktivnijih područja fizike čestica.

Priroda daje savjete

Povijest proučavanja strukture protona i neutrona seže u tridesete godine prošlog stoljeća. Kada su osim protona otkriveni i neutroni (1932.), izmjerivši njihovu masu, fizičari su s iznenađenjem ustanovili da je ona vrlo blizu masi protona. Štoviše, pokazalo se da protoni i neutroni "osjećaju" nuklearnu interakciju na potpuno isti način. Toliko istovjetni da se, sa stajališta nuklearnih sila, proton i neutron mogu smatrati dvjema manifestacijama iste čestice - nukleona: proton je električki nabijen nukleon, a neutron je neutralni nukleon. Zamijenite protone neutronima i nuklearne sile neće (gotovo) ništa primijetiti.

Fizičari izražavaju ovo svojstvo prirode kao simetriju - nuklearno međudjelovanje je simetrično u odnosu na zamjenu protona neutronima, kao što je leptir simetričan u odnosu na zamjenu lijevo desno. Ova simetrija, osim što igra važnu ulogu u nuklearnoj fizici, zapravo je bila prva naznaka da nukleoni imaju zanimljivu unutarnju strukturu. Istina, tada, u 30-ima, fizičari nisu shvatili ovu naznaku.

Razumijevanje je došlo kasnije. Počelo je s činjenicom da su 1940–50-ih godina, u reakcijama sudara protona s jezgrama različitih elemenata, znanstvenici bili iznenađeni otkrivanjem sve više i više novih čestica. Ne protoni, ne neutroni, ne do tada otkriveni pi-mezoni, koji drže nukleone u jezgrama, već neke potpuno nove čestice. Unatoč svoj svojoj raznolikosti, te nove čestice imale su dva zajednička svojstva. Prvo, oni su, poput nukleona, vrlo rado sudjelovali u nuklearnim interakcijama - sada se takve čestice nazivaju hadroni. I drugo, bili su izrazito nestabilni. Najnestabilnije od njih raspale su se u druge čestice u samo trilijunti dio nanosekunde, a nisu imale vremena ni poletjeti veličine atomske jezgre!

Dugo je vremena hadronski "zoološki vrt" bio potpuni nered. Krajem 1950-ih fizičari su već upoznali dosta različitih tipova hadrona, počeli su ih međusobno uspoređivati ​​i odjednom su uočili određenu opću simetriju, čak i periodičnost, u njihovim svojstvima. Predloženo je da unutar svih hadrona (uključujući nukleone) postoje neki jednostavni objekti koji se nazivaju "kvarkovi". Kombiniranjem kvarkova na različite načine moguće je dobiti različite hadrone, a potpuno iste vrste i s istim svojstvima koji su otkriveni u eksperimentu.

Što čini proton protonom?

Nakon što su fizičari otkrili kvarkovu strukturu hadrona i saznali da kvarkovi postoje u nekoliko različitih varijanti, postalo je jasno da se mnoge različite čestice mogu konstruirati od kvarkova. Stoga nitko nije bio iznenađen kada su naredni eksperimenti nastavili pronalaziti nove hadrone jedan za drugim. Ali među svim hadronima, otkrivena je cijela obitelj čestica koja se, baš kao i proton, sastoji od samo dva u-kvarkovi i jedan d-kvark. Neka vrsta "brata" protona. I tu je fizičare čekalo iznenađenje.

Najprije napravimo jedno jednostavno opažanje. Ako imamo više predmeta koji se sastoje od istih “cigli”, tada teži objekti sadrže više “cigli”, a lakši manje. To je vrlo prirodan princip, koji se može nazvati principom kombinacije ili principom nadgradnje, a savršeno funkcionira kako u svakodnevnom životu tako iu fizici. Čak se očituje i u strukturi atomskih jezgri – na kraju krajeva, teže jezgre se jednostavno sastoje od većeg broja protona i neutrona.

No, na razini kvarkova taj princip uopće ne funkcionira, a doduše fizičari još nisu do kraja shvatili zašto. Ispostavilo se da se teška braća protona također sastoje od istih kvarkova kao i proton, iako su jedan i pol ili čak dva puta teži od protona. Razlikuju se od protona (i međusobno se razlikuju) ne sastav, i obostrano mjesto kvarkovi, stanjem u kojem su ti kvarkovi jedni prema drugima. Dovoljno je promijeniti relativni položaj kvarkova - i od protona ćemo dobiti drugu, osjetno težu, česticu.

Što će se dogoditi ako ipak uzmete i skupite više od tri kvarka zajedno? Hoće li biti nove teške čestice? Začudo, to neće uspjeti - kvarkovi će se raspasti u tri i pretvoriti u nekoliko raspršenih čestica. Iz nekog razloga, priroda "ne voli" spajanje mnogih kvarkova u jednu cjelinu! Tek nedavno, doslovce posljednjih godina, počele su se pojavljivati ​​naznake da neke višekvarkove čestice ipak postoje, ali to samo naglašava koliko ih priroda ne voli.

Iz ove kombinatorike proizlazi vrlo važan i dubok zaključak - masa hadrona se uopće ne sastoji od mase kvarkova. Ali ako se masa hadrona može povećati ili smanjiti jednostavnim rekombiniranjem njegovih sastavnih cigli, onda nisu sami kvarkovi ti koji su odgovorni za masu hadrona. I doista, u kasnijim pokusima moglo se doznati da je masa samih kvarkova samo oko dva posto mase protona, a ostatak gravitacije nastaje zbog polja sila (posebnih čestica - gluona) koje povezuju kvarkove zajedno. Mijenjajući relativni položaj kvarkova, na primjer, udaljavajući ih jedan od drugog, mijenjamo gluonski oblak, čineći ga masivnijim, zbog čega se povećava masa hadrona (slika 1).

Što se događa unutar protona koji se brzo kreće?

Sve gore opisano odnosi se na stacionarni proton, jezikom fizičara to je struktura protona u njegovom okviru mirovanja. Međutim, u eksperimentu je struktura protona prvi put otkrivena pod drugim uvjetima – unutra brzo letenje proton.

U kasnim 1960-ima, u eksperimentima sudara čestica na akceleratorima, uočeno je da se protoni koji putuju brzinom bliskom svjetlosti ponašaju kao da energija unutar njih nije ravnomjerno raspoređena, već je koncentrirana u pojedinačnim kompaktnim objektima. Slavni fizičar Richard Feynman predložio je da se te nakupine materije unutar protona nazovu partoni(s engleskog dio - Dio).

Naknadni eksperimenti ispitali su mnoga svojstva partona - na primjer, njihov električni naboj, njihov broj i udio energije protona koji svaki nosi. Ispada da su nabijeni partoni kvarkovi, a neutralni partoni gluoni. Da, ti isti gluoni, koji su u okviru mirovanja protona jednostavno "služili" kvarkovima, privlačeći ih jedni drugima, sada su neovisni partoni i zajedno s kvarkovima nose "materiju" i energiju brzog protona. Eksperimenti su pokazali da je otprilike polovica energije pohranjena u kvarkovima, a polovica u gluonima.

Partone je najprikladnije proučavati u sudarima protona s elektronima. Činjenica je da, za razliku od protona, elektron ne sudjeluje u jakim nuklearnim interakcijama i njegov sudar s protonom izgleda vrlo jednostavno: elektron vrlo kratko vrijeme emitira virtualni foton, koji se sudara s nabijenim partonom i na kraju stvara veliki broj čestica (slika 2). Možemo reći da je elektron izvrstan skalpel za "otvaranje" protona i njegovu podjelu na odvojene dijelove - ali samo na vrlo kratko vrijeme. Znajući koliko se često takvi procesi događaju na akceleratoru, može se izmjeriti broj partona unutar protona i njihovi naboji.

Tko su zapravo Partonovi?

I tu dolazimo do još jednog nevjerojatnog otkrića do kojeg su fizičari došli proučavajući sudare elementarnih čestica pri visokim energijama.

U normalnim uvjetima, pitanje od čega se sastoji ovaj ili onaj objekt ima univerzalni odgovor za sve referentne sustave. Na primjer, molekula vode sastoji se od dva atoma vodika i jednog atoma kisika – i nije bitno gledamo li molekulu koja miruje ili se kreće. Međutim, ovo se pravilo čini tako prirodnim! - narušava se ako je riječ o elementarnim česticama koje se kreću brzinama bliskim brzini svjetlosti. U jednom referentnom okviru, složena se čestica može sastojati od jednog skupa podčestica, au drugom referentnom okviru od drugog. Ispostavilo se da sastav je relativan pojam!

Kako to može biti? Ovdje je ključno jedno važno svojstvo: broj čestica u našem svijetu nije fiksan – čestice se mogu rađati i nestajati. Na primjer, ako spojite dva elektrona s dovoljno velikom energijom, tada se osim ta dva elektrona može roditi ili foton, ili par elektron-pozitron, ili neke druge čestice. Sve to dopuštaju kvantni zakoni, a upravo se to događa u stvarnim eksperimentima.

Ali ovaj "zakon neodržavanja" čestica djeluje u slučaju sudaračestice. Kako se događa da isti proton iz različitih točki gledišta izgleda kao da se sastoji od različitog skupa čestica? Poanta je da proton nisu samo tri kvarka zajedno. Između kvarkova postoji polje sile gluona. Općenito, polje sile (kao što je gravitacijsko ili električno polje) je vrsta materijalnog "entiteta" koji prožima prostor i omogućuje česticama da snažno utječu jedna na drugu. I u kvantnoj teoriji polje se sastoji od čestica, doduše posebnih – virtualnih. Broj ovih čestica nije fiksan, one stalno "pupaju" iz kvarkova i apsorbiraju ih drugi kvarkovi.

Odmarajući se Proton se stvarno može zamisliti kao tri kvarka s gluonima koji skaču između njih. Ali pogledamo li isti proton iz drugog referentnog okvira, kao iz prozora “relativističkog vlaka” koji prolazi, vidjet ćemo potpuno drugačiju sliku. Ti virtualni gluoni koji su spojili kvarkove činit će se manje virtualnim, "stvarnijim" česticama. Oni se, naravno, i dalje rađaju i apsorbiraju kvarkovi, ali u isto vrijeme žive sami neko vrijeme, leteći pored kvarkova, poput pravih čestica. Ono što izgleda kao jednostavno polje sile u jednom referentnom okviru pretvara se u struju čestica u drugom okviru! Imajte na umu da ne diramo sam proton, već ga samo promatramo iz drugog referentnog okvira.

Dalje više. Što je brzina našeg “relativističkog vlaka” bliža brzini svjetlosti, to će nevjerojatnija biti slika koju ćemo vidjeti unutar protona. Kako se približavamo brzini svjetlosti, primijetit ćemo da unutar protona ima sve više gluona. Štoviše, ponekad se dijele u parove kvark-antikvark, koji također lete u blizini i također se smatraju partonima. Kao rezultat toga, ultrarelativistički proton, tj. proton koji se kreće u odnosu na nas brzinom vrlo bliskom brzini svjetlosti, pojavljuje se u obliku prožimajućih oblaka kvarkova, antikvarkova i gluona koji lete zajedno i čini se da podupiru jedan drugoga (Sl. 3).

Čitatelj upoznat s teorijom relativnosti mogao bi biti zabrinut. Sva se fizika temelji na načelu da se svaki proces odvija na isti način u svim inercijskim referentnim okvirima. Ali ispada da sastav protona ovisi o referentnom okviru iz kojeg ga promatramo?!

Da, točno, ali to ni na koji način ne krši načelo relativnosti. Rezultati fizičkih procesa - na primjer, koje čestice i koliko ih nastaje kao rezultat sudara - doista se pokazuju nepromjenjivima, iako sastav protona ovisi o referentnom okviru.

Ova situacija, na prvi pogled neobična, ali koja zadovoljava sve zakone fizike, shematski je prikazana na slici 4. Ona pokazuje kako izgleda sudar dvaju protona visoke energije u različitim referentnim okvirima: u sustavu mirovanja jednog protona, u okvir centra mase, u okviru mirovanja drugog protona . Interakcija između protona odvija se kroz kaskadu cijepajućih gluona, ali samo u jednom slučaju ta se kaskada smatra "unutrašnjošću" jednog protona, u drugom slučaju smatra se dijelom drugog protona, au trećem je jednostavno neki objekt koji se izmjenjuje između dva protona. Ta kaskada postoji, realna je, ali kojem dijelu procesa je treba pripisati ovisi o referentnom okviru.

3D portret protona

Svi rezultati o kojima smo upravo govorili temeljeni su na eksperimentima koji su izvedeni dosta davno - 60-70-ih godina prošlog stoljeća. Čini se da je od tada sve trebalo proučiti i sva pitanja pronaći svoje odgovore. Ali ne - struktura protona i dalje ostaje jedna od najzanimljivijih tema u fizici čestica. Štoviše, zanimanje za nju ponovno je poraslo posljednjih godina jer su se fizičari dosjetili kako dobiti “trodimenzionalni” portret protona koji se brzo kreće, što se pokazalo puno težim od portreta nepokretnog protona.

Klasični pokusi sudara protona govore samo o broju partona i njihovoj raspodjeli energije. U takvim eksperimentima partoni sudjeluju kao neovisni objekti, što znači da je iz njih nemoguće saznati kako su partoni smješteni jedan u odnosu na drugi, odnosno kako se točno zbrajaju u proton. Možemo reći da je dugo vremena fizičarima bio dostupan samo “jednodimenzionalni” portret brzog protona.

Da bi se konstruirao pravi, trodimenzionalni portret protona i saznala raspodjela partona u prostoru, potrebni su mnogo suptilniji eksperimenti od onih koji su bili mogući prije 40 godina. Fizičari su naučili provoditi takve eksperimente relativno nedavno, doslovno u prošlom desetljeću. Shvatili su da među ogromnim brojem različitih reakcija koje se događaju kada se elektron sudari s protonom, postoji jedna posebna reakcija - duboko virtualno Comptonovo raspršenje, - što nam može reći o trodimenzionalnoj strukturi protona.

Općenito, Comptonovo raspršenje ili Comptonov efekt je elastični sudar fotona s česticom, primjerice protonom. To izgleda ovako: dolazi foton, apsorbira ga proton, koji nakratko prelazi u pobuđeno stanje, a zatim se vraća u prvobitno stanje, emitirajući foton u nekom smjeru.

Comptonovo raspršenje običnih svjetlosnih fotona ne dovodi do ničega zanimljivog - to je jednostavno refleksija svjetlosti od protona. Da bi unutarnja struktura protona “došla do izražaja” i da bi se “osjetila” raspodjela kvarkova, potrebno je koristiti fotone vrlo visoke energije - milijarde puta više nego kod običnog svjetla. A upravo takve fotone - iako virtualne - lako generira upadni elektron. Ako sada spojimo jedno s drugim, dobit ćemo duboko virtualno Comptonovo raspršenje (slika 5).

Glavna značajka ove reakcije je da ne uništava proton. Upadni foton ne samo da udari proton, već ga, takoreći, pažljivo opipa i zatim odleti. Smjer u kojem će odletjeti i koji mu dio energije proton oduzima ovisi o građi protona, o relativnom rasporedu partona unutar njega. Zato je proučavanjem ovog procesa moguće obnoviti trodimenzionalni izgled protona, kao da se “isklesuje njegova skulptura”.

Istina, eksperimentalnom fizičaru to je vrlo teško učiniti. Traženi proces događa se prilično rijetko i teško ga je registrirati. Prvi eksperimentalni podaci o ovoj reakciji dobiveni su tek 2001. godine na akceleratoru HERA u njemačkom akceleratorskom kompleksu DESY u Hamburgu; novu seriju podataka sada obrađuju eksperimentatori. Međutim, već danas, na temelju prvih podataka, teoretičari crtaju trodimenzionalne raspodjele kvarkova i gluona u protonu. Fizikalna veličina, o kojoj su fizičari prije samo pretpostavljali, konačno je počela "izranjati" iz eksperimenta.

Čekaju li nas neka neočekivana otkrića na ovom području? Vjerojatno je da da. Ilustracije radi, recimo da se u studenom 2008. godine pojavio zanimljiv teorijski članak koji tvrdi da proton koji se brzo kreće ne bi trebao izgledati kao ravni disk, već kao bikonkavna leća. To se događa jer su partoni koji se nalaze u središnjem području protona jače komprimirani u uzdužnom smjeru od partona koji se nalaze na rubovima. Bilo bi vrlo zanimljivo eksperimentalno provjeriti ova teorijska predviđanja!

Zašto je sve ovo zanimljivo fizičarima?

Zašto fizičari uopće moraju točno znati kako je materija raspoređena unutar protona i neutrona?

Prvo, to zahtijeva sama logika razvoja fizike. Na svijetu postoji mnogo nevjerojatno složenih sustava s kojima moderna teorijska fizika još uvijek ne može u potpunosti izaći na kraj. Hadroni su jedan takav sustav. Razumijevajući strukturu hadrona, brusimo sposobnosti teorijske fizike, koja bi se mogla pokazati univerzalnom i, možda, pomoći u nečem sasvim drugom, na primjer, u proučavanju supravodiča ili drugih materijala s neobičnim svojstvima.

Drugo, postoji izravna korist za nuklearnu fiziku. Unatoč gotovo stoljetnoj povijesti proučavanja atomskih jezgri, teoretičari još uvijek ne znaju točan zakon interakcije između protona i neutrona.

Taj zakon moraju dijelom pogoditi na temelju eksperimentalnih podataka, a dijelom ga konstruirati na temelju znanja o strukturi nukleona. Tu će pomoći novi podaci o trodimenzionalnoj strukturi nukleona.

Treće, prije nekoliko godina fizičari su uspjeli dobiti ni manje ni više nego novo agregatno stanje materije - kvark-gluonsku plazmu. U tom stanju, kvarkovi ne sjede unutar pojedinačnih protona i neutrona, već slobodno hodaju kroz čitavu gomilu nuklearne materije. To se može postići, primjerice, ovako: teške jezgre se u akceleratoru ubrzaju do brzine vrlo bliske brzini svjetlosti, a zatim se frontalno sudare. U ovom sudaru, temperature od trilijuna stupnjeva nastaju vrlo kratko vrijeme, što topi jezgre u kvark-gluonsku plazmu. Dakle, ispada da teorijski proračuni ovog nuklearnog taljenja zahtijevaju dobro poznavanje trodimenzionalne strukture nukleona.

Konačno, ovi podaci su vrlo potrebni za astrofiziku. Kada teške zvijezde eksplodiraju na kraju svog života, iza sebe često ostavljaju izuzetno kompaktne objekte - neutronske i možda kvarkove zvijezde. Jezgra ovih zvijezda sastoji se isključivo od neutrona, a možda čak i od hladne kvark-gluonske plazme. Takve su zvijezde odavno otkrivene, no može se samo nagađati što se u njima događa. Dakle, dobro razumijevanje distribucije kvarkova može dovesti do napretka u astrofizici.

U ovom ćete članku pronaći informacije o protonu, kao elementarnoj čestici koja čini temelj svemira zajedno s ostalim njegovim elementima, koji se koriste u kemiji i fizici. Odredit će se svojstva protona, njegove karakteristike u kemiji i stabilnost.

Što je proton

Proton je jedan od predstavnika elementarnih čestica, koji se svrstava u barione, npr. u kojoj fermioni snažno međudjeluju, a sama čestica se sastoji od 3 kvarka. Proton je stabilna čestica i ima osobni zamah - spin ½. Fizička oznaka za proton je str(ili str +)

Proton je elementarna čestica koja sudjeluje u procesima termonuklearnog tipa. Upravo je ova vrsta reakcije u biti glavni izvor energije koju stvaraju zvijezde u cijelom svemiru. Gotovo cjelokupna količina energije koju Sunce oslobodi postoji samo zahvaljujući spajanju 4 protona u jednu jezgru helija uz stvaranje jednog neutrona iz dva protona.

Svojstva svojstvena protonu

Proton je jedan od predstavnika bariona. To je činjenica. Naboj i masa protona su konstantne veličine. Proton je električki nabijen +1, a masa mu je određena u raznim mjernim jedinicama i iznosi u MeV 938,272 0813(58), u kilogramima protona težina je u brojkama 1,672 621 898(21) 10 −27 kg, u jedinicama atomskih masa težina protona je 1,007 276 466 879(91) a. e.m., a u odnosu na masu elektrona, proton teži 1836.152 673 89 (17) u odnosu na elektron.

Proton, čija je definicija već navedena gore, s gledišta fizike je elementarna čestica s projekcijom izospina +½, a nuklearna fizika percipira ovu česticu s suprotnim predznakom. Sam proton je nukleon, a sastoji se od 3 kvarka (dva u kvarka i jedan d kvark).

Strukturu protona eksperimentalno je proučavao nuklearni fizičar iz Sjedinjenih Američkih Država - Robert Hofstadter. Kako bi postigao taj cilj, fizičar je sudario protone s elektronima visoke energije, a za svoj je opis dobio Nobelovu nagradu za fiziku.

Proton sadrži jezgru (tešku jezgru), koja sadrži oko trideset pet posto energije električnog naboja protona i ima prilično veliku gustoću. Ljuska koja okružuje jezgru je relativno ispražnjena. Ljuska se uglavnom sastoji od virtualnih mezona tipa i p i nosi oko pedeset posto električnog potencijala protona i nalazi se na udaljenosti od približno 0,25 * 10 13 do 1,4 * 10 13 . Štoviše, na udaljenosti od oko 2,5 * 10 13 centimetara, ljuska se sastoji od i w virtualnih mezona i sadrži otprilike preostalih petnaest posto električnog naboja protona.

Stabilnost i stabilnost protona

U slobodnom stanju proton ne pokazuje znakove raspada, što ukazuje na njegovu stabilnost. Stabilno stanje protona, kao najlakšeg predstavnika bariona, određeno je zakonom održanja broja bariona. Bez kršenja SBC zakona, protoni se mogu raspasti u neutrine, pozitrone i druge, lakše elementarne čestice.

Proton jezgre atoma ima sposobnost hvatanja određenih vrsta elektrona koji imaju K, L, M atomske ljuske. Proton, nakon što je završio zarobljavanje elektrona, transformira se u neutron i kao rezultat oslobađa neutrino, a "rupa" nastala kao rezultat zarobljavanja elektrona ispunjava se elektronima iznad donjih atomskih slojeva.

U neinercijalnim referentnim okvirima, protoni moraju steći ograničeni životni vijek koji se može izračunati; to je zbog Unruhovog efekta (zračenja), koji u teoriji kvantnog polja predviđa moguće promatranje toplinskog zračenja u referentnom okviru koji je ubrzan u nepostojanje ove vrste zračenja. Dakle, proton, ako ima ograničen životni vijek, može doživjeti beta raspad u pozitron, neutron ili neutrino, unatoč tome što je sam proces takvog raspada ZSE zabranio.

Upotreba protona u kemiji

Proton je atom H izgrađen od jednog protona i nema elektron, pa je u kemijskom smislu proton jedna jezgra atoma H. ​​Neutron uparen s protonom stvara jezgru atoma. U PTCE Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva broj elementa označava broj protona u atomu određenog elementa, a broj elementa određen je atomskim nabojem.

Kationi vodika su vrlo jaki akceptori elektrona. U kemiji se protoni dobivaju uglavnom iz organskih i mineralnih kiselina. Ionizacija je metoda proizvodnje protona u plinskim fazama.