Protono komponentas 5. Elementariosios dalelės

• Vertimas

Ryžiai. 1: vandenilio atomas. Ne pagal mastelį.

Jūs žinote, kad Didysis hadronų greitintuvas iš esmės sumuša protonus vienas į kitą. Bet kas yra protonas?

Visų pirma, tai baisi ir visiška netvarka. Toks pat bjaurus ir chaotiškas kaip vandenilio atomas yra paprastas ir elegantiškas.

Bet kas tada yra vandenilio atomas?

Tai yra paprasčiausias pavyzdys to, ką fizikai vadina „susietąja būsena“. „Valstybė“ iš esmės reiškia tai, kas egzistuoja jau gana ilgą laiką, o „susijungta“ reiškia, kad jos komponentai yra tarpusavyje susiję, kaip sutuoktiniai santuokoje. Tiesą sakant, čia labai tinka susituokusios poros pavyzdys, kai vienas sutuoktinis yra daug sunkesnis už kitą. Protonas sėdi centre, vos juda, o palei objekto kraštus juda elektronas, judantis greičiau nei tu ir aš, bet daug lėčiau nei šviesos greitis, universali greičio riba. Taikus santuokinės idilės vaizdas.

Arba taip atrodo, kol nepažvelgsime į patį protoną. Paties protono vidus labiau panašus į komuną, kurioje tankiai susigrūdę vieniši suaugusieji ir vaikai: grynas chaosas. Tai taip pat yra surišta būsena, tačiau ji jungia ne ką nors paprasto, pavyzdžiui, protoną su elektronu, kaip vandenilyje, arba bent kelias dešimtis elektronų su atomo branduoliu, kaip sudėtingesniuose atomuose, pavyzdžiui, aukso, bet nesuskaičiuojamas skaičius ( tai yra, jų yra per daug ir jos keičiasi per greitai, kad būtų praktiškai suskaičiuotos) lengvos dalelės, vadinamos kvarkais, antikvarkais ir gliuonais. Neįmanoma paprasčiausiai apibūdinti protono sandaros, nupiešti paprastų paveikslų – ji itin netvarkinga. Visi kvarkai, gliuonai, antikvarkai veržiasi viduje maksimaliu įmanomu greičiu, beveik šviesos greičiu.

Ryžiai. 2: protono vaizdas. Įsivaizduokite, kad visi kvarkai (aukštyn, žemyn, keistai - u,d,s), antikvarkai (u,d,s su brūkšneliu) ir gliuonai (g) slenka pirmyn ir atgal beveik šviesos greičiu, susiduria su kiekvienu kita, atsiranda ir išnyksta

Galbūt girdėjote, kad protonas susideda iš trijų kvarkų. Bet tai yra melas – dėl didesnio gėrio, bet vis tiek gana didelis. Tiesą sakant, protone yra begalė gliuonų, antikvarkų ir kvarkų. Standartinė santrumpa „protonas susideda iš dviejų aukštyn kvarkų ir vieno žemyn kvarko“ tiesiog sako, kad protonas turi dviem aukštesniais kvarkais daugiau nei aukštyn kvarkais ir vienu žemyn kvarku daugiau nei žemyn. Kad šis sumažinimas būtų teisingas, prie jo būtina pridėti „ir dar daugybę gliuonų ir kvarkų-antikvarkų porų“. Be šios frazės protono idėja bus taip supaprastinta, kad bus visiškai neįmanoma suprasti LHC veikimo.

Ryžiai. 3: mažas baltas melas stereotipiniame Vikipedijos paveikslėlyje

Apskritai, atomai, palyginti su protonais, yra tarsi pas de deux sudėtingame balete, palyginti su diskoteka, užpildyta girtų paauglių, šokinėjančių aukštyn ir žemyn ir mojuojančių DJ.

Štai kodėl, jei esate teoretikas, bandantis suprasti, ką LHC matys protonų susidūrimo metu, jums bus sunku. Labai sunku numatyti susidūrimų tarp objektų, kurių negalima paprastai aprašyti, rezultatus. Tačiau, laimei, nuo aštuntojo dešimtmečio, remdamiesi Bjorken 60-ųjų idėjomis, teoriniai fizikai rado gana paprastą ir veikiančią technologiją. Tačiau jis vis tiek veikia iki tam tikrų ribų, kurių tikslumas yra apie 10%. Dėl šios ir kai kurių kitų priežasčių mūsų LHC skaičiavimų patikimumas visada yra ribotas.

Kitas dalykas, susijęs su protonu, yra tai, kad jis yra mažas. Tikrai mažytis. Jei susprogdinsite vandenilio atomą iki savo miegamojo dydžio, protonas bus dulkių grūdelio dydžio, toks mažas, kad jį bus labai sunku pastebėti. Būtent todėl, kad protonas yra toks mažas, galime nekreipti dėmesio į jame vykstantį chaosą, apibūdindami vandenilio atomą kaip paprastą. Tiksliau, protono dydis yra 100 000 kartų mažesnis už vandenilio atomo dydį.

Palyginimui, Saulės dydis yra tik 3000 kartų mažesnis už Saulės sistemos dydį (matuojant Neptūno orbita). Teisingai – atomas tuštesnis nei Saulės sistema! Prisiminkite tai, kai žiūrite į dangų naktį.

Bet jūs galite paklausti: „Palauk! Norite pasakyti, kad Didysis hadronų greitintuvas kažkaip susiduria su protonais, kurie yra 100 000 kartų mažesni už atomą? Kaip tai netgi įmanoma?

Puikus klausimas.

Protonų susidūrimai, palyginti su mini kvarkų, gliuonų ir antikvarkų susidūrimais

Protonų susidūrimai LHC vyksta su tam tikra energija. 2011 m. buvo 7 TeV = 7000 GeV, o 2012 m. – 8 TeV = 8000 GeV. Tačiau dalelių fizikai daugiausia domisi vieno protono kvarko susidūrimais su kito protono antikvarku arba dviejų gliuonų susidūrimais ir pan. – kažkas, kas gali lemti tikrai naujo fizinio reiškinio atsiradimą. Šie mini susidūrimai neša nedidelę visos protonų susidūrimo energijos dalį. Kiek šios energijos jie gali nešti ir kodėl reikėjo padidinti susidūrimo energiją nuo 7 TeV iki 8 TeV?

Atsakymas yra pav. 4. Grafike parodytas ATLAS detektoriaus aptiktų susidūrimų skaičius. 2011 m. vasaros duomenys apima kvarkų, antikvarkų ir gliuonų sklaidą iš kitų kvarkų, antikvarkų ir gliuonų. Tokie mini susidūrimai dažniausiai sukuria dvi čiurkšles (hadronų srovę, didelės energijos kvarkų, gliuonų ar antikvarkų, išmuštų iš pirminių protonų, apraiškas). Matuojamos čiurkšlių energijos ir kryptys, o iš šių duomenų nustatomas energijos kiekis, kuris turėjo būti susijęs su mini susidūrimu. Grafike parodytas tokio tipo mini susidūrimų skaičius kaip energijos funkcija. Vertikali ašis yra logaritminė – kiekviena eilutė reiškia 10 kartų padidėjusį kiekį (10 n reiškia 1, o n nulių po jos). Pavyzdžiui, mini susidūrimų skaičius energijos intervale nuo 1550 iki 1650 GeV buvo apie 10 3 = 1000 (pažymėtas mėlynomis linijomis). Atkreipkite dėmesį, kad grafikas prasideda nuo 750 GeV, bet mažų susidūrimų skaičius toliau didėja, kai tiriame mažesnės energijos purkštukus, kol jie tampa per silpni, kad juos būtų galima aptikti.

Ryžiai. 4: susidūrimų skaičius kaip energijos funkcija (m jj)

Apsvarstykite, kad bendras protonų ir protonų susidūrimų skaičius, kurio energija yra 7 TeV = 7000 GeV, priartėjo prie 100 000 000 000 000 ir iš visų šių susidūrimų tik du mini susidūrimai viršijo 3500 GeV – pusę protonų susidūrimo energijos. Teoriškai mini susidūrimo energija galėtų padidėti iki 7000 GeV, tačiau to tikimybė nuolat mažėja. 6000 GeV mini susidūrimus matome taip retai, kad vargu ar pamatysime 7000 GeV, net jei surinksime 100 kartų daugiau duomenų.

Kokie yra susidūrimo energijos padidinimo nuo 7 TeV 2010–2011 m. iki 8 TeV 2012 m. privalumai? Akivaizdu, kad tai, ką galėtumėte padaryti energijos lygiu E, dabar galite padaryti esant energijos lygiui 8/7 E ≈ 1,14 E. Taigi, jei anksčiau galėjote tikėtis tiek daug duomenų matyti tam tikro tipo hipotetinės dalelės ženklų su 1000 GeV/c 2 masės, dabar galime tikėtis pasiekti bent 1100 GeV/c 2 su tuo pačiu duomenų rinkiniu. Mašinos galimybės didėja – galima ieškoti kiek didesnės masės dalelių. O jei 2012 metais surinksite tris kartus daugiau duomenų nei 2011 metais, gausite daugiau susidūrimų kiekvienam energijos lygiui ir galėsite pamatyti hipotetinės dalelės, kurios masė, tarkime, 1200 GeV/s 2, parašą.

Bet tai dar ne viskas. Pažiūrėkite į mėlynas ir žalias linijas pav. 4: jie rodo, kad jie įvyksta esant 1400 ir 1600 GeV energijoms – taip, kad jos tarpusavyje koreliuoja kaip nuo 7 iki 8. Kai protonų susidūrimo energijos lygis yra 7 TeV, mini kvarkų susidūrimų su kvarkais skaičius , kvarkai su gliuonais ir kt. P. kurių energija 1400 GeV yra daugiau nei dvigubai daugiau nei susidūrimų, kurių energija yra 1600 GeV. Bet kai mašina padidina energiją 8/7, tai, kas dirbo už 1400, pradeda veikti už 1600. Kitaip tariant, jei jus domina fiksuotos energijos mini susidūrimai, jų skaičius didėja - ir daug daugiau nei 14% padidėjimas. protonų susidūrimo energijoje! Tai reiškia, kad atliekant bet kokį procesą su pageidaujama energija, tarkime, atsiradus lengvoms Higgso dalelėms, kurios vyksta esant maždaug 100–200 GeV energijai, už tuos pačius pinigus gausite daugiau rezultatų. Nuo 7 iki 8 TeV reiškia, kad už tiek pat protonų susidūrimų gausite daugiau Higgso dalelių. Higso dalelių gamyba padidės maždaug 1,5. Kvarkų ir tam tikrų tipų hipotetinių dalelių skaičius dar padidės.

Tai reiškia, kad nors 2012 metais protonų susidūrimų skaičius yra 3 kartus didesnis nei 2011 metais, bendras pagamintų Higgso dalelių skaičius vien dėl energijos padidėjimo padidės beveik 4 kartus.

Beje, pav. 4 paveikslas taip pat įrodo, kad protonai susideda ne tik iš dviejų aukštyn ir vieno žemyn kvarko, kaip parodyta brėžiniuose, pvz., Fig. 3. Jei taip būtų, kvarkai turėtų perduoti apie trečdalį protonų energijos, o dauguma mini susidūrimų įvyktų esant maždaug trečdaliui protonų susidūrimo energijos: maždaug 2300 GeV. Tačiau grafikas rodo, kad 2300 GeV srityje nieko ypatingo nevyksta. Esant žemesnei nei 2300 GeV energijai, susidūrimų įvyksta daug daugiau, ir kuo žemiau, tuo daugiau susidūrimų matote. Taip yra todėl, kad protone yra daugybė gliuonų, kvarkų ir antikvarkų, kurių kiekvienas perduoda nedidelę protono energijos dalį, tačiau jų yra tiek daug, kad jie dalyvauja daugybėje mini susidūrimų. Ši protono savybė parodyta Fig. 2 – nors iš tikrųjų mažos energijos gliuonų ir kvarko-antikvarko porų skaičius yra daug didesnis nei parodyta paveikslėlyje.

Tačiau diagrama neparodo trupmenos, kuri mini susidūrimų su tam tikra energija metu patenka į kvarkų susidūrimą su kvarkais, kvarkų su gliuonais, gluonų su gliuonais, kvarkų su antikvarkais ir kt. Tiesą sakant, to negalima pasakyti tiesiogiai iš eksperimentų LHC – kvarkų, antikvarkų ir gliuonų purkštukai atrodo vienodai. Tai, kaip žinome šias dalis, yra sudėtinga istorija, apimanti daugybę skirtingų praeities eksperimentų ir juos sujungiančios teorijos. Ir iš to žinome, kad didžiausios energijos mini susidūrimai dažniausiai įvyksta tarp kvarkų ir kvarkų bei tarp kvarkų ir gliuonų. Mažos energijos susidūrimai dažniausiai įvyksta tarp gliuonų. Kvarkų ir antikvarkų susidūrimai yra gana reti, tačiau jie yra labai svarbūs tam tikriems fiziniams procesams.

Dalelių pasiskirstymas protono viduje

Ryžiai. 5

Du grafikai, besiskiriantys vertikalios ašies masteliu, rodo santykinę susidūrimo su gliuonu, aukštyn arba žemyn kvarku arba antikvarku, turinčiu protono energijos dalį, lygią x, tikimybę. Esant mažam x, dominuoja gliuonai (ir kvarkai ir antikvarkai tampa vienodai tikėtini ir daugybe, nors jų vis tiek yra mažiau nei gliuonų), o ties vidutiniu x dominuoja kvarkai (nors jų tampa itin mažai).

Abu grafikai rodo tą patį, tik skirtingu masteliu, todėl tai, kas sunkiai matoma vienoje iš jų, lengviau matoma kitoje. Jie rodo štai ką: jei protonų spindulys patenka į jus Didžiajame hadronų greitintuve ir jūs pataikote į kažką protono viduje, kokia tikimybė, kad pataikysi į aukštyn kvarką, žemyninį kvarką, gliuoną ar aukštyn antikvarkas, ar antikvarkas, kuris neša dalį protono energijos, lygią x? Iš šių grafikų galima daryti išvadą, kad:

Iš to, kad visos kreivės labai greitai auga ties mažu x (matoma apatiniame grafike), išplaukia, kad dauguma dalelių protone perduoda mažiau nei 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.
Kadangi geltona kreivė (žemiau) yra daug aukštesnė už kitas, tai reiškia, kad jei susidursite su kažkuo, kuris neša mažiau nei 10% protono energijos, greičiausiai tai yra gliuonas; ir nukritus žemiau 2% protonų energijos, tai vienodai tikėtina, kad tai bus kvarkai arba antikvarkai.
Kadangi gliuono kreivė (viršuje) nukrenta žemiau kvarko kreivių, kai x didėja, tai reiškia, kad jei susidursite su kažkuo, turinčiu daugiau nei 20 % (x > 0,2) protono energijos – o tai yra labai, labai retai –, tai greičiausiai kvarkas, o tikimybė, kad tai yra aukštyn kvarkas, yra dvigubai didesnė nei tikimybė, kad tai yra žemyn kvarkas. Tai yra idėjos, kad „protonas yra du aukštyn ir vienas žemyn kvarkai“, liekana.
Visos kreivės smarkiai krenta, kai x didėja; Labai mažai tikėtina, kad susidursite su kažkuo, turinčiu daugiau nei 50% protono energijos.

Šie stebėjimai netiesiogiai atsispindi grafike Fig. 4. Štai dar keli neaiškūs dalykai apie dvi diagramas:
Didžioji protonų energijos dalis yra padalinta (maždaug po lygiai) tarp nedaugelio didelės energijos kvarkų ir daugybės mažos energijos gliuonų.
Tarp dalelių vyrauja mažos energijos gliuonai, po kurių seka labai mažos energijos kvarkai ir antikvarkai.

Kvarkų ir antikvarkų skaičius yra didžiulis, bet: bendras kvarkų skaičius atėmus bendrą aukštųjų antikvarkų skaičių yra du, o bendras pūkinių kvarkų skaičius atėmus bendrą pūkinių antikvarkų skaičių yra vienas. Kaip matėme aukščiau, papildomi kvarkai neša didelę (bet ne didžiąją) dalį protono, skrendančio link jūsų, energijos. Ir tik šia prasme galime pasakyti, kad protonas iš esmės susideda iš dviejų aukštyn ir vieno žemyn kvarkų.

Beje, visa ši informacija buvo gauta iš įspūdingų eksperimentų derinio (daugiausia apie elektronų ar neutrinų sklaidą iš protonų arba iš sunkiojo vandenilio - deuterio atominių branduolių, turinčių vieną protoną ir vieną neutroną), sujungtų naudojant išsamias lygtis. apibūdinantys elektromagnetinę, stiprią branduolinę ir silpną branduolinę sąveiką. Ši ilga istorija tęsiasi iki septintojo dešimtmečio pabaigos ir aštuntojo dešimtmečio pradžios. Jis puikiai tinka prognozuojant reiškinius, pastebėtus susidūrimuose, kuriuose protonai susiduria su protonais, o protonai – su antiprotonais, pvz., Tevatron ir LHC.

Kiti įrodymai apie sudėtingą protono struktūrą

Pažvelkime į kai kuriuos duomenis, gautus LHC, ir kaip jie patvirtina teiginius apie protono struktūrą (nors dėl daugelio eksperimentų dabartinis protono supratimas siekia 3–4 dešimtmečius).

Grafikas pav. 4 gautas stebint susidūrimus, kurių metu įvyksta kažkas panašaus į pavaizduotą 1 pav. 6: vieno protono kvarkas arba antikvarkas arba gliuonas susiduria su kito protono kvarku ar antikvarku ar gliuonu, iš jo išsisklaido (arba atsitinka kažkas sudėtingesnio - pavyzdžiui, du gliuonai susiduria ir virsta kvarku ir antikvarku), todėl dviejose dalelėse (kvarkai, antikvarkai arba gliuonai) nuskrenda iš susidūrimo taško. Šios dvi dalelės virsta čiurkšlėmis (hadronų čiurkšlėmis). Purkštukų energija ir kryptis stebima dalelių detektoriuose, supančiais smūgio tašką. Ši informacija naudojama norint suprasti, kiek energijos buvo dviejų originalių kvarkų / gliuonų / antikvarkų susidūrime. Tiksliau, kintamoji dviejų purkštukų masė, padauginta iš c 2, suteikia dviejų pirminių kvarkų/gluonų/antikvarkų susidūrimo energiją.

Ryžiai. 6

Šio tipo susidūrimų skaičius, priklausomai nuo energijos, parodytas fig. 4. Tai, kad esant žemai energijai susidūrimų skaičius yra daug didesnis, patvirtina faktas, kad dauguma protono viduje esančių dalelių perduoda tik nedidelę jo energijos dalį. Duomenys prasideda nuo 750 GeV energijos.

Ryžiai. 7: Duomenys apie mažesnę energiją, paimti iš mažesnio duomenų rinkinio. Dijeto masė – tokia pati kaip m jj pav. 4.

Duomenys pav. 7 yra paimti iš 2010 m. CMS eksperimento, kuriame jie nubraižė kūno susidūrimus iki 220 GeV energijos. Čia pateikiamas ne susidūrimų skaičius, o šiek tiek sudėtingesnis grafikas: susidūrimų skaičius vienam GeV, tai yra, susidūrimų skaičius padalytas iš histogramos stulpelio pločio. Galima pastebėti, kad tas pats poveikis ir toliau veikia visame duomenų diapazone. Tokie susidūrimai, kaip parodyta pav. 6, daug daugiau nutinka esant žemai energijai nei esant didelei energijai. Ir šis skaičius toliau auga, kol nebeįmanoma atskirti čiurkšlių. Protone yra daug mažos energijos dalelių, ir tik kelios iš jų turi didelę jo energijos dalį.

O kaip antikvarkų buvimas protone? Trys iš įdomiausių procesų, kurie nėra panašūs į susidūrimą, pavaizduotą Fig. 6, kartais įvykęs LHC (viename iš kelių milijonų protonų ir protonų susidūrimų), apima procesą:

Kvarkas + antikvarkas -> W+, W arba Z dalelė.

Jie parodyti pav. 8.

Ryžiai. 8

Atitinkami CMS duomenys pateikti Fig. 9 ir 10 pav. 9 paveiksle parodyta, kad susidūrimų, kurių metu susidaro elektronas arba pozitronas (kairėje) ir kažkas neaptinkamo (tikriausiai neutrinas ar antineutrinas), arba miuonas ir antimuonas (dešinėje), skaičius yra nuspėjamas teisingai. Numatymas daromas derinant Standartinį modelį (lygtis, kurios numato žinomų elementariųjų dalelių elgesį) ir protono struktūrą. Didelės duomenų smailės atsiranda dėl W ir Z dalelių atsiradimo. Teorija puikiai atitinka duomenis.

Ryžiai. 9: juodi taškai – duomenys, geltoni – prognozės. Renginių skaičius nurodomas tūkstančiais. Kairėje: centrinė smailė atsiranda dėl neutrinų W dalelėse. Dešinėje yra susidūrę susidūrimo metu susidarę leptonai ir antileptonai ir numanoma dalelės, iš kurios jie kilo, masė. Smailė atsiranda dėl susidariusių Z dalelių.

Dar daugiau detalių galima pamatyti pav. 10, kur parodyta, kad teorija, kalbant apie ne tik šių, bet ir daugelio susijusių matavimų skaičių, kurių dauguma yra susiję su kvarkų susidūrimais su antikvarkais, puikiai atitinka duomenis. Duomenys (raudoni taškai) ir teorija (mėlynos juostos) niekada tiksliai nesutampa dėl statistinių svyravimų, dėl tos pačios priežasties, kad dešimt kartų išvertę monetą nebūtinai gausite penkias galvas ir penkias uodegas. Todėl duomenų taškai yra „klaidų juostoje“, vertikalioje raudonoje juostoje. Juostos dydis yra toks, kad 30% matavimų klaidų juosta turėtų ribotis su teorija, o tik 5% matavimų ji turėtų būti dviem juostomis nutolusi nuo teorijos. Matyti, kad visi įrodymai patvirtina, jog protone yra daug antikvarkų. Ir mes teisingai suprantame antikvarkų, turinčių tam tikrą protono energijos dalį, skaičių.

Ryžiai. 10

Tada viskas yra šiek tiek sudėtingiau. Mes netgi žinome, kiek kvarkų turime aukštyn ir žemyn, priklausomai nuo jų nešamos energijos, nes teisingai prognozuojame - su mažesne nei 10% paklaida - kiek daugiau W + dalelių gauname nei W - dalelių (11 pav.).

Ryžiai. vienuolika

Aukštųjų antikvarkų ir žemyninių kvarkų santykis turėtų būti artimas 1, tačiau aukštųjų kvarkų turėtų būti daugiau nei žemyninių kvarkų, ypač esant didelei energijai. Fig. 6 matome, kad gautų W + ir W dalelių santykis turėtų apytiksliai sudaryti kvarkų, dalyvaujančių W dalelių gamyboje, santykį. 11 paveiksle parodyta, kad išmatuotas W + ir W - dalelių santykis yra 3:2, o ne 2:1. Tai taip pat rodo, kad naivi protono, susidedančio iš dviejų aukštyn ir vieno žemyn nukreiptų kvarkų, idėja yra pernelyg supaprastinta. Supaprastintas santykis 2:1 yra neryškus, nes protone yra daug kvarko ir antikvarko porų, iš kurių yra maždaug vienodas viršutinių ir apatinių porų skaičius. Neryškumo laipsnis nustatomas pagal 80 GeV W dalelės masę. Jei padarysite jį lengvesnį, bus daugiau susiliejimo, o jei jis sunkesnis, susiliejimo bus mažiau, nes dauguma protone esančių kvarkų ir antikvarkų porų turi mažai energijos.

Galiausiai patvirtinkime faktą, kad dauguma protone esančių dalelių yra gliuonai.

Ryžiai. 12

Tam panaudosime faktą, kad viršutiniai kvarkai gali būti kuriami dviem būdais: kvarkas + antikvarkas -> viršutinis kvarkas + viršutinis antikvarkas, arba gliuonas + gliuonas -> viršutinis kvarkas + viršutinis antikvarkas (12 pav.). Mes žinome kvarkų ir antikvarkų skaičių, atsižvelgiant į jų nešamą energiją, remiantis 1 pav. 9-11. Remdamiesi standartinio modelio lygtimis galime numatyti, kiek geriausių kvarkų susidarys susidūrus tik kvarkams ir antikvarkams. Mes taip pat manome, remdamiesi ankstesniais duomenimis, kad protone yra daugiau gliuonų, todėl procesas gliuonas + gliuonas -> viršutinis kvarkas + viršutinis antikvarkas turėtų vykti bent 5 kartus dažniau. Nesunku patikrinti, ar ten yra gliuonų; jei jų nėra, duomenys turi būti gerokai mažesni už teorines prognozes.
gluons Pridėti žymes

Tyrinėdami materijos struktūrą, fizikai išsiaiškino, iš ko susideda atomai, pateko į atomo branduolį ir suskaidė jį į protonus ir neutronus. Visi šie žingsniai buvo atlikti gana lengvai – tereikia paspartinti daleles iki reikiamos energijos, stumti jas viena prieš kitą, o tada jos pačios subyrėjo į sudedamąsias dalis.

Tačiau su protonais ir neutronais šis triukas nebeveikė. Nors jos yra sudėtinės dalelės, jos negali „suskaldyti“ į gabalus net ir stipriausio susidūrimo metu. Todėl fizikai prireikė dešimtmečių, kol sugalvojo įvairius būdus, kaip pažvelgti į protoną, pamatyti jo struktūrą ir formą. Šiandien protonų struktūros tyrimas yra viena iš aktyviausių dalelių fizikos sričių.

Gamta duoda užuominų

Protonų ir neutronų struktūros tyrimo istorija siekia 1930-uosius. Kai, be protonų, buvo atrasti neutronai (1932 m.), išmatavę jų masę, fizikai nustebo pamatę, kad ji labai artima protono masei. Be to, paaiškėjo, kad protonai ir neutronai „jaučia“ branduolinę sąveiką lygiai taip pat. Toks identiškas, kad branduolinių jėgų požiūriu protonas ir neutronas gali būti laikomi dviem tos pačios dalelės – nukleono – apraiškomis: protonas yra elektriškai įkrautas nukleonas, o neutronas – neutralus nukleonas. Pakeiskite protonus į neutronus ir branduolinės jėgos (beveik) nieko nepastebės.

Fizikai šią gamtos savybę išreiškia kaip simetriją – branduolinė sąveika yra simetriška protonų pakeitimo neutronais atžvilgiu, kaip ir drugelis yra simetriškas kairiojo pakeitimo dešiniuoju atžvilgiu. Ši simetrija, be svarbaus vaidmens branduolinėje fizikoje, iš tikrųjų buvo pirmoji užuomina, kad nukleonai turi įdomią vidinę struktūrą. Tiesa, tada, 30-aisiais, fizikai šios užuominos nesuvokė.

Supratimas atsirado vėliau. Tai prasidėjo nuo to, kad 1940–50-aisiais protonų susidūrimo su įvairių elementų branduoliais reakcijose mokslininkai nustebo atradę vis daugiau naujų dalelių. Ne protonai, ne neutronai, ne iki tol atrasti pi-mezonai, laikantys branduoliuose nukleonus, o kažkokios visiškai naujos dalelės. Nepaisant jų įvairovės, šios naujos dalelės turėjo dvi bendras savybes. Pirma, jie, kaip ir nukleonai, labai noriai dalyvavo branduolinėje sąveikoje – dabar tokios dalelės vadinamos hadronais. Antra, jie buvo labai nestabilūs. Nestabiliausias iš jų suskyla į kitas daleles vos per trilijoną nanosekundės, net nespėjęs skristi atomo branduolio dydžio!

Ilgą laiką hadronų „zoologijos sodas“ buvo visiška netvarka. Penktojo dešimtmečio pabaigoje fizikai jau buvo išmokę gana daug įvairių hadronų tipų, pradėjo juos lyginti tarpusavyje ir staiga jų savybėse įžvelgė tam tikrą bendrą simetriją, netgi periodiškumą. Buvo pasiūlyta, kad visų hadronų (įskaitant nukleonus) viduje yra keletas paprastų objektų, vadinamų „kvarkais“. Skirtingais būdais sujungus kvarkus, galima gauti skirtingus hadronus, ir visiškai to paties tipo bei tų pačių savybių, kurios buvo atrastos eksperimento metu.

Kas daro protoną protonu?

Po to, kai fizikai atrado hadronų kvarkų struktūrą ir sužinojo, kad kvarkai būna kelių skirtingų atmainų, tapo aišku, kad iš kvarkų galima sukurti daug skirtingų dalelių. Taigi niekas nenustebo, kai vėlesni eksperimentai ir toliau vienas po kito randa naujų hadronų. Tačiau tarp visų hadronų buvo aptikta visa dalelių šeima, kurią, kaip ir protoną, sudaro tik du u-kvarkai ir vienas d- kvarkas. Savotiškas protono „brolis“. Ir čia fizikų laukė staigmena.

Pirmiausia padarykime vieną paprastą pastebėjimą. Jei turime kelis objektus, sudarytus iš tų pačių „plytų“, tai sunkesniuose objektuose yra daugiau „plytų“, o lengvesniuose – mažiau. Tai labai natūralus principas, kurį galima pavadinti kombinacijos arba antstato principu, puikiai veikiantis tiek kasdieniame gyvenime, tiek fizikoje. Tai netgi pasireiškia atomų branduolių sandara – juk sunkesni branduoliai tiesiog susideda iš didesnio protonų ir neutronų skaičiaus.

Tačiau kvarkų lygmenyje šis principas visiškai neveikia, ir, tiesa, fizikai dar iki galo neišsiaiškino, kodėl. Pasirodo, sunkieji protono broliai taip pat susideda iš tų pačių kvarkų kaip ir protonas, nors jie yra pusantro ar net du kartus sunkesni už protoną. Jie skiriasi nuo protono (ir skiriasi vienas nuo kito) ne kompozicija, ir abipusis vieta kvarkai, pagal būseną, kurioje šie kvarkai yra vienas kito atžvilgiu. Pakanka pakeisti santykinę kvarkų padėtį – ir iš protono gausime kitą, pastebimai sunkesnę, dalelę.

Kas atsitiks, jei vis tiek imsite ir surinksite daugiau nei tris kvarkus? Ar bus pagaminta nauja sunkioji dalelė? Keista, bet tai neveiks - kvarkai suskaidys trise ir pavirs į keletą išsibarsčiusių dalelių. Kažkodėl gamta „nemėgsta“ sujungti daug kvarkų į vieną visumą! Tik visai neseniai, pažodžiui pastaraisiais metais, pradėjo atsirasti užuominų, kad kai kurios daugiakvarkos dalelės tikrai egzistuoja, tačiau tai tik pabrėžia, kaip gamta jų nemėgsta.

Iš šios kombinatorikos išplaukia labai svarbi ir gili išvada – hadronų masė visai nesusideda iš kvarkų masės. Bet jei hadrono masę galima padidinti arba sumažinti tiesiog perkombinuojant jį sudarančias plytas, tai ne patys kvarkai yra atsakingi už hadronų masę. Ir iš tiesų, vėlesniais eksperimentais pavyko išsiaiškinti, kad pačių kvarkų masė sudaro tik apie du procentus protono masės, o likusi gravitacijos dalis atsiranda dėl jėgos lauko (ypatingų dalelių – gliuonų). surišti kvarkus. Keisdami santykinę kvarkų padėtį, pavyzdžiui, atitraukdami juos toliau vienas nuo kito, taip keičiame gliuono debesį, todėl jis tampa masyvesnis, todėl hadronų masė didėja (1 pav.).

Kas vyksta greitai judančio protono viduje?

Viskas, kas aprašyta aukščiau, yra susijusi su stacionariu protonu, fizikų kalba, tai yra protono struktūra jo ramybėje. Tačiau eksperimento metu protono struktūra pirmą kartą buvo atrasta kitomis sąlygomis – viduje greitai skrenda protonas.

Šeštojo dešimtmečio pabaigoje atliekant dalelių susidūrimų greitintuvuose eksperimentus, buvo pastebėta, kad beveik šviesos greičiu skriejantys protonai elgiasi taip, tarsi energija jų viduje būtų pasiskirstyta ne tolygiai, o būtų sutelkta atskiruose kompaktiškuose objektuose. Garsus fizikas Richardas Feynmanas pasiūlė šiuos medžiagos gumulėlius pavadinti protonais partonai(iš anglų kalbos dalis - dalis).

Vėlesni eksperimentai ištyrė daugelį partonų savybių, pavyzdžiui, jų elektros krūvį, skaičių ir kiekvieno iš jų turimą protonų energijos dalį. Pasirodo, įkrauti partonai yra kvarkai, o neutralūs – gliuonai. Taip, tie patys gliuonai, kurie protonų ramybės rėme tiesiog „tarnavo“ kvarkams, pritraukdami juos vienas prie kito, dabar yra nepriklausomi partonai ir kartu su kvarkais neša greitai judančio protono „materiją“ ir energiją. Eksperimentai parodė, kad maždaug pusė energijos sukaupta kvarkuose, o pusė – gliuonuose.

Partonus patogiausia tirti protonų susidūrimo su elektronais metu. Faktas yra tas, kad, skirtingai nei protonas, elektronas nedalyvauja stiprioje branduolinėje sąveikoje ir jo susidūrimas su protonu atrodo labai paprastas: elektronas labai trumpą laiką išspinduliuoja virtualų fotoną, kuris atsitrenkia į įkrautą partoną ir galiausiai sukuria daug dalelių (2 pav.). Galima sakyti, kad elektronas yra puikus skalpelis protonui „atidaryti“ ir padalinti į atskiras dalis – tačiau tik labai trumpam. Žinant, kaip dažnai tokie procesai vyksta greitintuve, galima išmatuoti protono viduje esančių partonų skaičių ir jų krūvius.

Kas iš tikrųjų yra Partonai?

Ir čia pasiekiame dar vieną nuostabų atradimą, kurį fizikai padarė tyrinėdami elementariųjų dalelių susidūrimus esant didelėms energijoms.

Įprastomis sąlygomis klausimas, iš ko susideda tas ar kitas objektas, turi universalų atsakymą visoms atskaitos sistemoms. Pavyzdžiui, vandens molekulė susideda iš dviejų vandenilio atomų ir vieno deguonies atomo – ir nesvarbu, ar žiūrime į nejudančią, ar į judančią molekulę. Tačiau ši taisyklė atrodo tokia natūrali! - pažeidžiamas, jei kalbame apie elementarias daleles, judančias artimu šviesos greičiui. Vienoje atskaitos sistemoje sudėtinga dalelė gali būti sudaryta iš vieno dalelių rinkinio, o kitoje atskaitos sistemoje – iš kitos. Paaiškėjo, kad kompozicija yra santykinė sąvoka!

Kaip tai gali būti? Svarbiausia čia yra viena svarbi savybė: dalelių skaičius mūsų pasaulyje nėra fiksuotas – dalelės gali gimti ir išnykti. Pavyzdžiui, jei sustumsite du pakankamai didelės energijos elektronus, tada be šių dviejų elektronų gali gimti arba fotonas, arba elektronų-pozitronų pora, arba dar kokios nors dalelės. Visa tai leidžia kvantiniai dėsniai, o realiuose eksperimentuose būtent taip nutinka.

Tačiau šis dalelių „neišsaugojimo įstatymas“ veikia susidūrimų atveju dalelių. Kaip atsitinka, kad tas pats protonas iš skirtingų požiūrių atrodo lyg sudarytas iš skirtingo dalelių rinkinio? Esmė ta, kad protonas nėra tik trys kvarkai kartu. Tarp kvarkų yra gliuono jėgos laukas. Apskritai jėgos laukas (pvz., Gravitacinis arba elektrinis laukas) yra tam tikras materialus „esinys“, kuris prasiskverbia į erdvę ir leidžia dalelėms daryti stiprų poveikį viena kitai. Kvantinėje teorijoje laukas taip pat susideda iš dalelių, nors ir ypatingų – virtualių. Šių dalelių skaičius nėra fiksuotas.

Poilsis Protoną iš tikrųjų galima įsivaizduoti kaip tris kvarkus, tarp kurių šokinėja gliuonai. Tačiau pažvelgę ​​į tą patį protoną iš kitokio atskaitos sistemos, tarsi pro pro šalį važiuojančio „reliatyvistinio traukinio“ langą, pamatysime visiškai kitokį vaizdą. Tie virtualūs gliuonai, kurie sulipdė kvarkus, atrodys ne tokie virtualūs, „tikresnės“ dalelės. Jie, žinoma, vis dar gimsta ir įsisavinami kvarkų, tačiau tuo pat metu jie kurį laiką gyvena patys, skraidydami šalia kvarkų, kaip tikros dalelės. Tai, kas atrodo kaip paprastas jėgos laukas vienoje atskaitos sistemoje, kitame kadre virsta dalelių srautu! Atkreipkite dėmesį, kad mes neliečiame paties protono, o tik žiūrime į jį iš kitos atskaitos sistemos.

Toliau daugiau. Kuo mūsų „reliatyvistinio traukinio“ greitis artimesnis šviesos greičiui, tuo nuostabesnį vaizdą pamatysime protono viduje. Artėjant šviesos greičiui pastebėsime, kad protono viduje vis daugiau gliuonų. Be to, kartais jie suskyla į kvarkų ir antikvarkų poras, kurios taip pat skraido netoliese ir taip pat laikomos partonais. Dėl to ultrareliatyvistinis protonas, t. y. protonas, judantis mūsų atžvilgiu labai artimu šviesos greičiui, atsiranda kaip tarpusavyje besiskverbiantys kvarkų, antikvarkų ir gliuonų debesys, kurie skrenda kartu ir tarsi palaiko vienas kitą (1 pav.). 3).

Skaitytojas, susipažinęs su reliatyvumo teorija, gali būti susirūpinęs. Visa fizika remiasi principu, kad bet koks procesas vyksta vienodai visose inercinėse atskaitos sistemose. Bet pasirodo, kad protono sudėtis priklauso nuo atskaitos sistemos, iš kurios mes jį stebime?!

Taip, tiksliai, bet tai jokiu būdu nepažeidžia reliatyvumo principo. Fizinių procesų rezultatai – pavyzdžiui, kurios dalelės ir kiek jų susidaro dėl susidūrimo – išties yra nekintami, nors protono sudėtis priklauso nuo atskaitos sistemos.

Ši iš pirmo žvilgsnio neįprasta, bet visus fizikos dėsnius atitinkanti situacija schematiškai pavaizduota 4 paveiksle. Jame parodyta, kaip dviejų didelę energiją turinčių protonų susidūrimas atrodo skirtingose ​​atskaitos sistemose: likusiame vieno protono kadre, masės centras, likusiame kito protono rėme. Sąveika tarp protonų vykdoma per skaidančių gliuonų kaskadą, tačiau tik vienu atveju ši kaskada laikoma vieno protono „vidumi“, kitu atveju – kito protono dalimi, o trečiu – tiesiog kažkokia. objektas, kuris keičiasi tarp dviejų protonų. Ši kaskada egzistuoja, ji yra reali, bet kuriai proceso daliai ji turėtų būti priskirta, priklauso nuo atskaitos sistemos.

3D protono portretas

Visi rezultatai, apie kuriuos ką tik kalbėjome, buvo pagrįsti eksperimentais, atliktais gana seniai - praėjusio amžiaus 60–70-aisiais. Atrodytų, nuo tada viskas turėjo būti išstudijuota ir visi klausimai turėjo rasti atsakymus. Bet ne – protono sandara vis dar išlieka viena įdomiausių dalelių fizikos temų. Be to, pastaraisiais metais susidomėjimas juo vėl išaugo, nes fizikai sugalvojo, kaip gauti „trimatį“ greitai judančio protono portretą, kuris pasirodė esąs daug sudėtingesnis nei nejudančio protono portretas.

Klasikiniai protonų susidūrimų eksperimentai pasakoja tik apie partonų skaičių ir jų energijos pasiskirstymą. Tokiuose eksperimentuose partonai dalyvauja kaip nepriklausomi objektai, o tai reiškia, kad iš jų neįmanoma sužinoti, kaip partonai yra vienas kito atžvilgiu, ar kaip tiksliai jie sudaro protoną. Galima sakyti, kad ilgą laiką fizikai turėjo tik „vienmatį“ greitai judančio protono portretą.

Norint sukonstruoti tikrą, trimatį protono portretą ir išsiaiškinti partonų pasiskirstymą erdvėje, reikia daug subtilesnių eksperimentų nei tie, kurie buvo įmanomi prieš 40 metų. Fizikai tokius eksperimentus išmoko atlikti visai neseniai, tiesiog per pastarąjį dešimtmetį. Jie suprato, kad tarp daugybės skirtingų reakcijų, atsirandančių elektronui susidūrus su protonu, yra viena ypatinga reakcija - gilus virtualus Komptono sklaida, - kurie gali mums pasakyti apie trimatę protono struktūrą.

Apskritai, Compton sklaida arba Compton efektas yra elastingas fotono susidūrimas su dalele, pavyzdžiui, protonu. Atrodo taip: atkeliauja fotonas, jį sugeria protonas, kuris trumpam pereina į sužadinimo būseną, o po to grįžta į pradinę būseną, išspinduliuodamas fotoną tam tikra kryptimi.

Įprastų šviesos fotonų komptono sklaida nieko įdomaus neduoda – tai tiesiog šviesos atspindys nuo protono. Norint, kad vidinė protono struktūra „įsigalėtų“ ir kvarkų pasiskirstymas būtų „juntamas“, reikia naudoti labai didelės energijos fotonus – milijardus kartų daugiau nei įprastoje šviesoje. Ir kaip tik tokius fotonus – nors ir virtualius – nesunkiai sukuria krintantis elektronas. Jei dabar derinsime vieną su kitu, gausime gilų virtualų Komptono sklaidą (5 pav.).

Pagrindinis šios reakcijos bruožas yra tai, kad ji nesunaikina protono. Įvykęs fotonas ne tik atsitrenkia į protoną, bet tarsi atsargiai jį pajunta ir tada nuskrenda. Kryptis, kuria jis nuskrenda ir kokią energijos dalį protonas paima iš jo, priklauso nuo protono sandaros, nuo santykinio partonų išsidėstymo jo viduje. Štai kodėl, tiriant šį procesą, galima atkurti trimatę protono išvaizdą, tarsi „skulptūros pavidalu“.

Tiesa, eksperimentuojančiam fizikai tai padaryti labai sunku. Reikalingas procesas vyksta gana retai, o jį užregistruoti sunku. Pirmieji eksperimentiniai duomenys apie šią reakciją gauti tik 2001 metais Vokietijos greitintuvų komplekso DESY Hamburge HERA greitintuve; eksperimentuotojai dabar apdoroja naują duomenų seriją. Tačiau jau šiandien, remdamiesi pirmaisiais duomenimis, teoretikai braižo trimačius kvarkų ir gliuonų skirstinius protone. Iš eksperimento galiausiai pradėjo „išryškėti“ fizikinis dydis, apie kurį fizikai anksčiau darė tik prielaidas.

Ar šioje srityje mūsų laukia netikėti atradimai? Tikėtina, kad taip. Iliustracijai tarkime, kad 2008 metų lapkritį pasirodė įdomus teorinis straipsnis, kuriame teigiama, kad greitai judantis protonas turi atrodyti ne kaip plokščias diskas, o kaip abipus įgaubtas lęšis. Taip atsitinka todėl, kad centrinėje protono srityje esantys partonai išilgine kryptimi suspaudžiami stipriau nei pakraščiuose sėdintys partonai. Būtų labai įdomu šias teorines prognozes išbandyti eksperimentiškai!

Kodėl visa tai įdomu fizikams?

Kodėl fizikai net turi tiksliai žinoti, kaip medžiaga pasiskirsto protonuose ir neutronuose?

Pirma, to reikalauja pati fizikos raidos logika. Pasaulyje yra daug nuostabiai sudėtingų sistemų, su kuriomis šiuolaikinė teorinė fizika dar negali visiškai susidoroti. Hadronai yra viena iš tokių sistemų. Suprasdami hadronų struktūrą, mes tobuliname teorinės fizikos gebėjimus, kurie gali pasirodyti universalūs ir, galbūt, padės visiškai kitaip, pavyzdžiui, tiriant superlaidininkus ar kitas neįprastas savybes turinčias medžiagas.

Antra, tai tiesioginė nauda branduolinei fizikai. Nepaisant beveik šimtmetį trukusios atomų branduolių tyrimo istorijos, teoretikai vis dar nežino tikslaus protonų ir neutronų sąveikos dėsnio.

Jie turi iš dalies atspėti šį dėsnį remdamiesi eksperimentiniais duomenimis, o iš dalies sukurti remdamiesi žiniomis apie nukleonų struktūrą. Čia padės nauji duomenys apie trimatę nukleonų struktūrą.

Trečia, prieš keletą metų fizikai sugebėjo gauti ne mažiau nei naują agreguotą medžiagos būseną – kvarko-gliuono plazmą. Šioje būsenoje kvarkai nesėdi atskirų protonų ir neutronų viduje, bet laisvai vaikšto per visą branduolinės medžiagos sankaupą. Tai galima pasiekti, pavyzdžiui, taip: sunkieji branduoliai greitintuve pagreitinami iki greičio, labai artimo šviesos greičiui, ir tada susiduria kaktomuša. Šio susidūrimo metu labai trumpą laiką pakyla trilijonų laipsnių temperatūra, dėl kurios branduoliai ištirpsta į kvarko-gliuono plazmą. Taigi, pasirodo, kad šio branduolinio lydymosi teoriniams skaičiavimams reikia gerai išmanyti trimatę nukleonų struktūrą.

Galiausiai šie duomenys labai reikalingi astrofizikai. Kai sunkiosios žvaigždės sprogsta savo gyvenimo pabaigoje, jos dažnai palieka itin kompaktiškus objektus – neutronines ir galbūt kvarkų žvaigždes. Šių žvaigždžių šerdį sudaro tik neutronai, o gal net šalta kvarko-gliuono plazma. Tokios žvaigždės jau seniai atrastos, tačiau galima tik spėlioti, kas vyksta jų viduje. Taigi geras kvarkų pasiskirstymo supratimas gali paskatinti astrofizikos pažangą.

Žemiau pateikiamos visos penkių raidžių elementarios dalelės. Pateikiamas trumpas kiekvieno apibrėžimo aprašymas.

Jei turite ką pridurti, žemiau yra jūsų paslaugoms skirta komentarų forma, kurioje galite išreikšti savo nuomonę arba papildyti straipsnį.

Elementariųjų dalelių sąrašas

Fotonas

Tai elektromagnetinės spinduliuotės, pavyzdžiui, šviesos, kvantas. Savo ruožtu šviesa yra reiškinys, susidedantis iš šviesos srautų. Fotonas yra elementari dalelė. Fotonas turi neutralų krūvį ir nulinę masę. Fotono sukinys lygus vienybei. Fotonas vykdo elektromagnetinę sąveiką tarp įkrautų dalelių. Terminas fotonas kilęs iš graikų phos, reiškiančio šviesą.

Phonon

Tai kvazidalelė, kristalinės gardelės atomų ir molekulių elastingų virpesių ir poslinkių kvantas iš pusiausvyros padėties. Kristalinėse gardelėse atomai ir molekulės nuolat sąveikauja, dalindamiesi energija tarpusavyje. Šiuo atžvilgiu beveik neįmanoma ištirti reiškinių, panašių į atskirų atomų virpesius juose. Todėl atsitiktiniai atomų virpesiai dažniausiai vertinami pagal garso bangų sklidimo tipą kristalinės gardelės viduje. Šių bangų kvantai yra fononai. Terminas fononas kilęs iš graikų kalbos telefonas – garsas.

Phazon

Fluktuono fazonas yra kvazidalelė, kuri yra sužadinimas lydiniuose ar kitoje heterofazių sistemoje, aplink įkrautą dalelę, tarkime, elektroną, formuojant potencialų šulinį (feromagnetinę sritį) ir ją užfiksuojanti.

Rotonas

Tai kvazidalelė, atitinkanti elementarų sužadinimą superskystame heliuje, didelių impulsų srityje, susijusią su sūkurio judėjimu superskysčiame skystyje. Roton, išvertus iš lotynų kalbos, reiškia – verpimasis, verpimasis. Rotonas atsiranda aukštesnėje nei 0,6 K temperatūroje ir nustato eksponentiškai nuo temperatūros priklausomas šilumos talpos savybes, tokias kaip normalaus tankio entropija ir kt.

Mesonas

Tai nestabili neelementari dalelė. Mezonas yra sunkusis elektronas kosminiuose spinduliuose.
Mezono masė yra didesnė už elektrono masę ir mažesnė už protono masę.

Mezonai turi lyginį kvarkų ir antikvarkų skaičių. Mezonai apima pionus, kaonus ir kitus sunkius mezonus.

Kvarkas

Tai elementari materijos dalelė, bet kol kas tik hipotetiškai. Kvarkais paprastai vadinamos šešios dalelės ir jų antidalelės (antikvarkai), kurios savo ruožtu sudaro specialių elementariųjų dalelių hadronų grupę.

Manoma, kad stiprioje sąveikoje dalyvaujančios dalelės, tokios kaip protonai, neuronai ir kai kurios kitos, susideda iš kvarkų, glaudžiai sujungtų vienas su kitu. Kvarkai nuolat egzistuoja įvairiais deriniais. Yra teorija, kad kvarkai gali egzistuoti laisva forma pirmosiomis akimirkomis po Didžiojo sprogimo.

Gluonas

Elementarioji dalelė. Remiantis viena teorija, gliuonai tarsi sulipdo kvarkus, kurie savo ruožtu sudaro daleles, tokias kaip protonai ir neuronai. Apskritai gliuonai yra mažiausios dalelės, kurios sudaro medžiagą.

Bozonas

Bozono-kvazidalelė arba Bose-dalelė. Bozonas turi nulinį arba sveikąjį skaičių. Vardas suteiktas fiziko Shatyendranath Bose garbei. Bozonas skiriasi tuo, kad neribotas skaičius jų gali turėti tą pačią kvantinę būseną.

Hadronas

Hadronas yra elementari dalelė, kuri iš tikrųjų nėra elementari. Susideda iš kvarkų, antikvarkų ir gliuonų. Hadronas neturi spalvinio krūvio ir dalyvauja stiprioje sąveikoje, įskaitant branduolinę. Terminas hadronas, kilęs iš graikų kalbos adros, reiškia didelį, masyvų.

Šiame straipsnyje rasite informacijos apie protoną, kaip elementarią dalelę, kuri kartu su kitais jos elementais sudaro visatos pagrindą, naudojamą chemijoje ir fizikoje. Bus nustatytos protono savybės, jo charakteristikos chemijoje ir stabilumas.

Kas yra protonas

Protonas – vienas iš elementariųjų dalelių atstovų, kuris priskiriamas barionams, pvz. kurioje fermionai stipriai sąveikauja, o pati dalelė susideda iš 3 kvarkų. Protonas yra stabili dalelė ir turi asmeninį impulsą – sukimąsi ½. Fizinis protono pavadinimas yra p(arba p +)

Protonas yra elementarioji dalelė, dalyvaujanti termobranduolinio tipo procesuose. Būtent tokio tipo reakcija iš esmės yra pagrindinis žvaigždžių generuojamos energijos šaltinis visoje visatoje. Beveik visas Saulės išskiriamas energijos kiekis egzistuoja tik dėl 4 protonų susijungimo į vieną helio branduolį, susidarius vienam neutronui iš dviejų protonų.

Protonui būdingos savybės

Protonas yra vienas iš barionų atstovų. Tai faktas. Protono krūvis ir masė yra pastovūs dydžiai. Protonas yra elektriškai įkrautas +1, o jo masė nustatoma įvairiais matavimo vienetais ir yra MeV 938,272 0813(58), protono kilogramais svoris yra 1,672 621 898(21) 10 −27 kg, atomų masių vienetais protono svoris yra 1,007 276 466 879(91) a. e.m., o elektrono masės atžvilgiu protonas sveria 1836,152 673 89 (17) elektrono atžvilgiu.

Protonas, kurio apibrėžimas jau buvo pateiktas aukščiau, fizikos požiūriu, yra elementarioji dalelė, kurios projekcija yra izospinas +½, o branduolinė fizika šią dalelę suvokia su priešingu ženklu. Pats protonas yra nukleonas ir susideda iš 3 kvarkų (du u kvarkai ir vienas d kvarkas).

Protono struktūrą eksperimentiškai ištyrė branduolinis fizikas iš Jungtinių Amerikos Valstijų – Robertas Hofstadteris. Siekdamas šio tikslo, fizikas susidūrė su protonais su didelės energijos elektronais ir už apibūdinimą buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija.

Protone yra šerdis (sunkioji šerdis), kurioje yra apie trisdešimt penkis procentus protono elektros krūvio energijos ir kurios tankis yra gana didelis. Šerdį supantis apvalkalas yra santykinai išsikrovęs. Apvalkalą daugiausia sudaro virtualūs ir p tipo mezonai, jis turi apie penkiasdešimt procentų protono elektrinio potencialo ir yra maždaug 0,25 * 10 13 – 1,4 * 10 13 atstumu. Dar toliau, maždaug 2,5 * 10 13 centimetrų atstumu, apvalkalas susideda iš ir w virtualių mezonų ir jame yra maždaug penkiolika procentų likusių protono elektros krūvio.

Protonų stabilumas ir stabilumas

Laisvoje būsenoje protonas nerodo jokių skilimo požymių, o tai rodo jo stabilumą. Stabilią protono, kaip lengviausio barionų atstovo, būseną lemia barionų skaičiaus išsaugojimo dėsnis. Nepažeisdami SBC dėsnio, protonai gali suskaidyti į neutrinus, pozitronus ir kitas lengvesnes elementarias daleles.

Atomų branduolio protonas turi galimybę užfiksuoti tam tikrų tipų elektronus, turinčius K, L, M atomų apvalkalus. Protonas, užbaigęs elektronų gaudymą, virsta neutronu ir dėl to išskiria neutriną, o elektronų gaudymo metu susidariusi „skylė“ užpildoma elektronais iš viršaus po apatiniais atomo sluoksniais.

Neinercinėse atskaitos sistemose protonai turi įgyti ribotą eksploatavimo laiką, kurį galima apskaičiuoti, tai yra dėl Unruh efekto (spinduliavimo), kuris kvantinio lauko teorijoje numato galimą šiluminės spinduliuotės apmąstymą atskaitos sistemoje, kuri yra pagreitinta; šio tipo spinduliuotės nebuvimas. Taigi protonas, jei jo gyvavimo laikas yra ribotas, gali patirti beta skilimą į pozitroną, neutroną arba neutriną, nepaisant to, kad pats tokio skilimo procesas yra uždraustas ZSE.

Protonų panaudojimas chemijoje

Protonas yra H atomas, sudarytas iš vieno protono ir neturintis elektrono, todėl chemine prasme protonas yra vienas H atomo branduolys. Neutronas, suporuotas su protonu, sukuria atomo branduolį. Dmitrijaus Ivanovičiaus Mendelejevo PTCE elemento numeris nurodo protonų skaičių konkretaus elemento atome, o elemento numerį lemia atomo krūvis.

Vandenilio katijonai yra labai stiprūs elektronų akceptoriai. Chemijoje protonai daugiausia gaunami iš organinių ir mineralinių rūgščių. Jonizacija yra protonų gamybos dujų fazėse būdas.