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양성자의 구성요소 5. 기본입자

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쌀. 1: 수소 원자. 확장할 수 없습니다.

대형 강입자 충돌기는 기본적으로 양성자를 서로 충돌시킵니다. 그런데 양성자는 무엇입니까?

우선, 그것은 끔찍하고 완전한 혼란입니다. 추악하고 혼란스러운 수소 원자만큼 단순하고 우아합니다.

그러면 수소 원자는 무엇입니까?

이것은 물리학자들이 "속박 상태"라고 부르는 것의 가장 간단한 예입니다. "상태"는 본질적으로 꽤 오랫동안 주변에 있었던 것을 의미하고 "연결된"은 결혼 생활의 배우자처럼 구성 요소가 서로 연결되어 있음을 의미합니다. 사실, 한 배우자가 다른 배우자보다 훨씬 더 무거운 부부의 예가 여기에 매우 잘 들어맞습니다. 양성자는 중앙에 자리잡고 거의 움직이지 않고, 물체의 가장자리에는 전자가 움직이고 있습니다. 여러분과 나보다 빠르게 움직이지만, 보편적인 속도 제한인 빛의 속도보다는 훨씬 느립니다. 결혼 서사시의 평화로운 이미지.

아니면 양성자 자체를 들여다보기 전까지는 그렇게 보입니다. 양성자 자체의 내부는 많은 독신 성인과 어린이가 빽빽하게 모여 있는 공동체와 비슷합니다. 순수한 혼돈입니다. 이것은 또한 속박된 상태이지만 수소처럼 양성자와 전자와 같은 단순한 것을 연결하거나 금과 같은 더 복잡한 원자에서와 같이 원자핵과 적어도 수십 개의 전자를 연결하지 않습니다. 즉, 쿼크, 안티쿼크, 글루온이라고 불리는 가벼운 입자가 너무 많고 실제로 계산하기에는 너무 빨리 변합니다. 양성자의 구조를 단순히 설명하고 간단한 그림을 그리는 것은 불가능합니다. 이는 극도로 혼란스럽습니다. 모든 쿼크, 글루온, 반쿼크는 가능한 최대 속도, 거의 빛의 속도로 내부를 돌진합니다.

쌀. 2: 양성자의 이미지. 모든 쿼크(위, 아래, 이상한 - u,d,s), 반쿼크(대시가 있는 u,d,s) 및 글루온(g)이 거의 빛의 속도로 앞뒤로 움직이고 서로 충돌한다고 상상해 보십시오. 기타, 나타나고 사라짐

양성자는 3개의 쿼크로 구성되어 있다는 말을 들어보셨을 것입니다. 그러나 이것은 거짓말입니다. 더 큰 이익을 위한 것이지만 여전히 상당한 규모입니다. 실제로 양성자에는 수많은 글루온, 반쿼크, 쿼크가 있습니다. 표준 약어인 "양성자는 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 구성됩니다."라는 말은 양성자가 업 쿼크보다 업 쿼크를 두 개 더, 다운 쿼크보다 다운 쿼크를 한 개 더 가지고 있다는 뜻입니다. 이러한 감소가 사실이 되려면 "그리고 셀 수 없이 많은 글루온과 쿼크-반쿼크 쌍"을 추가해야 합니다. 이 문구가 없으면 양성자 개념이 너무 단순화되어 LHC의 작동을 이해하는 것이 완전히 불가능해질 것입니다.

쌀. 3: 전형적인 위키피디아 이미지 속의 작은 하얀 거짓말

일반적으로 양성자에 비한 원자는 술 취한 십대들이 위아래로 뛰어오르고 DJ에게 손을 흔드는 디스코에 비하면 정교한 발레의 파스 드 되와 같습니다.

이것이 바로 양성자 충돌에서 LHC가 무엇을 보게 될지 이해하려는 이론가라면 어려움을 겪게 되는 이유입니다. 간단한 방법으로 설명할 수 없는 물체 간의 충돌 결과를 예측하는 것은 매우 어렵습니다. 그러나 다행스럽게도 1970년대 이후 이론물리학자들은 60년대 비요르켄의 아이디어를 바탕으로 상대적으로 간단하고 실용적인 기술을 발견했습니다. 하지만 특정 한계까지는 여전히 작동하며 정확도는 약 10%입니다. 이러한 이유로 인해 LHC 계산의 신뢰성은 항상 제한됩니다.

양성자의 또 다른 특징은 그것이 작다는 것입니다. 정말 작습니다. 수소 원자를 침실 크기만큼 폭발시키면 양성자는 먼지 알갱이 크기가 되어 알아차리기가 매우 어려울 것입니다. 양성자가 너무 작기 때문에 수소 원자를 단순하게 설명하면서 그 내부에서 일어나는 혼돈을 무시할 수 있기 때문입니다. 보다 정확하게는 양성자의 크기는 수소 원자의 크기보다 100,000배 더 작습니다.

비교하자면, 태양의 크기는 태양계 크기(해왕성 궤도로 측정)보다 3000배 더 작습니다. 맞습니다. 원자는 태양계보다 더 비어 있습니다! 밤에 하늘을 볼 때 이것을 기억하십시오.

하지만 “잠깐만요! 대형 강입자 충돌기가 어떻게든 원자보다 100,000배 작은 양성자와 충돌한다는 말씀이신가요? 이것이 어떻게 가능합니까?

좋은 질문입니다.

양성자 충돌과 쿼크, 글루온, 반쿼크의 미니 충돌

LHC에서 양성자의 충돌은 특정 에너지로 발생합니다. 2011년에는 7TeV=7000GeV, 2012년에는 8TeV=8000GeV였다. 그러나 입자 물리학자들은 주로 한 양성자의 쿼크와 다른 양성자의 반쿼크의 충돌, 또는 두 개의 글루온의 충돌 등에 관심이 있습니다. – 완전히 새로운 물리적 현상의 출현으로 이어질 수 있는 것. 이러한 미니 충돌은 전체 양성자 충돌 에너지의 작은 부분을 전달합니다. 이 에너지 중 얼마나 많은 양을 운반할 수 있으며, 충돌 에너지를 7 TeV에서 8 TeV로 늘려야 했던 이유는 무엇입니까?

대답은 그림에 있습니다. 4. 그래프는 ATLAS 감지기가 감지한 충돌 횟수를 보여줍니다. 2011년 여름의 데이터에는 다른 쿼크, 반쿼크, 글루온에서 쿼크, 반쿼크, 글루온이 산란되는 내용이 포함되어 있습니다. 이러한 소형 충돌은 가장 흔히 두 개의 제트(강입자 제트, 고에너지 쿼크의 발현, 모 양성자에서 떨어져 나온 글루온 또는 반쿼크)를 생성합니다. 제트의 에너지와 방향이 측정되고, 이 데이터로부터 소형 충돌에 포함되어야 하는 에너지의 양이 결정됩니다. 그래프는 이러한 유형의 소규모 충돌 수를 에너지 함수로 보여줍니다. 세로 축은 대수입니다. 각 선은 수량의 10배 증가를 나타냅니다(10n은 1을 나타내고 그 뒤에 n개의 0이 있음). 예를 들어, 1550에서 1650 GeV까지의 에너지 구간에서 관찰된 미니 충돌의 수는 약 10 3 = 1000(파란색 선으로 표시)이었습니다. 그래프는 750GeV에서 시작하지만 낮은 에너지 제트를 연구하면 제트가 감지할 수 없을 정도로 약해지는 지점까지 미니 충돌 수가 계속 증가합니다.

쌀. 4: 에너지 함수로서의 충돌 횟수(m jj)

7 TeV = 7000 GeV의 에너지를 갖는 양성자-양성자 충돌의 총 횟수가 100,000,000,000,000에 이르렀다는 점을 생각해 보십시오. 그리고 이러한 모든 충돌 중에서 단 두 번의 미니 충돌만이 3,500 GeV를 초과했습니다. 이는 양성자 충돌 에너지의 절반입니다. 이론적으로 미니 충돌의 에너지는 7000GeV까지 증가할 수 있지만 그 확률은 항상 감소하고 있습니다. 6000GeV의 미니 충돌은 매우 드물기 때문에 100배 더 많은 데이터를 수집하더라도 7000GeV를 볼 가능성은 거의 없습니다.

충돌 에너지를 2010~2011년 7TeV에서 2012년 8TeV로 늘리면 어떤 이점이 있나요? 분명히, 에너지 준위 E에서 할 수 있었던 일을 이제 에너지 준위 8/7 E ≒ 1.14 E에서 할 수 있습니다. 따라서 이전에 특정 유형의 가상 입자에 대한 많은 데이터 징후를 볼 수 있기를 바랐다면 1000 GeV/c 2 의 질량을 갖고 있다면 이제 동일한 데이터 세트로 최소 1100 GeV/c 2 를 달성할 수 있기를 바랄 수 있습니다. 기계의 성능이 향상되었습니다. 약간 더 큰 질량의 입자를 검색할 수 있습니다. 그리고 2011년보다 2012년에 3배 더 많은 데이터를 수집하면 각 에너지 수준에 대해 더 많은 충돌이 발생하고, 예를 들어 1200 GeV/s 2 질량을 가진 가상 입자의 특징을 볼 수 있습니다.

그러나 그것이 전부는 아닙니다. 그림에서 파란색과 녹색 선을 보세요. 4: 그들은 1400과 1600 GeV 정도의 에너지에서 발생한다는 것을 보여줍니다. 즉, 서로 7에서 8 사이의 상관 관계가 있습니다. 7 TeV의 양성자 충돌 에너지 수준에서 쿼크와 쿼크의 미니 충돌 횟수 , 글루온을 포함한 쿼크 등 P. 1400GeV의 에너지를 갖는 충돌 횟수는 1600GeV의 에너지를 갖는 충돌 횟수의 두 배 이상입니다. 그러나 기계가 에너지를 8/7만큼 증가시키면 1400에서 작동했던 것이 1600에서도 작동하기 시작합니다. 즉, 고정 에너지의 미니 충돌에 관심이 있는 경우 그 수가 증가하며 14% 증가보다 훨씬 더 많습니다. 양성자 충돌 에너지! 즉, 100-200 GeV 정도의 에너지에서 발생하는 경량 힉스 입자의 출현과 같이 선호하는 에너지를 갖는 모든 프로세스에 대해 동일한 비용으로 더 많은 결과를 얻을 수 있음을 의미합니다. 7 TeV에서 8 TeV로 가는 것은 동일한 수의 양성자 충돌에 대해 더 많은 힉스 입자를 얻는다는 것을 의미합니다. 힉스 입자 생산량이 약 1.5배 증가합니다. 업 쿼크와 특정 유형의 가상 입자의 수는 약간 더 증가합니다.

이는 2012년 양성자 충돌 횟수가 2011년에 비해 3배 증가했지만, 에너지 증가만으로 생성되는 힉스 입자의 총 개수는 거의 4배 가까이 증가한다는 의미다.

그건 그렇고, 그림. 그림 4는 또한 그림 4와 같은 그림에서 묘사된 것처럼 양성자가 단순히 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 구성되지 않는다는 것을 증명합니다. 3. 만약 그렇다면, 쿼크는 양성자 에너지의 약 1/3을 전달해야 하며, 대부분의 미니 충돌은 양성자 충돌 에너지의 약 1/3에 해당하는 에너지(약 2300GeV)에서 발생합니다. 그러나 그래프를 보면 2300GeV 영역에서는 특별한 일이 일어나지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 2300 GeV 미만의 에너지에서는 더 많은 충돌이 발생하며, 에너지가 낮아질수록 더 많은 충돌이 발생합니다. 이는 양성자에는 엄청난 수의 글루온, 쿼크 및 반쿼크가 포함되어 있기 때문입니다. 이들 각각은 양성자의 에너지 중 작은 부분을 전달하지만 그 수가 너무 많아서 수많은 미니 충돌에 참여합니다. 양성자의 이러한 특성은 그림 1에 나와 있습니다. 2 – 실제로 저에너지 글루온과 쿼크-반쿼크 쌍의 수는 그림에 표시된 것보다 훨씬 많습니다.

그러나 그래프에 표시되지 않는 것은 특정 에너지와의 미니 충돌에서 쿼크와 쿼크, 쿼크와 글루온, 글루온과 글루온, 쿼크와 안티쿼크 등의 충돌에 해당하는 비율입니다. 사실 이것은 LHC의 실험에서 직접적으로 말할 수는 없습니다. 쿼크, 반쿼크, 글루온의 제트는 동일하게 보입니다. 우리가 이러한 공유를 어떻게 아는지는 다양한 과거 실험과 이를 결합하는 이론을 포함하는 복잡한 이야기입니다. 그리고 이것으로부터 우리는 가장 높은 에너지의 미니 충돌이 일반적으로 쿼크와 쿼크 사이, 쿼크와 글루온 사이에서 발생한다는 것을 알고 있습니다. 저에너지 충돌은 일반적으로 글루온 사이에서 발생합니다. 쿼크와 반쿼크 사이의 충돌은 비교적 드물지만 특정 물리적 과정에서는 매우 중요합니다.

양성자 내부의 입자 분포

쌀. 5

수직 축의 눈금이 다른 두 그래프는 글루온, 업 또는 다운 쿼크, x에 해당하는 양성자 에너지의 일부를 운반하는 반쿼크와의 충돌 가능성을 상대적으로 보여줍니다. 작은 x에서는 글루온이 지배적입니다(그리고 쿼크와 반쿼크는 글루온보다 여전히 적음에도 불구하고 똑같이 가능성이 있고 많아집니다). 중간 x에서는 쿼크가 지배합니다(그 수는 극히 적습니다).

두 그래프 모두 척도만 다를 뿐 동일한 내용을 표시하므로 한쪽에서 보기 어려운 것을 다른 쪽에서는 보기가 더 쉽습니다. 그들이 보여주는 것은 이것이다: 만약 양성자 빔이 대형 강입자 충돌기에서 여러분에게 다가오고 여러분이 양성자 내부의 무엇인가에 부딪친다면, 업 쿼크, 다운 쿼크, 글루온, 또는 글루온과 충돌할 가능성은 얼마나 됩니까? 업 쿼크인가요, 아니면 다운 쿼크인가요? x에 해당하는 양성자 에너지의 일부를 전달하는 반쿼크인가요? 이 그래프를 통해 다음과 같은 결론을 내릴 수 있습니다.

모든 곡선이 작은 x(아래 그래프 참조)에서 매우 빠르게 성장한다는 사실로부터 양성자에 있는 대부분의 입자는 10%(x) 미만으로 이동한다는 결론이 나옵니다.< 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.
노란색 곡선(아래)은 다른 곡선보다 훨씬 높기 때문에 양성자 에너지의 10% 미만을 전달하는 무언가를 발견하면 글루온일 가능성이 가장 높습니다. 양성자 에너지가 2% 미만이면 쿼크나 반쿼크일 가능성이 동일합니다.
x가 증가함에 따라 글루온 곡선(상단)이 쿼크 곡선 아래로 떨어지기 때문에 양성자 에너지의 20% 이상(x > 0.2)을 운반하는 물체를 만난다면 매우 드물게 발생합니다. 그리고 그것이 업 쿼크일 확률은 다운 쿼크일 확률의 두 배입니다. 이것은 "양성자는 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 구성된다"는 생각의 잔재입니다.
x가 증가하면 모든 곡선이 급격하게 떨어집니다. 양성자 에너지의 50% 이상을 운반하는 물질을 만날 가능성은 거의 없습니다.

이러한 관찰은 그림 1의 그래프에 간접적으로 반영됩니다. 4. 두 그래프에 대한 몇 가지 명확하지 않은 사항은 다음과 같습니다.
양성자 에너지의 대부분은 소수의 고에너지 쿼크와 엄청난 수의 저에너지 글루온으로 (거의 동일하게) 나누어집니다.
입자 중에는 저에너지 글루온이 우세하고 그 다음으로 매우 낮은 에너지를 갖는 쿼크와 반쿼크가 있습니다.

쿼크와 반쿼크의 수는 엄청나지만, 전체 업 쿼크 수에서 전체 업 반쿼크 수를 뺀 수는 2이고, 전체 다운 쿼크 수에서 전체 다운 반쿼크 수를 뺀 수는 1입니다. 위에서 본 것처럼 여분의 쿼크는 여러분을 향해 날아가는 양성자 에너지의 상당 부분(대부분은 아님)을 운반합니다. 그리고 이런 의미에서만 양성자가 기본적으로 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 구성되어 있다고 말할 수 있습니다.

그건 그렇고, 이 모든 정보는 상세한 방정식을 사용하여 결합 된 흥미로운 실험 조합 (주로 양성자 또는 중수소-중수소의 원자핵에서 전자 또는 중성미자의 산란에 관한 것)을 통해 얻은 것입니다. 전자기, 강한 핵 및 약한 핵 상호 작용을 설명합니다. 이 긴 이야기는 1960년대 후반과 1970년대 초반으로 거슬러 올라갑니다. 그리고 Tevatron 및 LHC와 같이 양성자가 양성자와 충돌하고 양성자가 반양성과 충돌하는 충돌기에서 관찰되는 현상을 예측하는 데 효과적입니다.

양성자의 복잡한 구조에 대한 다른 증거

LHC에서 얻은 일부 데이터와 그것이 양성자의 구조에 대한 주장을 어떻게 뒷받침하는지 살펴보겠습니다(많은 실험 덕분에 양성자에 대한 현재의 이해는 3~40년 전으로 거슬러 올라갑니다).

그림의 그래프. 그림 4는 그림 1과 같은 현상이 발생하는 동안 충돌을 관찰한 결과입니다. 6: 한 양성자의 쿼크, 반쿼크, 글루온이 다른 양성자의 쿼크, 반쿼크, 글루온과 충돌하여 흩어집니다(또는 더 복잡한 일이 발생합니다. 예를 들어 두 개의 글루온이 충돌하여 쿼크와 반쿼크로 변합니다). 두 개의 입자(쿼크, 반쿼크 또는 글루온)가 충돌 지점에서 멀리 날아갑니다. 이 두 입자는 제트(강입자 제트)로 변합니다. 제트의 에너지와 방향은 충돌 지점 주변의 입자 탐지기에서 관찰됩니다. 이 정보는 두 개의 원래 쿼크/글루온/반쿼크의 충돌에 얼마나 많은 에너지가 포함되었는지 이해하는 데 사용됩니다. 보다 정확하게는 두 제트의 불변 질량에 c2를 곱한 값이 두 개의 원래 쿼크/글루온/반쿼크의 충돌 에너지를 제공합니다.

쌀. 6

에너지에 따른 이러한 유형의 충돌 횟수는 그림 1에 나와 있습니다. 4. 낮은 에너지에서 충돌 횟수가 훨씬 더 많다는 사실은 양성자 내부의 대부분의 입자가 에너지의 작은 부분만을 전달한다는 사실로 확인됩니다. 데이터는 750 GeV의 에너지에서 시작됩니다.

쌀. 7: 더 작은 데이터 세트에서 가져온 더 낮은 에너지에 대한 데이터입니다. Dijet 질량 – 그림의 m jj와 동일합니다. 4.

그림의 데이터 7은 2010년 CMS 실험에서 가져온 것으로, 최대 220GeV의 에너지까지 육체 충돌을 표시했습니다. 여기의 그래프는 충돌 횟수가 아니라 좀 더 복잡합니다. GeV당 충돌 횟수, 즉 충돌 횟수를 히스토그램 열의 너비로 나눈 값입니다. 전체 데이터 범위에 걸쳐 동일한 효과가 계속 작동하는 것을 볼 수 있습니다. 그림과 같은 충돌이 발생합니다. 6, 높은 에너지보다 낮은 에너지에서 훨씬 더 많이 발생합니다. 그리고 이 숫자는 제트기를 더 이상 구별할 수 없을 때까지 계속 증가합니다. 양성자에는 저에너지 입자가 많이 포함되어 있으며 그 중 에너지의 상당 부분을 운반하는 입자는 거의 없습니다.

양성자에 반쿼크의 존재는 어떻습니까? 그림 1에 묘사된 충돌과 유사하지 않은 가장 흥미로운 세 가지 프로세스. 6, 때때로 LHC에서 발생하는(수백만 개의 양성자-양성자 충돌 중 하나) 과정은 다음과 같습니다.

쿼크 + 반쿼크 -> W+, W- 또는 Z-입자.

그들은 그림에 나와 있습니다. 8.

쌀. 8

CMS의 해당 데이터는 그림 1에 나와 있습니다. 그림 9와 10. 그림 9는 전자나 양전자(왼쪽)와 감지할 수 없는 것(아마도 중성미자 또는 반중성미자), 또는 뮤온과 반뮤온(오른쪽)을 생성하는 충돌 횟수가 올바르게 예측되었음을 보여줍니다. 예측은 표준 모델(알려진 기본 입자의 거동을 예측하는 방정식)과 양성자의 구조를 결합하여 이루어집니다. 데이터의 큰 피크는 W 및 Z 입자의 출현으로 인한 것입니다. 이론은 데이터에 완벽하게 맞습니다.

쌀. 9: 검은색 점 – 데이터, 노란색 – 예측. 이벤트 수는 수천 단위로 표시됩니다. 왼쪽: 중앙 피크는 W 입자의 중성미자로 인해 발생합니다. 오른쪽에는 충돌로 생성된 렙톤과 반틸렙톤이 결합되어 이들이 나온 입자의 질량이 암시됩니다. 피크는 결과적인 Z 입자로 인해 나타납니다.

더욱 자세한 내용은 그림에서 확인할 수 있습니다. 10에서는 이들 측정값뿐만 아니라 많은 관련 측정값(대부분 쿼크와 반쿼크의 충돌과 관련됨)의 수 측면에서 이론이 데이터와 완벽하게 일치한다는 것을 보여줍니다. 데이터(빨간색 점)와 이론(파란색 막대)은 통계적 변동으로 인해 정확히 일치하지 않습니다. 동전을 10번 던져 앞면이 5개, 뒷면이 5개 나오지 않는 것과 같은 이유입니다. 따라서 데이터 포인트는 빨간색 수직 줄무늬인 "오차 막대" 내에 배치됩니다. 대역의 크기는 측정의 30%에 대해 오차 대역이 이론과 경계를 이루어야 하고 측정의 5%에 대해서만 이론에서 두 대역 떨어져 있어야 합니다. 모든 증거는 양성자가 많은 반쿼크를 포함하고 있음을 확인시켜 준다는 것을 알 수 있습니다. 그리고 우리는 양성자 에너지의 일정 부분을 운반하는 반쿼크의 수를 정확하게 이해하고 있습니다.

쌀. 10

그러면 모든 것이 조금 더 복잡해집니다. 우리는 10% 미만의 오류로 W - 입자보다 W + 입자가 얼마나 더 많은지 정확하게 예측하기 때문에 그들이 운반하는 에너지에 따라 얼마나 많은 업 및 다운 쿼크가 있는지도 알고 있습니다(그림 11).

쌀. 열하나

업 반쿼크 대 다운 쿼크의 비율은 1에 가까워야 하지만, 특히 고에너지에서는 다운 쿼크보다 업 쿼크가 더 많아야 합니다. 그림에서. 그림 6에서 우리는 생성된 W + 및 W - 입자의 비율이 대략 W 입자 생성에 관련된 업 쿼크와 다운 쿼크의 비율을 제공해야 함을 알 수 있습니다. 그림 11은 측정된 W+ 대 W- 입자의 비율이 2:1이 아닌 3:2임을 보여줍니다. 이는 또한 양성자가 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 구성된다는 순진한 생각이 너무 단순하다는 것을 보여줍니다. 양성자에는 많은 쿼크-반쿼크 쌍이 포함되어 있고 그 중 상위 및 하위 쌍이 대략 동일하기 때문에 단순화된 2:1 비율이 흐려집니다. 흐려지는 정도는 W 입자의 질량 80GeV에 따라 결정됩니다. 더 가볍게 만들면 더 흐려지고, 더 무거워지면 덜 흐려질 것입니다. 왜냐하면 양성자에 있는 대부분의 쿼크-반쿼크 쌍은 거의 에너지를 전달하지 않기 때문입니다.

마지막으로 양성자를 구성하는 입자의 대부분이 글루온이라는 사실을 확인해보자.

쌀. 12

이를 위해 우리는 톱 쿼크가 쿼크 + 반쿼크 -> 톱 쿼크 + 톱 반쿼크, 또는 글루온 + 글루온 -> 톱 쿼크 + 톱 반쿼크의 두 가지 방법으로 생성될 수 있다는 사실을 이용할 것입니다(그림 12). 우리는 그림 1에 표시된 측정값을 기반으로 운반하는 에너지에 따라 쿼크와 반쿼크의 수를 알고 있습니다. 9-11. 이로부터 우리는 표준모델의 방정식을 사용하여 쿼크와 반쿼크만의 충돌로 인해 얼마나 많은 상부 쿼크가 생성될지 예측할 수 있습니다. 또한 우리는 이전 데이터에 기초하여 양성자에 더 많은 글루온이 있으므로 글루온 + 글루온 -> 톱 쿼크 + 톱 반쿼크 과정이 적어도 5배 더 자주 발생해야 한다고 믿습니다. 거기에 글루온이 있는지 확인하는 것은 쉽습니다. 그렇지 않다면 데이터는 이론적 예측보다 훨씬 낮을 것입니다.
글루온 태그 추가

물리학자들은 물질의 구조를 연구하여 원자가 무엇으로 구성되어 있는지 알아내고 원자핵에 도달하여 양성자와 중성자로 쪼개었습니다. 이 모든 단계는 아주 쉽게 이루어졌습니다. 입자를 필요한 에너지까지 가속하고 서로 밀어내기만 하면 입자 자체가 구성 요소로 분해됩니다.

그러나 양성자와 중성자에서는 이 방법이 더 이상 작동하지 않았습니다. 복합 입자이지만 가장 격렬한 충돌에도 "조각으로 부서질" 수 없습니다. 따라서 물리학자들이 양성자 내부를 관찰하고 그 구조와 모양을 볼 수 있는 다양한 방법을 찾는 데 수십 년이 걸렸습니다. 오늘날 양성자의 구조에 대한 연구는 입자물리학에서 가장 활발한 분야 중 하나입니다.

자연이 힌트를 준다

양성자와 중성자의 구조를 연구한 역사는 1930년대로 거슬러 올라간다. 양성자 외에도 중성자가 발견되었을 때(1932년) 질량을 측정한 후 물리학자들은 그것이 양성자의 질량에 매우 가깝다는 사실에 놀랐습니다. 더욱이 양성자와 중성자는 정확히 같은 방식으로 핵 상호 작용을 "느끼는" 것으로 밝혀졌습니다. 핵력의 관점에서 볼 때 양성자와 중성자는 동일한 입자, 즉 핵의 두 가지 표현으로 간주될 수 있을 정도로 동일합니다. 양성자는 전하를 띤 핵자이고 중성자는 중성 핵자입니다. 양성자를 중성자와 핵력으로 바꾸는 것은 (거의) 아무것도 알아차리지 못할 것입니다.

물리학자들은 이러한 자연의 특성을 대칭으로 표현합니다. 나비가 왼쪽을 오른쪽으로 대체하는 대칭인 것처럼 핵 상호작용은 양성자를 중성자로 대체하는 측면에서 대칭입니다. 이러한 대칭은 핵물리학에서 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 실제로 핵자가 흥미로운 내부 구조를 가지고 있다는 첫 번째 힌트였습니다. 그렇다면 1930년대에 물리학자들은 이 힌트를 깨닫지 못했습니다.

나중에 이해가 왔습니다. 그것은 1940~50년대에 다양한 원소의 핵과 양성자의 충돌 반응에서 과학자들이 점점 더 많은 새로운 입자를 발견하고 놀랐다는 사실에서 시작되었습니다. 양성자도, 중성자도, 핵에 핵자를 보유하는 당시 발견된 파이 중간자가 아니라 완전히 새로운 입자입니다. 그 다양성에도 불구하고 이 새로운 입자들은 두 가지 공통된 특성을 가지고 있었습니다. 첫째, 그들은 핵자와 마찬가지로 핵 상호 작용에 매우 기꺼이 참여했습니다. 이제 그러한 입자를 강입자라고 부릅니다. 둘째, 그들은 극도로 불안정했습니다. 그 중 가장 불안정한 것은 원자핵 크기만큼 날아갈 시간도 없이 단 1조분의 1나노초 만에 다른 입자로 붕괴되었습니다!

오랫동안 하드론 “동물원”은 완전히 엉망이었습니다. 1950년대 말에 물리학자들은 이미 매우 다양한 유형의 강입자를 배웠고 서로 비교하기 시작했으며 갑자기 그 특성에서 특정한 일반적인 대칭, 심지어 주기성을 발견했습니다. 모든 강입자(핵자를 포함) 내부에는 "쿼크"라고 불리는 간단한 물체가 있다고 제안되었습니다. 쿼크를 다양한 방식으로 결합함으로써 실험에서 발견된 것과 정확히 동일한 유형 및 동일한 특성을 갖는 다양한 강입자를 얻을 수 있습니다.

양성자를 양성자로 만드는 것은 무엇입니까?

물리학자들이 하드론의 쿼크 구조를 발견하고 쿼크가 여러 가지 다른 종류로 존재한다는 사실을 알게 된 후, 쿼크에서 다양한 입자를 구성할 수 있다는 것이 분명해졌습니다. 그래서 후속 실험이 계속해서 새로운 강입자를 발견했을 때 아무도 놀라지 않았습니다. 그러나 모든 하드론 중에서 양성자와 마찬가지로 단 두 개의 입자로 구성된 전체 입자 계열이 발견되었습니다. 유-쿼크와 하나 디-쿼크. 양성자의 일종의 "형제". 그리고 여기서 물리학자들은 놀랐습니다.

먼저 한 가지 간단한 관찰을 해보겠습니다. 동일한 "벽돌"로 구성된 여러 개체가 있는 경우 무거운 개체에는 더 많은 "벽돌"이 포함되고, 가벼운 개체에는 더 적은 "벽돌"이 포함됩니다. 이는 결합의 원리, 상부구조의 원리라고 할 수 있는 매우 자연스러운 원리로, 일상생활에서도 물리학에서도 완벽하게 작동합니다. 그것은 심지어 원자핵의 구조에서도 나타납니다. 결국 무거운 핵은 단순히 더 많은 수의 양성자와 중성자로 구성됩니다.

그러나 쿼크 수준에서는 이 원리가 전혀 작동하지 않으며, 물리학자들은 아직 그 이유를 완전히 파악하지 못했습니다. 양성자의 무거운 형제도 양성자와 동일한 쿼크로 구성되어 있지만 양성자보다 1.5배 또는 심지어 2배 더 무겁다는 것이 밝혀졌습니다. 그것들은 양성자와 다르다(그리고 서로 다르다) 구성,그리고 상호 위치쿼크는 이들 쿼크가 서로 상대적인 상태에 따라 결정됩니다. 쿼크의 상대적 위치를 변경하는 것만으로도 충분하며 양성자로부터 눈에 띄게 더 무거운 또 다른 입자를 얻을 수 있습니다.

3개 이상의 쿼크를 함께 모아 모으면 어떻게 될까요? 새로운 무거운 입자가 생길 것인가? 놀랍게도 작동하지 않습니다. 쿼크는 3개로 부서져 여러 개의 흩어진 입자로 변합니다. 어떤 이유에서인지 자연은 많은 쿼크를 하나의 전체로 결합하는 것을 "좋아하지 않습니다"! 아주 최근, 문자 그대로 최근 몇 년 동안 일부 다중 쿼크 입자가 존재한다는 힌트가 나타나기 시작했지만 이는 자연이 얼마나 그것을 좋아하지 않는지 강조할 뿐입니다.

이 조합론으로부터 매우 중요하고 깊은 결론이 도출됩니다. 강입자의 질량은 전혀 쿼크의 질량으로 구성되지 않습니다. 그러나 단순히 구성 벽돌을 재결합하여 강입자의 질량을 늘리거나 줄일 수 있다면, 강입자 질량을 담당하는 것은 쿼크 자체가 아닙니다. 그리고 실제로 후속 실험에서 쿼크 자체의 질량은 양성자 질량의 약 2%에 불과하고 나머지 중력은 쿼크를 서로 묶으십시오. 예를 들어, 쿼크의 상대적 위치를 변경하여 서로 더 멀리 이동시킴으로써 글루온 구름을 변경하여 더 무겁게 만들고 이것이 강입자 질량이 증가하는 이유입니다(그림 1).

빠르게 움직이는 양성자 내부에서는 무슨 일이 일어나고 있나요?

위에서 설명한 모든 것은 정지된 양성자에 관한 것입니다. 물리학자들의 언어로 말하면 이것은 정지 틀에 있는 양성자의 구조입니다. 그러나 이번 실험에서는 양성자의 구조가 다른 조건에서 처음으로 발견됐다. 빠른 비행양성자.

1960년대 후반 가속기에서의 입자 충돌에 대한 실험에서 거의 광속에 가까운 속도로 이동하는 양성자가 내부 에너지가 고르게 분포되지 않고 개별 소형 물체에 집중된 것처럼 행동한다는 사실이 발견되었습니다. 유명한 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)은 이러한 물질 덩어리를 양성자라고 부르겠다고 제안했습니다. 파톤(영어로부터 부분 -부분).

후속 실험에서는 파톤의 많은 특성(예: 전하, 수, 각각이 전달하는 양성자 에너지 비율)을 조사했습니다. 하전된 파톤은 쿼크이고, 중성 파톤은 글루온이라는 것이 밝혀졌습니다. 예, 양성자의 휴지 틀에서 단순히 쿼크를 "제공"하여 서로 끌어당겼던 동일한 글루온은 이제 독립적인 파톤이며 쿼크와 함께 빠르게 움직이는 양성자의 "물질"과 에너지를 운반합니다. 실험에 따르면 에너지의 약 절반은 쿼크에, 절반은 글루온에 저장되는 것으로 나타났습니다.

파톤은 양성자와 전자의 충돌에서 가장 편리하게 연구됩니다. 사실은 양성자와 달리 전자는 강한 핵 상호작용에 참여하지 않으며 양성자와의 충돌은 매우 단순해 보입니다. 전자는 매우 짧은 시간 동안 가상 광자를 방출하고 이는 하전된 파톤과 충돌하여 궁극적으로 생성됩니다. 많은 수의 입자(그림 2). 전자는 양성자를 "개방"하고 별도의 부분으로 나누는 데 탁월한 메스라고 말할 수 있습니다. 그러나 매우 짧은 시간 동안입니다. 가속기에서 이러한 과정이 얼마나 자주 발생하는지 알면 양성자 내부의 입자 수와 전하를 측정할 수 있습니다.

Partons는 실제로 누구입니까?

그리고 여기에서 우리는 물리학자들이 고에너지에서 기본 입자의 충돌을 연구하면서 만든 또 다른 놀라운 발견에 이르렀습니다.

정상적인 조건에서 이 객체 또는 저 객체가 무엇으로 구성되어 있는지에 대한 질문은 모든 참조 시스템에 대한 보편적인 답을 갖습니다. 예를 들어, 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 구성됩니다. 분자가 고정되어 있는지 움직이는 분자인지는 중요하지 않습니다. 하지만 이 규칙은 너무나 자연스러워 보입니다! - 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 기본 입자에 대해 이야기하는 경우 위반됩니다. 한 기준 틀에서 복잡한 입자는 한 세트의 하위 입자로 구성될 수 있고, 다른 기준 틀에서는 다른 하위 입자 세트로 구성될 수 있습니다. 그것은 밝혀졌습니다 구성은 상대적인 개념이다!

어떻게 이럴 수있어? 여기서 핵심은 하나의 중요한 속성입니다. 즉, 우리 세계의 입자 수는 고정되어 있지 않습니다. 입자는 생성되고 사라질 수 있습니다. 예를 들어, 충분히 높은 에너지로 두 개의 전자를 함께 밀면 이 두 전자 외에도 광자, 전자-양전자 쌍 또는 기타 입자가 생성될 수 있습니다. 이 모든 것은 양자 법칙에 의해 허용되며 이것이 바로 실제 실험에서 일어나는 일입니다.

하지만 이 입자의 '비보존 법칙'은 작동합니다. 충돌의 경우입자. 서로 다른 관점에서 동일한 양성자가 서로 다른 입자 세트로 구성된 것처럼 보이는 것은 어떻게 발생합니까? 요점은 양성자가 단지 세 개의 쿼크가 합쳐진 것이 아니라는 것입니다. 쿼크 사이에는 글루온 역장이 있습니다. 일반적으로 힘장(중력장이나 전기장 등)은 공간에 스며들어 입자들이 서로에게 강력한 영향을 미칠 수 있게 하는 일종의 물질적 '개체'이다. 양자 이론에서 이 분야는 특수한 입자이기는 하지만 가상의 입자로도 구성됩니다. 이러한 입자의 수는 고정되어 있지 않습니다. 쿼크에서 지속적으로 "싹이 트고" 다른 쿼크에 흡수됩니다.

휴식양성자는 실제로 3개의 쿼크와 그 사이에 글루온이 점프하는 것으로 생각할 수 있습니다. 그러나 마치 지나가는 "상대론적 기차"의 창에서 보는 것처럼 다른 기준 틀에서 동일한 양성자를 보면 완전히 다른 그림을 보게 될 것입니다. 쿼크를 서로 붙인 가상 글루온은 가상이라기보다는 "더 실제적인" 입자처럼 보일 것입니다. 물론 그들은 여전히 쿼크에 의해 태어나고 흡수되지만 동시에 실제 입자처럼 쿼크 옆을 날아다니며 한동안 스스로 살아갑니다. 한 기준 프레임의 단순한 역장처럼 보이는 것이 다른 프레임에서는 입자 흐름으로 변합니다! 우리는 양성자 자체를 건드리지 않고 단지 다른 기준 틀에서만 본다는 점에 유의하십시오.

뿐만 아니라. 우리의 "상대론적 기차"의 속도가 빛의 속도에 가까울수록 우리가 양성자 내부에서 볼 수 있는 그림은 더욱 놀랍습니다. 빛의 속도에 가까워질수록 양성자 내부에 글루온이 점점 더 많아지는 것을 알 수 있습니다. 더욱이, 그들은 때때로 쿼크-반쿼크 쌍으로 나누어지며, 이는 또한 근처로 날아가고 파톤으로도 간주됩니다. 결과적으로, 초상대론적 양성자, 즉 빛의 속도에 매우 가까운 속도로 우리에 대해 상대적으로 움직이는 양성자는 함께 날아가고 서로를 지지하는 것처럼 보이는 쿼크, 반쿼크 및 글루온의 상호 침투 구름 형태로 나타납니다. . 삼).

상대성 이론에 익숙한 독자라면 걱정할 수도 있습니다. 모든 물리학은 모든 관성 기준계에서 모든 과정이 동일한 방식으로 진행된다는 원리에 기초합니다. 그리고 양성자의 구성은 우리가 관찰하는 기준틀에 따라 달라진다는 것이 밝혀졌습니다.

네, 맞습니다. 하지만 이것이 상대성 이론에 위배되는 것은 아닙니다. 물리적 과정의 결과(예: 충돌로 인해 어떤 입자와 얼마나 많은 입자가 생성되는지)는 변하지 않는 것으로 나타났습니다. 그러나 양성자의 구성은 기준 틀에 따라 달라집니다.

언뜻 보기에는 이상하지만 모든 물리 법칙을 충족하는 이 상황이 그림 4에 개략적으로 설명되어 있습니다. 이는 고에너지를 갖는 두 양성자의 충돌이 서로 다른 기준 프레임에서 어떻게 보이는지 보여줍니다. 즉, 한 양성자의 나머지 프레임에서, 다른 양성자의 나머지 프레임에 있는 질량 프레임의 중심입니다. 양성자 사이의 상호작용은 쪼개지는 글루온의 연쇄반응을 통해 이루어지지만, 한 경우에만 이 연쇄가 하나의 양성자의 "내부"로 간주되고, 다른 경우에는 다른 양성자의 일부로 간주되며, 세 번째 경우에는 단순히 일부 두 양성자 사이에서 교환되는 물체. 이 캐스케이드는 실제로 존재하지만 프로세스의 어느 부분에 귀속되어야 하는지는 참조 프레임에 따라 다릅니다.

양성자의 3D 초상화

우리가 방금 이야기한 모든 결과는 아주 오래 전, 즉 지난 세기 60~70년대에 수행된 실험을 기반으로 한 것입니다. 그 이후로 모든 것을 연구해야 하고 모든 질문에 대한 답을 찾아야 했던 것 같습니다. 그러나 아닙니다. 양성자의 구조는 여전히 입자 물리학에서 가장 흥미로운 주제 중 하나로 남아 있습니다. 더욱이 물리학자들이 빠르게 움직이는 양성자의 "3차원" 초상화를 얻는 방법을 알아냈기 때문에 최근 몇 년 동안 이에 대한 관심이 다시 높아졌습니다. 이는 정지한 양성자의 초상화보다 훨씬 어려운 것으로 밝혀졌습니다.

양성자 충돌에 대한 고전적인 실험은 파톤의 수와 에너지 분포에 대해서만 알려줍니다. 이러한 실험에서 파톤은 독립적인 개체로 참여합니다. 즉, 파톤이 서로 상대적으로 어떻게 위치하는지 또는 정확히 얼마나 양성자에 추가되는지 알아내는 것이 불가능하다는 것을 의미합니다. 오랫동안 물리학자들은 빠르게 움직이는 양성자의 “1차원” 초상화만을 이용할 수 있었다고 말할 수 있습니다.

양성자의 실제 3차원 초상화를 구축하고 공간 내 파톤의 분포를 알아내기 위해서는 40년 전에 가능했던 것보다 훨씬 더 미묘한 실험이 필요합니다. 물리학자들은 말 그대로 지난 10년 동안 아주 최근에 그러한 실험을 수행하는 방법을 배웠습니다. 그들은 전자가 양성자와 충돌할 때 발생하는 수많은 반응 중에서 하나의 특별한 반응이 있다는 것을 깨달았습니다. 심층 가상 콤프턴 산란, - 이는 양성자의 3차원 구조에 대해 알려줄 수 있습니다.

일반적으로 콤프턴 산란 또는 콤프턴 효과는 광자와 입자(예: 양성자)의 탄성 충돌입니다. 이는 다음과 같습니다. 광자가 도착하고 양성자에 흡수되어 짧은 시간 동안 들뜬 상태로 들어갔다가 원래 상태로 돌아가서 어떤 방향으로 광자를 방출합니다.

일반적인 광자의 콤프턴 산란은 흥미로운 결과를 가져오지 않습니다. 이는 단순히 양성자에서 나오는 빛의 반사일 뿐입니다. 양성자의 내부 구조가 "작용"하고 쿼크의 분포가 "느껴지"려면 일반 빛보다 수십억 배 더 많은 매우 높은 에너지의 광자를 사용해야 합니다. 그리고 가상의 광자이기는 하지만 이러한 광자는 입사 전자에 의해 쉽게 생성됩니다. 이제 하나를 다른 것과 결합하면 깊은 가상 Compton 산란이 발생합니다(그림 5).

이 반응의 주요 특징은 양성자를 파괴하지 않는다는 것입니다. 입사 광자는 단지 양성자와 충돌하는 것이 아니라, 말하자면 조심스럽게 그것을 느낀 다음 날아갑니다. 날아가는 방향과 양성자가 취하는 에너지의 일부는 양성자의 구조, 내부에 있는 파톤의 상대적 배열에 따라 달라집니다. 그렇기 때문에 이 과정을 연구함으로써 양성자의 입체적인 모습을 마치 '조각을 조각하는' 것처럼 복원하는 것이 가능합니다.

사실, 이것은 실험물리학자가 하기에는 매우 어려운 일입니다. 필요한 프로세스가 거의 발생하지 않으며 등록도 어렵습니다. 이 반응에 대한 첫 번째 실험 데이터는 2001년 함부르크에 있는 독일 DESY 가속기 단지의 HERA 가속기에서 얻어졌습니다. 이제 새로운 일련의 데이터가 실험자들에 의해 처리되고 있습니다. 그러나 이미 오늘날 이론가들은 첫 번째 데이터를 기반으로 양성자 내 쿼크와 글루온의 3차원 분포를 그려내고 있습니다. 이전에는 물리학자들이 가정만 했을 뿐이었던 물리량이 마침내 실험에서 "나타나기" 시작했습니다.

이 분야에서 우리를 기다리고 있는 예상치 못한 발견이 있을까요? 그럴 가능성이 높습니다. 설명을 위해 2008년 11월에 빠르게 움직이는 양성자가 평평한 디스크처럼 보여서는 안 되며 양면 오목 렌즈처럼 보여야 한다는 흥미로운 이론 논문이 나왔다고 가정해 보겠습니다. 이는 양성자의 중앙 영역에 있는 파톤이 가장자리에 있는 파톤보다 세로 방향으로 더 강하게 압축되기 때문에 발생합니다. 이러한 이론적 예측을 실험적으로 테스트하는 것은 매우 흥미로울 것입니다!

이 모든 것이 물리학자들에게 흥미로운 이유는 무엇입니까?

왜 물리학자들은 양성자와 중성자 내부에 물질이 어떻게 분포되어 있는지 정확히 알아야 합니까?

첫째, 이것은 물리학 발전의 논리 자체에 의해 요구됩니다. 세상에는 현대 이론 물리학이 아직 완전히 대처할 수 없는 놀랍도록 복잡한 시스템이 많이 있습니다. 하드론은 그러한 시스템 중 하나입니다. 강입자의 구조를 이해함으로써 우리는 이론 물리학의 능력을 연마하고 있으며 이는 보편적인 것으로 판명될 수 있으며 아마도 초전도체 또는 특이한 특성을 가진 기타 물질 연구와 같이 완전히 다른 것에 도움이 될 것입니다.

둘째, 핵물리학에는 직접적인 이점이 있습니다. 원자핵을 연구해 온 거의 100년의 역사에도 불구하고 이론가들은 여전히 양성자와 중성자 사이의 정확한 상호 작용 법칙을 알지 못합니다.

그들은 실험 데이터를 바탕으로 이 법칙을 부분적으로 추측해야 하고, 핵자의 구조에 대한 지식을 바탕으로 부분적으로 구성해야 합니다. 이것이 핵자의 3차원 구조에 관한 새로운 데이터가 도움이 될 곳입니다.

셋째, 몇 년 전에 물리학자들은 물질의 새로운 집합체 상태인 쿼크-글루온 플라즈마를 얻을 수 있었습니다. 이 상태에서 쿼크는 개별 양성자와 중성자 내부에 머무르지 않고 핵 물질 덩어리 전체를 자유롭게 돌아다닙니다. 예를 들어, 이는 다음과 같이 달성될 수 있습니다. 무거운 핵은 가속기에서 빛의 속도에 매우 가까운 속도로 가속된 다음 정면으로 충돌합니다. 이 충돌에서는 매우 짧은 시간 동안 수조 도의 온도가 발생하여 핵이 녹아 쿼크-글루온 플라즈마로 변합니다. 따라서 이러한 핵융해에 대한 이론적 계산을 위해서는 핵자의 3차원 구조에 대한 풍부한 지식이 필요하다는 것이 밝혀졌습니다.

마지막으로, 이러한 데이터는 천체물리학에 매우 필요합니다. 무거운 별이 수명을 다해 폭발할 때, 중성자와 쿼크별과 같은 극도로 조밀한 물체를 남기는 경우가 많습니다. 이 별의 핵심은 전적으로 중성자로 구성되어 있으며 어쩌면 차가운 쿼크-글루온 플라즈마일 수도 있습니다. 그러한 별들은 오랫동안 발견되어 왔지만 그 안에서 무슨 일이 일어나고 있는지 추측할 수 있을 뿐입니다. 따라서 쿼크 분포에 대한 올바른 이해는 천체 물리학의 발전으로 이어질 수 있습니다.

다섯 글자의 기본 입자가 모두 아래에 나열되어 있습니다. 각 정의에 대해 간략한 설명이 제공됩니다.

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기본 입자 목록

광자

이는 빛과 같은 전자기 복사의 양자입니다. 빛은 빛의 흐름으로 구성된 현상입니다. 광자는 기본 입자입니다. 광자는 중성 전하를 가지며 질량은 0입니다. 광자 스핀은 1과 같습니다. 광자는 하전 입자 사이의 전자기 상호 작용을 전달합니다. 광자라는 용어는 빛을 의미하는 그리스어 phos에서 유래되었습니다.

포논

이는 평형 위치에서 결정 격자의 원자와 분자의 탄성 진동과 변위의 양자인 준입자입니다. 결정 격자에서는 원자와 분자가 끊임없이 상호 작용하며 서로 에너지를 공유합니다. 이와 관련하여 개별 원자의 진동과 유사한 현상을 연구하는 것은 거의 불가능합니다. 따라서 일반적으로 결정 격자 내부의 음파 전파 유형에 따라 원자의 무작위 진동이 고려됩니다. 이 파동의 양자는 포논입니다. 포논(phonon)이라는 용어는 그리스어 전화(소리)에서 유래되었습니다.

파존

변동 위상자는 합금이나 다른 이종상 시스템에서 여기되는 준입자로, 전자와 같은 하전 입자 주위에 전위 우물(강자성 영역)을 형성하고 이를 포착합니다.

로톤

이는 초유체 액체에서 소용돌이 운동의 발생과 관련된 높은 충격 영역의 초유체 헬륨의 기본 여기에 해당하는 준입자입니다. 라틴어로 번역된 Roton은 회전, 회전을 의미합니다. Roton은 0.6K보다 큰 온도에서 나타나며 정규 밀도 엔트로피 등과 같은 열용량의 온도 의존적 특성을 기하급수적으로 결정합니다.

중간자

불안정한 비원소 입자입니다. 중간자는 우주선의 중전자입니다.
중간자의 질량은 전자의 질량보다 크고 양성자의 질량보다 작습니다.

중간자에는 짝수의 쿼크와 반쿼크가 있습니다. 중간자에는 파이온, 카온 및 기타 무거운 중간자가 포함됩니다.

쿼크

그것은 물질의 기본 입자이지만 지금까지는 가설에 불과합니다. 쿼크는 일반적으로 6개의 입자와 그 반입자(반쿼크)라고 불리며, 이는 다시 특수 기본 입자 하드론 그룹을 구성합니다.

양성자, 뉴런 등 강한 상호작용에 참여하는 입자는 서로 밀접하게 연결된 쿼크로 구성되어 있다고 믿어집니다. 쿼크는 끊임없이 다양한 조합으로 존재합니다. 빅뱅 이후 첫 순간에 쿼크가 자유로운 형태로 존재할 수 있다는 이론이 있습니다.

글루온

기본 입자. 한 이론에 따르면, 글루온은 쿼크를 서로 접착시켜 양성자와 뉴런과 같은 입자를 형성하는 것으로 보입니다. 일반적으로 글루온은 물질을 구성하는 가장 작은 입자입니다.

보손

보존-준입자 또는 보스-입자. 보존은 0 또는 정수 스핀을 갖습니다. 이름은 물리학자 Shatyendranath Bose를 기리기 위해 주어졌습니다. 보존은 무제한으로 동일한 양자 상태를 가질 수 있다는 점에서 다릅니다.

하드론

하드론은 실제로는 기본이 아닌 기본 입자입니다. 쿼크, 반쿼크, 글루온으로 구성됩니다. 하드론은 색 전하가 없으며 핵을 포함한 강력한 상호 작용에 참여합니다. 하드론이라는 용어는 그리스어 아드로스(adros)에서 유래한 것으로 크고 거대하다는 뜻이다.

이 기사에서는 화학 및 물리학에 사용되는 다른 원소와 함께 우주의 기초를 형성하는 기본 입자인 양성자에 대한 정보를 찾을 수 있습니다. 양성자의 특성, 화학적 특성 및 안정성이 결정됩니다.

양성자 란 무엇입니까?

양성자는 중입자로 분류되는 기본 입자의 대표자 중 하나입니다. 페르미온은 강하게 상호작용하며 입자 자체는 3개의 쿼크로 구성됩니다. 양성자는 안정된 입자이며 개인적인 운동량(스핀 ½)을 가지고 있습니다. 양성자의 물리적 명칭은 다음과 같다. 피(또는 피 +)

양성자는 열핵형 과정에 참여하는 기본 입자입니다. 본질적으로 우주 전체에 걸쳐 별이 생성하는 주요 에너지원은 이러한 유형의 반응입니다. 태양에 의해 방출되는 에너지의 거의 전체 양은 두 개의 양성자에서 하나의 중성자가 형성되어 4개의 양성자가 하나의 헬륨 핵으로 결합되어 존재합니다.

양성자 고유의 성질

양성자는 중입자의 대표자 중 하나입니다. 그것은 사실이다. 양성자의 전하와 질량은 일정한 양입니다. 양성자는 전기적으로 +1로 전하를 띠고, 질량은 다양한 측정 단위로 측정되며 단위는 MeV 938.272 0813(58)이고, 양성자 킬로그램 단위는 1.672 621 898(21) 10 −27 kg입니다. 원자 질량 단위로 나타낸 양성자의 무게는 1.007 276 466 879(91) a입니다. e.m., 그리고 전자의 질량과 관련하여 양성자의 무게는 전자와 관련하여 1836.152 673 89(17)입니다.

물리학의 관점에서 이미 위에 정의된 양성자는 아이소스핀 +½의 투영을 갖는 기본 입자이며, 핵 물리학은 이 입자를 반대 부호로 인식합니다. 양성자 자체는 핵자이며 3개의 쿼크로 구성됩니다(2개의 u 쿼크와 1개의 d 쿼크).

양성자의 구조는 미국의 핵물리학자인 로버트 호프스태터(Robert Hofstadter)에 의해 실험적으로 연구되었습니다. 이 목표를 달성하기 위해 물리학자는 양성자와 고에너지 전자를 충돌시켰고, 그의 설명으로 노벨 물리학상을 수상했습니다.

양성자는 양성자 전하 에너지의 약 35%를 포함하고 밀도가 상당히 높은 코어(무거운 코어)를 포함합니다. 코어를 둘러싸는 껍질은 상대적으로 배출됩니다. 껍질은 주로 p 유형과 p 유형의 가상 중간자로 구성되어 있으며 양성자의 전위의 약 50%를 전달하고 대략 0.25 * 10 13 ~ 1.4 * 10 13 거리에 위치합니다. 더욱이, 약 2.5 * 10 13 cm 거리에서 껍질은 가상 중간자로 구성되어 있으며 양성자 전하의 대략 나머지 15%를 포함하고 있습니다.

양성자 안정성 및 안정성

자유 상태에서 양성자는 붕괴의 징후를 보이지 않으며 이는 안정성을 나타냅니다. 중입자의 가장 가벼운 대표자인 양성자의 안정 상태는 중입자 수 보존 법칙에 의해 결정됩니다. SBC 법칙을 위반하지 않으면서 양성자는 중성미자, 양전자 및 기타 가벼운 기본 입자로 붕괴될 수 있습니다.

원자핵의 양성자는 K, L, M 원자 껍질을 가진 특정 유형의 전자를 포획하는 능력을 가지고 있습니다. 전자 포획이 완료된 양성자는 중성자로 변환되어 결과적으로 중성미자를 방출하며, 전자 포획의 결과로 형성된 "정공"은 기본 원자층 위의 전자로 채워집니다.

비관성 기준계에서 양성자는 계산할 수 있는 제한된 수명을 획득해야 합니다. 이는 Unruh 효과(방사선)로 인해 발생하며, 이는 양자장 이론에서 가속되는 기준계에서 열복사의 가능성을 예측합니다. 이런 유형의 방사선이 없습니다. 따라서 양성자는 수명이 한정되어 있으면 베타 붕괴를 거쳐 양전자, 중성자 또는 중성미자로 변할 수 있습니다. 이러한 붕괴 과정 자체는 ZSE에 의해 금지되어 있습니다.

화학에서 양성자의 사용

양성자는 단일 양성자로 구성된 H 원자이며 전자가 없으므로 화학적 의미에서 양성자는 H 원자의 하나의 핵입니다. 양성자와 쌍을 이루는 중성자는 원자의 핵을 생성합니다. Dmitry Ivanovich Mendeleev의 PTCE에서 원소 번호는 특정 원소의 원자에 포함된 양성자 수를 나타내며 원소 번호는 원자 전하에 의해 결정됩니다.