Komponent av proton 5. Elementærpartikler

• Oversettelse

Ris. 1: hydrogenatom. Ikke skalert.

Du vet at Large Hadron Collider i bunn og grunn knuser protoner inn i hverandre. Men hva er et proton?

Først av alt er det et forferdelig og fullstendig rot. Like stygt og kaotisk som hydrogenatomet er enkelt og elegant.

Men hva er da et hydrogenatom?

Dette er det enkleste eksemplet på det fysikere kaller en «bundet tilstand». "State" betyr i hovedsak noe som har eksistert i ganske lang tid, og "koblet" betyr at komponentene er koblet til hverandre, som ektefeller i et ekteskap. Faktisk passer eksemplet med et ektepar der den ene ektefellen er mye tyngre enn den andre veldig godt her. Protonet sitter i sentrum og beveger seg knapt, og ved kantene av objektet er det et elektron som beveger seg, som beveger seg raskere enn deg og jeg, men mye langsommere enn lysets hastighet, den universelle fartsgrensen. Et fredelig bilde av en ekteskapsidyll.

Eller det virker slik til vi ser inn i selve protonet. Innsiden av selve protonet er mer som en kommune, hvor mange enslige voksne og barn er tettpakket: rent kaos. Dette er også en bundet tilstand, men det forbinder ikke noe enkelt, som et proton med et elektron, som i hydrogen, eller i det minste flere dusin elektroner med en atomkjerne, som i mer komplekse atomer som gull - men et utallig antall ( det vil si at det er for mange av dem og de endrer seg for raskt til å kunne telles praktisk talt) lette partikler kalt kvarker, antikvarker og gluoner. Det er umulig å bare beskrive strukturen til protonet, å tegne enkle bilder - det er ekstremt uorganisert. Alle kvarker, gluoner, antikvarker suser rundt inne med høyest mulig hastighet, nesten med lysets hastighet.

Ris. 2: Bilde av et proton. Tenk deg at alle kvarkene (opp, ned, merkelig - u,d,s), antikvarkene (u,d,s med strek) og gluonene (g) suser frem og tilbake nesten med lysets hastighet, kolliderer med hver andre, vises og forsvinner

Du har kanskje hørt at et proton består av tre kvarker. Men dette er en løgn – til det store beste, men likevel ganske stor. Faktisk er det et mylder av gluoner, antikvarker og kvarker i et proton. Standardforkortelsen "et proton består av to opp-kvarker og en ned-kvarker" sier ganske enkelt at et proton har to flere opp-kvarker enn opp-kvarker og én mer ned-kvarker enn ned-kvarker. For at denne reduksjonen skal bli korrekt, er det nødvendig å legge til "og utallige flere gluoner og kvark-antikvark-par." Uten denne frasen vil ideen om et proton være så forenklet at det vil være helt umulig å forstå driften av LHC.

Ris. 3: Little White Lies in a Stereotypical Wikipedia Image

Generelt er atomer sammenlignet med protoner som en pas de deux i en forseggjort ballett sammenlignet med et diskotek fylt med fulle tenåringer som hopper rundt og vinker til DJ-en.

Dette er grunnen til at hvis du er en teoretiker som prøver å forstå hva LHC vil se i protonkollisjoner, vil du ha det vanskelig. Det er svært vanskelig å forutsi resultatene av kollisjoner mellom objekter som ikke kan beskrives på en enkel måte. Men heldigvis, siden 1970-tallet, basert på Bjorkens ideer fra 60-tallet, har teoretiske fysikere funnet en relativt enkel og fungerende teknologi. Men det fungerer fortsatt opp til visse grenser, med en nøyaktighet på rundt 10 %. Av dette og noen andre grunner er påliteligheten til våre beregninger ved LHC alltid begrenset.

En annen ting med protonet er at det er lite. Virkelig bitteliten. Hvis du sprenger et hydrogenatom til størrelsen på soverommet ditt, vil protonet være på størrelse med et støvkorn så lite at det vil være svært vanskelig å legge merke til. Det er nettopp fordi protonet er så lite at vi kan ignorere kaoset som foregår inne i det, og beskrive hydrogenatomet som enkelt. Mer presist er størrelsen på et proton 100 000 ganger mindre enn størrelsen på et hydrogenatom.

Til sammenligning er størrelsen på solen bare 3000 ganger mindre enn størrelsen på solsystemet (målt ved Neptuns bane). Det stemmer – atomet er mer tomt enn solsystemet! Husk dette når du ser på himmelen om natten.

Men du kan spørre: «Vent litt! Sier du at Large Hadron Collider på en eller annen måte kolliderer protoner som er 100 000 ganger mindre enn et atom? Hvordan er dette i det hele tatt mulig?

Flott spørsmål.

Protonkollisjoner kontra minikollisjoner av kvarker, gluoner og antikvarker

Kollisjoner av protoner ved LHC skjer med en viss energi. Det var 7 TeV = 7000 GeV i 2011, og 8 TeV = 8000 GeV i 2012. Men partikkelfysikere er hovedsakelig interessert i kollisjoner av en kvark av ett proton med antikvarken til et annet proton, eller kollisjoner av to gluoner, etc. – noe som kan føre til fremveksten av et virkelig nytt fysisk fenomen. Disse minikollisjonene bærer en liten brøkdel av den totale protonkollisjonsenergien. Hvor mye av denne energien kan de bære, og hvorfor var det nødvendig å øke kollisjonsenergien fra 7 TeV til 8 TeV?

Svaret er i fig. 4. Grafen viser antall kollisjoner oppdaget av ATLAS-detektoren. Data fra sommeren 2011 involverer spredning av kvarker, antikvarker og gluoner fra andre kvarker, antikvarker og gluoner. Slike minikollisjoner produserer oftest to stråler (jet av hadroner, manifestasjoner av høyenergikvarker, gluoner eller antikvarker slått ut av foreldreprotonene). Energiene og retningene til strålene måles, og ut fra disse dataene bestemmes mengden energi som skulle vært involvert i minikollisjonen. Grafen viser antall minikollisjoner av denne typen som funksjon av energi. Den vertikale aksen er logaritmisk - hver linje angir en 10-ganger økning i kvantitet (10 n angir 1 og n nuller etter den). For eksempel var antallet minikollisjoner observert i energiintervallet fra 1550 til 1650 GeV omtrent 10 3 = 1000 (merket med blå linjer). Legg merke til at grafen starter på 750 GeV, men antallet minikollisjoner fortsetter å øke etter hvert som du studerer lavere energistråler, opp til det punktet hvor strålene blir for svake til å oppdage.

Ris. 4: antall kollisjoner som funksjon av energi (m jj)

Tenk på at det totale antallet proton-proton-kollisjoner med en energi på 7 TeV = 7000 GeV nærmet seg 100.000.000.000.000. Og av alle disse kollisjonene oversteg bare to minikollisjoner 3.500 GeV - halvparten av energien til en protonkollisjon. Teoretisk sett kan energien til en minikollisjon øke til 7000 GeV, men sannsynligheten for dette synker hele tiden. Vi ser 6000 GeV minikollisjoner så sjelden at vi neppe vil se 7000 GeV selv om vi samler inn 100 ganger mer data.

Hva er fordelene med å øke kollisjonsenergien fra 7 TeV i 2010-2011 til 8 TeV i 2012? Det du kan gjøre på energinivået E, kan du nå gjøre på energinivået 8/7 E ≈ 1,14 E. Så hvis du før kunne håpe å se i så mye data tegn på en viss type hypotetisk partikkel med masse på 1000 GeV/c 2, så kan vi nå håpe å oppnå minst 1100 GeV/c 2 med samme sett med data. Maskinens muligheter øker - du kan søke etter partikler med litt større masse. Og hvis du samler inn tre ganger mer data i 2012 enn i 2011, vil du få flere kollisjoner for hvert energinivå, og du vil kunne se signaturen til en hypotetisk partikkel med en masse på for eksempel 1200 GeV/s 2 .

Men det er ikke alt. Se på de blå og grønne linjene i fig. 4: de viser at de forekommer ved energier i størrelsesorden 1400 og 1600 GeV - slik at de korrelerer med hverandre som 7 til 8. Ved protonkollisjonsenerginivået på 7 TeV, antall minikollisjoner av kvarker med kvarker , kvarker med gluoner, etc. P. med en energi på 1400 GeV er mer enn dobbelt så mange kollisjoner med en energi på 1600 GeV. Men når maskinen øker energien med 8/7, begynner det som fungerte for 1400 å fungere for 1600. Med andre ord, hvis du er interessert i minikollisjoner med fast energi, øker antallet - og mye mer enn økningen på 14 % i protonkollisjonsenergi! Dette betyr at for enhver prosess med en foretrukket energi, for eksempel utseendet til lette Higgs-partikler, som skjer ved energier i størrelsesorden 100-200 GeV, får du flere resultater for de samme pengene. Å gå fra 7 til 8 TeV betyr at man for samme antall protonkollisjoner får flere Higgs-partikler. Higgs partikkelproduksjon vil øke med ca 1,5. Antall oppkvarker og visse typer hypotetiske partikler vil øke noe mer.

Dette betyr at selv om antallet protonkollisjoner i 2012 er 3 ganger høyere enn i 2011, vil det totale antallet produserte Higgs-partikler øke med nesten 4 ganger bare på grunn av økningen i energi.

Forresten, fig. Figur 4 viser også at protoner ikke bare består av to opp-kvarker og en ned-kvark, som vist på tegninger som fig. 3. Hvis de var det, ville kvarker måtte overføre omtrent en tredjedel av energien til protoner, og de fleste minikollisjoner ville skje ved energier på omtrent en tredjedel av protonkollisjonsenergien: rundt 2300 GeV. Men grafen viser at det ikke skjer noe spesielt i området 2300 GeV. Ved energier under 2300 GeV er det mange flere kollisjoner, og jo lavere du går, jo flere kollisjoner ser du. Dette er fordi protonet inneholder et stort antall gluoner, kvarker og antikvarker, som hver overfører en liten del av protonets energi, men det er så mange av dem at de deltar i et stort antall minikollisjoner. Denne egenskapen til protonet er vist i fig. 2 – selv om faktisk antallet lavenergigluoner og kvark-antikvark-par er mye større enn vist i figuren.

Men det grafen ikke viser er brøkdelen som i minikollisjoner med en viss energi faller på kollisjoner av kvarker med kvarker, kvarker med gluoner, gluoner med gluoner, kvarker med antikvarker osv. Dette kan faktisk ikke sies direkte fra eksperimenter ved LHC - jetfly fra kvarker, antikvarker og gluoner ser like ut. Hvordan vi kjenner disse aksjene er en kompleks historie, som involverer mange forskjellige tidligere eksperimenter og teorien som kombinerer dem. Og fra dette vet vi at de høyeste energi-minikollisjonene vanligvis skjer mellom kvarker og kvarker og mellom kvarker og gluoner. Lavenergikollisjoner forekommer vanligvis mellom gluoner. Kollisjoner mellom kvarker og antikvarker er relativt sjeldne, men de er svært viktige for visse fysiske prosesser.

Partikkelfordeling inne i et proton

Ris. 5

To grafer, som er forskjellige i skalaen til den vertikale aksen, viser den relative sannsynligheten for en kollisjon med en gluon, opp eller ned kvark, eller antikvark som bærer en brøkdel av protonets energi lik x. Ved liten x dominerer gluoner (og kvarker og antikvarker blir like sannsynlige og tallrike, selv om det fortsatt er færre av dem enn gluoner), og ved middels x dominerer kvarker (selv om de blir ekstremt få i antall).

Begge grafene viser det samme, bare i en annen skala, så det som er vanskelig å se på den ene er lettere å se på den andre. Det de viser er dette: hvis en protonstråle kommer mot deg i Large Hadron Collider, og du treffer noe inne i protonet, hvor sannsynlig er det at du vil treffe en opp-kvark, eller en ned-kvark, eller en gluon, eller en opp antikvark, eller en nedkvark som bærer en brøkdel av protonenergien lik x? Fra disse grafene kan det konkluderes at:

Fra det faktum at alle kurver vokser veldig raskt ved liten x (sett i den nedre grafen), følger det at de fleste partiklene i protonet overfører mindre enn 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.
Siden den gule kurven (under) er mye høyere enn de andre, følger det at hvis du møter noe som bærer mindre enn 10 % av energien til et proton, er det mest sannsynlig et gluon; og faller under 2 % av protonenergien er det like sannsynlig at det er kvarker eller antikvarker.
Siden gluonkurven (øverst) synker under kvarkkurvene når x øker, følger det at hvis du møter noe som bærer mer enn 20 % (x > 0,2) av protonets energi - som er veldig, veldig sjeldent - er det mest sannsynlig en kvark, og sannsynligheten for at det er en oppkvark er dobbelt så sannsynlig som sannsynligheten for at det er en nedkvark. Dette er en rest av ideen om at "et proton er to opp-kvarker og en ned-kvark."
Alle kurver faller kraftig når x øker; Det er svært usannsynlig at du vil møte noe som bærer mer enn 50 % av protonets energi.

Disse observasjonene gjenspeiles indirekte i grafen i fig. 4. Her er et par mer uopplagte ting om de to grafene:
Mesteparten av protonets energi er delt (omtrent likt) mellom et lite antall høyenergikvarker og et stort antall lavenergigluoner.
Blant partiklene er det lavenergigluoner som dominerer i antall, etterfulgt av kvarker og antikvarker med svært lav energi.

Antall kvarker og antikvarker er enormt, men: det totale antallet opp-kvarker minus det totale antallet opp-antikvarker er to, og det totale antallet dunkvarker minus det totale antallet dunantikvarker er én. Som vi så ovenfor, bærer ekstra kvarker en betydelig (men ikke majoriteten) del av energien til protonet som flyr mot deg. Og bare i denne forstand kan vi si at protonet i utgangspunktet består av to opp-kvarker og en ned-kvark.

Forresten, all denne informasjonen ble hentet fra en fascinerende kombinasjon av eksperimenter (hovedsakelig på spredning av elektroner eller nøytrinoer fra protoner eller fra atomkjernene til tungt hydrogen - deuterium, som inneholder ett proton og ett nøytron), satt sammen ved hjelp av detaljerte ligninger som beskriver elektromagnetiske, sterke kjernefysiske og svake kjernefysiske interaksjoner. Denne lange historien strekker seg tilbake til slutten av 1960-tallet og begynnelsen av 1970-tallet. Og det fungerer utmerket for å forutsi fenomener observert i kollidere der protoner kolliderer med protoner og protoner med antiprotoner, som Tevatron og LHC.

Andre bevis for den komplekse strukturen til protonet

La oss se på noen av dataene som er oppnådd ved LHC og hvordan de støtter påstander om strukturen til protonet (selv om den nåværende forståelsen av protonet går tilbake 3-4 tiår, takket være mange eksperimenter).

Grafen i fig. 4 er hentet fra observasjoner av kollisjoner under hvilke noe som det vist i fig. 1 inntreffer. 6: en kvark eller antikvark eller gluon av ett proton kolliderer med en kvark eller antikvark eller gluon fra et annet proton, sprer seg fra det (eller noe mer komplekst skjer - for eksempel kolliderer to gluoner og blir til en kvark og en antikvark), noe som resulterer i i to partikler (kvarker, antikvarker eller gluoner) flyr bort fra kollisjonspunktet. Disse to partiklene blir til jetfly (hadronjets). Energien og retningen til strålene observeres i partikkeldetektorer som omgir støtpunktet. Denne informasjonen brukes til å forstå hvor mye energi som var inneholdt i kollisjonen mellom de to opprinnelige kvarkene/gluonene/antikvarkene. Mer presist gir den invariante massen til de to strålene, multiplisert med c 2, energien til kollisjonen mellom de to opprinnelige kvarkene/gluonene/antikvarkene.

Ris. 6

Antall kollisjoner av denne typen avhengig av energien er vist i fig. 4. Det faktum at ved lave energier er antallet kollisjoner mye større, bekreftes av det faktum at de fleste partiklene inne i protonet overfører bare en liten brøkdel av energien. Dataene starter ved energier på 750 GeV.

Ris. 7: Data for lavere energier hentet fra et mindre datasett. Dijet-masse - det samme som m jj i fig. 4.

Data for fig. 7 er hentet fra CMS-eksperimentet fra 2010, hvor de plottet kjøttkollisjoner opp til energier på 220 GeV. Grafen her er ikke antall kollisjoner, men litt mer komplisert: antall kollisjoner per GeV, det vil si antall kollisjoner delt på histogramkolonnens bredde. Det kan sees at den samme effekten fortsetter å virke på tvers av hele spekteret av data. Kollisjoner som vist i fig. 6, mye mer skjer ved lave energier enn ved høye energier. Og dette tallet fortsetter å vokse til det ikke lenger er mulig å skille jetflyene. Et proton inneholder mange lavenergipartikler, og få av dem har en betydelig brøkdel av energien.

Hva med tilstedeværelsen av antikvarker i protonet? Tre av de mest interessante prosessene som ikke ligner på kollisjonen avbildet i fig. 6, som noen ganger forekommer ved LHC (i en av flere millioner proton-proton-kollisjoner) involverer prosessen:

Quark + antikvark -> W + , W - eller Z partikkel.

De er vist i fig. 8.

Ris. 8

De tilsvarende dataene fra CMS er gitt i fig. 9 og 10. Fig. Figur 9 viser at antall kollisjoner som produserer et elektron eller positron (til venstre) og noe som ikke kan påvises (sannsynligvis en nøytrino eller antinøytrino), eller en myon og en antimuon (til høyre), er predikert riktig. Forutsigelsen gjøres ved å kombinere standardmodellen (ligninger som forutsier oppførselen til kjente elementærpartikler) og strukturen til protonet. De store toppene i dataene skyldes utseendet til W- og Z-partikler. Teorien passer perfekt til dataene.

Ris. 9: svarte prikker – data, gule – spådommer. Antall hendelser er angitt i tusenvis. Venstre: Den sentrale toppen skyldes nøytrinoer i W-partiklene Til høyre kombineres leptonet og antileptonet som ble produsert i kollisjonen, og massen til partikkelen de kom fra. Toppen vises på grunn av de resulterende Z-partiklene.

Enda flere detaljer kan sees i fig. 10, hvor det er vist at teorien, når det gjelder antall ikke bare disse, men også mange assosierte målinger - hvorav de fleste er assosiert med kollisjoner av kvarker med antikvarker - samsvarer perfekt med dataene. Data (røde prikker) og teori (blå søyler) samsvarer aldri nøyaktig på grunn av statistiske svingninger, av samme grunn at hvis du slår en mynt ti ganger, vil du ikke nødvendigvis få fem hoder og fem haler. Derfor er datapunktene plassert innenfor "feillinjen", den vertikale røde stripen. Størrelsen på båndet er slik at for 30 % av målingene skal feilbåndet grense til teorien, og for bare 5 % av målingene skal det være to bånd unna teorien. Det kan sees at alle bevisene bekrefter at protonet inneholder mange antikvarker. Og vi forstår riktig antall antikvarker som bærer en viss brøkdel av protonets energi.

Ris. 10

Da er alt litt mer komplisert. Vi vet til og med hvor mange opp og ned kvarker vi har avhengig av energien de bærer, siden vi korrekt forutsier - med en feil på mindre enn 10 % - hvor mye mer W + partikler vi får enn W - partikler (fig. 11).

Ris. elleve

Forholdet mellom opp-antikvarker og ned-kvarker bør være nær 1, men det bør være flere opp-kvarker enn ned-kvarker, spesielt ved høye energier. I fig. 6 kan vi se at forholdet mellom de resulterende W+- og W --partiklene omtrentlig skal gi oss forholdet mellom opp-kvarker og ned-kvarker som er involvert i produksjonen av W-partikler. Figur 11 viser at det målte forholdet mellom W + og W - partikler er 3 til 2, ikke 2 til 1. Dette viser også at den naive ideen om et proton som består av to opp-kvarker og en ned-kvark er for forenklet. Det forenklede 2 til 1-forholdet er uskarpt, siden et proton inneholder mange kvark-antikvark-par, hvorav de øvre og nedre er omtrent like. Graden av uskarphet bestemmes av massen til W-partikkelen på 80 GeV. Gjør du den lettere, blir det mer uskarphet, og hvis den er tyngre, blir det mindre uskarphet, siden de fleste kvark-antikvark-parene i protonet har lite energi.

Til slutt, la oss bekrefte det faktum at de fleste partiklene i et proton er gluoner.

Ris. 12

For å gjøre dette vil vi bruke det faktum at toppkvarker kan lages på to måter: kvark + antikvark -> toppkvark + toppantikvark, eller gluon + gluon -> toppkvark + toppantikvark (fig. 12). Vi vet antallet kvarker og antikvarker avhengig av energien de bærer basert på målingene illustrert i fig. 9-11. Fra dette kan vi bruke ligningene til Standardmodellen til å forutsi hvor mange toppkvarker som vil bli produsert fra kollisjoner av kun kvarker og antikvarker. Vi mener også, basert på tidligere data, at det er flere gluoner i et proton, så prosessen gluon + gluon -> toppkvark + toppantikvark bør forekomme minst 5 ganger oftere. Det er lett å sjekke om det er gluoner der; hvis de ikke er det, må dataene ligge godt under teoretiske spådommer.
gluoner Legg til tagger

Ved å studere materiens struktur fant fysikere ut hva atomer er laget av, kom til atomkjernen og delte den opp i protoner og nøytroner. Alle disse trinnene ble gitt ganske enkelt - du måtte bare akselerere partiklene til den nødvendige energien, skyve dem mot hverandre, og så ville de selv falle fra hverandre i komponentdelene.

Men med protoner og nøytroner fungerte ikke dette trikset lenger. Selv om de er komposittpartikler, kan de ikke "brytes i stykker" i selv den mest voldsomme kollisjonen. Derfor tok det fysikere tiår å komme opp med forskjellige måter å se inn i protonet, se dets struktur og form. I dag er studiet av strukturen til protonet et av de mest aktive områdene innen partikkelfysikk.

Naturen gir hint

Historien om å studere strukturen til protoner og nøytroner går tilbake til 1930-tallet. Da, i tillegg til protoner, ble oppdaget nøytroner (1932), etter å ha målt massen deres, ble fysikere overrasket over å finne at den var veldig nær massen til et proton. Dessuten viste det seg at protoner og nøytroner "føler" kjernefysisk interaksjon på nøyaktig samme måte. Så identisk at fra atomkrefters synspunkt kan et proton og et nøytron betraktes som to manifestasjoner av samme partikkel - et nukleon: et proton er et elektrisk ladet nukleon, og et nøytron er et nøytralt nukleon. Bytt protoner mot nøytroner og kjernekrefter vil (nesten) ikke merke noe.

Fysikere uttrykker denne egenskapen til naturen som symmetri - kjernefysisk interaksjon er symmetrisk med hensyn til erstatning av protoner med nøytroner, akkurat som en sommerfugl er symmetrisk med hensyn til erstatning av venstre med høyre. Denne symmetrien, i tillegg til å spille en viktig rolle i kjernefysikk, var faktisk det første hintet om at nukleoner hadde en interessant indre struktur. Riktignok skjønte ikke fysikere dette hintet på 30-tallet.

Forståelsen kom senere. Det begynte med det faktum at på 1940–50-tallet, i reaksjonene fra kollisjoner av protoner med kjernene til forskjellige elementer, ble forskere overrasket over å oppdage flere og flere nye partikler. Ikke protoner, ikke nøytroner, ikke pi-mesonene som ble oppdaget på den tiden, som holder nukleoner i kjerner, men noen helt nye partikler. Til tross for all deres mangfold, hadde disse nye partiklene to felles egenskaper. For det første deltok de, i likhet med nukleoner, veldig villig i kjernefysiske interaksjoner - nå kalles slike partikler hadroner. Og for det andre var de ekstremt ustabile. De mest ustabile av dem forfalt til andre partikler på bare en trilliondel av et nanosekund, og rakk ikke engang å fly på størrelse med en atomkjerne!

I lang tid var hadron "zoo" et komplett rot. På slutten av 1950-tallet hadde fysikere allerede lært ganske mange forskjellige typer hadroner, begynte å sammenligne dem med hverandre og så plutselig en viss generell symmetri, ja periodisitet, i egenskapene deres. Det ble antydet at inne i alle hadroner (inkludert nukleoner) er det noen enkle gjenstander kalt "kvarker". Ved å kombinere kvarker på ulike måter er det mulig å få frem ulike hadroner, og av nøyaktig samme type og med de samme egenskapene som ble oppdaget i forsøket.

Hva gjør et proton til et proton?

Etter at fysikere oppdaget kvarkstrukturen til hadroner og lærte at kvarker finnes i flere forskjellige varianter, ble det klart at mange forskjellige partikler kunne konstrueres av kvarker. Så ingen ble overrasket da påfølgende eksperimenter fortsatte å finne nye hadroner etter hverandre. Men blant alle hadronene ble det oppdaget en hel familie av partikler, bestående, akkurat som protonet, av bare to u-kvarker og en d-kvark. En slags "bror" til protonet. Og her fikk fysikerne en overraskelse.

La oss først gjøre en enkel observasjon. Hvis vi har flere objekter som består av de samme "klossene", så inneholder tyngre objekter flere "klosser", og lettere inneholder færre. Dette er et veldig naturlig prinsipp, som kan kalles kombinasjonsprinsippet eller prinsippet om overbygning, og det fungerer perfekt både i hverdagen og i fysikk. Det manifesterer seg til og med i strukturen til atomkjerner - tross alt består tyngre kjerner ganske enkelt av et større antall protoner og nøytroner.

På kvarkernivå fungerer imidlertid ikke dette prinsippet i det hele tatt, og riktignok har fysikere ennå ikke helt funnet ut hvorfor. Det viser seg at de tunge brødrene til protonet også består av de samme kvarkene som protonet, selv om de er halvannen eller til og med to ganger tyngre enn protonet. De skiller seg fra protonet (og skiller seg fra hverandre) ikke komposisjon, og gjensidig plassering kvarker, etter tilstanden der disse kvarkene er i forhold til hverandre. Det er nok å endre kvarkenes relative posisjon - og fra protonet vil vi få en annen, merkbart tyngre, partikkel.

Hva vil skje hvis du fortsatt tar og samler mer enn tre kvarker sammen? Vil det bli produsert en ny tung partikkel? Overraskende nok vil det ikke fungere - kvarkene vil bryte opp i tre og bli til flere spredte partikler. Av en eller annen grunn "liker ikke" naturen å kombinere mange kvarker til en helhet! Først helt nylig, bokstavelig talt de siste årene, begynte det å dukke opp hint om at noen multi-kvark-partikler eksisterer, men dette understreker bare hvor mye naturen ikke liker dem.

En veldig viktig og dyp konklusjon følger av denne kombinatorikken - massen av hadroner består ikke i det hele tatt av massen av kvarker. Men hvis massen til en hadron kan økes eller reduseres ved ganske enkelt å rekombinere dens bestanddeler, så er det ikke kvarkene selv som er ansvarlige for massen av hadroner. Og faktisk, i påfølgende eksperimenter var det mulig å finne ut at massen til kvarkene i seg selv bare er omtrent to prosent av massen til protonet, og resten av tyngdekraften oppstår på grunn av kraftfeltet (spesielle partikler - gluoner) som binder kvarkene sammen. Ved å endre den relative posisjonen til kvarker, for eksempel, flytte dem lenger bort fra hverandre, endrer vi dermed gluonskyen, og gjør den mer massiv, og det er grunnen til at hadronmassen øker (fig. 1).

Hva skjer inne i et raskt bevegelig proton?

Alt beskrevet ovenfor gjelder et stasjonært proton på fysikernes språk, dette er strukturen til protonet i dets hvileramme. I eksperimentet ble imidlertid strukturen til protonet først oppdaget under andre forhold – inne raskt flyvende proton.

På slutten av 1960-tallet, i eksperimenter på partikkelkollisjoner ved akseleratorer, ble det lagt merke til at protoner som reiste med nærlyshastighet oppførte seg som om energien inne i dem ikke var jevnt fordelt, men var konsentrert i individuelle kompakte objekter. Den berømte fysikeren Richard Feynman foreslo å kalle disse materieklumpene inne i protoner partons(fra engelsk del - Del).

Påfølgende eksperimenter undersøkte mange av egenskapene til partoner - for eksempel deres elektriske ladning, antall og brøkdelen av protonenergi hver bærer. Det viser seg at ladede partoner er kvarker, og nøytrale partoner er gluoner. Ja, de samme gluonene, som i protonets hvileramme ganske enkelt "tjente" kvarkene og tiltrekker dem til hverandre, er nå uavhengige partoner og, sammen med kvarker, bærer "stoffet" og energien til et raskt bevegelig proton. Eksperimenter har vist at omtrent halvparten av energien er lagret i kvarker, og halvparten i gluoner.

Partoner studeres mest praktisk i kollisjoner av protoner med elektroner. Faktum er at, i motsetning til et proton, deltar ikke et elektron i sterke kjernefysiske interaksjoner, og dets kollisjon med et proton ser veldig enkelt ut: elektronet sender ut et virtuelt foton i svært kort tid, som krasjer inn i en ladet parton og til slutt genererer en stort antall partikler (fig. 2). Vi kan si at elektronet er en utmerket skalpell for å "åpne" protonet og dele det opp i separate deler - dog bare i svært kort tid. Når man vet hvor ofte slike prosesser forekommer ved en akselerator, kan man måle antall partoner inne i et proton og deres ladninger.

Hvem er Partons egentlig?

Og her kommer vi til en annen fantastisk oppdagelse som fysikere gjorde mens de studerte kollisjoner av elementærpartikler ved høye energier.

Under normale forhold har spørsmålet om hva dette eller det objektet består av et universelt svar for alle referansesystemer. For eksempel består et vannmolekyl av to hydrogenatomer og ett oksygenatom – og det spiller ingen rolle om vi ser på et stasjonært eller bevegelig molekyl. Imidlertid virker denne regelen så naturlig! - krenkes hvis vi snakker om elementærpartikler som beveger seg med hastigheter nær lysets hastighet. I en referanseramme kan en kompleks partikkel bestå av ett sett med underpartikler, og i en annen referanseramme av en annen. Det viser seg at komposisjon er et relativt begrep!

Hvordan kan dette være? Nøkkelen her er en viktig egenskap: antall partikler i vår verden er ikke fast - partikler kan bli født og forsvinne. Hvis du for eksempel skyver sammen to elektroner med tilstrekkelig høy energi, kan det i tillegg til disse to elektronene enten bli født et foton eller et elektron-positron-par, eller noen andre partikler. Alt dette er tillatt av kvantelover, og det er akkurat det som skjer i virkelige eksperimenter.

Men denne "loven om ikke-konservering" av partikler fungerer ved kollisjoner partikler. Hvordan har det seg at samme proton fra forskjellige synsvinkler ser ut som om det består av et annet sett med partikler? Poenget er at et proton ikke bare er tre kvarker satt sammen. Det er et gluonkraftfelt mellom kvarkene. Generelt er et kraftfelt (som et gravitasjonsfelt eller et elektrisk felt) en slags materiell "enhet" som gjennomsyrer rommet og lar partikler utøve en kraftig innflytelse på hverandre. I kvanteteorien består feltet også av partikler, om enn spesielle - virtuelle. Antallet av disse partiklene er ikke faste, de "spirer ut" fra kvarker og blir absorbert av andre kvarker.

Hviler Et proton kan egentlig betraktes som tre kvarker med gluoner som hopper mellom dem. Men hvis vi ser på det samme protonet fra en annen referanseramme, som fra vinduet til et "relativistisk tog" som passerer, vil vi se et helt annet bilde. De virtuelle gluonene som limte kvarkene sammen vil virke mindre virtuelle, "mer ekte" partikler. De er selvfølgelig fortsatt født og absorbert av kvarker, men samtidig lever de for seg selv en stund og flyr ved siden av kvarkene, som ekte partikler. Det som ser ut som et enkelt kraftfelt i en referanseramme, blir til en strøm av partikler i en annen ramme! Merk at vi ikke berører selve protonet, men kun ser på det fra en annen referanseramme.

Dessuten. Jo nærmere hastigheten til vårt "relativistiske tog" er lysets hastighet, desto mer fantastisk vil bildet vi se inne i protonet. Når vi nærmer oss lysets hastighet, vil vi legge merke til at det er flere og flere gluoner inne i protonet. Dessuten deler de seg noen ganger i kvark-antikvark-par, som også flyr i nærheten og regnes også som partoner. Som et resultat av dette oppstår et ultrarelativistisk proton, dvs. et proton som beveger seg i forhold til oss med en hastighet som er veldig nær lysets hastighet, i form av gjennomtrengende skyer av kvarker, antikvarker og gluoner som flyr sammen og ser ut til å støtte hverandre (fig. 3).

En leser som er kjent med relativitetsteorien kan være bekymret. All fysikk er basert på prinsippet om at enhver prosess foregår på samme måte i alle treghetsreferanserammer. Men det viser seg at sammensetningen av protonet avhenger av referanserammen vi observerer det fra?!

Ja, akkurat, men dette bryter på ingen måte med relativitetsprinsippet. Resultatene av fysiske prosesser - for eksempel hvilke partikler og hvor mange som produseres som følge av en kollisjon - viser seg å være invariante, selv om sammensetningen av protonet avhenger av referanserammen.

Denne situasjonen, som er uvanlig ved første øyekast, men som tilfredsstiller alle fysikkens lover, er skjematisk illustrert i figur 4. Den viser hvordan kollisjonen mellom to protoner med høy energi ser ut i forskjellige referanserammer: i resten av ett proton, i massesenterrammen, i resten av et annet proton. Samspillet mellom protoner utføres gjennom en kaskade av splittende gluoner, men bare i ett tilfelle regnes denne kaskaden som "innsiden" av ett proton, i et annet tilfelle regnes det som en del av et annet proton, og i det tredje er det ganske enkelt noe gjenstand som utveksles mellom to protoner. Denne kaskaden eksisterer, den er ekte, men hvilken del av prosessen den skal tilskrives avhenger av referanserammen.

3D-portrett av et proton

Alle resultatene vi nettopp snakket om var basert på eksperimenter utført for ganske lenge siden - på 60-70-tallet av forrige århundre. Det ser ut til at siden den gang skulle alt ha blitt studert og alle spørsmål burde ha funnet svarene sine. Men nei – strukturen til protonet er fortsatt et av de mest interessante temaene innen partikkelfysikk. Dessuten har interessen for det økt igjen de siste årene fordi fysikere har funnet ut hvordan man kan få et "tredimensjonalt" portrett av et raskt bevegelig proton, som viste seg å være mye vanskeligere enn et portrett av et stasjonært proton.

Klassiske eksperimenter på protonkollisjoner forteller bare om antall partoner og deres energifordeling. I slike eksperimenter deltar partoner som uavhengige objekter, noe som betyr at det er umulig å finne ut av dem hvordan partonene er plassert i forhold til hverandre, eller nøyaktig hvordan de summerer seg til et proton. Vi kan si at i lang tid var bare et "endimensjonalt" portrett av et raskt bevegelig proton tilgjengelig for fysikere.

For å konstruere et ekte, tredimensjonalt portrett av et proton og finne ut fordelingen av partoner i rommet, kreves det mye mer subtile eksperimenter enn de som var mulig for 40 år siden. Fysikere lærte å utføre slike eksperimenter ganske nylig, bokstavelig talt i det siste tiåret. De innså at blant det enorme antallet forskjellige reaksjoner som oppstår når et elektron kolliderer med et proton, er det en spesiell reaksjon - dyp virtuell Compton-spredning, - som kan fortelle oss om den tredimensjonale strukturen til protonet.

Generelt er Compton-spredning, eller Compton-effekten, den elastiske kollisjonen av et foton med en partikkel, for eksempel et proton. Det ser slik ut: et foton kommer, absorberes av et proton, som går inn i en eksitert tilstand for en kort stund, og deretter går tilbake til sin opprinnelige tilstand, og sender ut et foton i en eller annen retning.

Comptonspredning av vanlige lysfotoner fører ikke til noe interessant – det er rett og slett refleksjon av lys fra et proton. For at den indre strukturen til protonet skal "komme inn" og fordelingen av kvarker skal "føles", er det nødvendig å bruke fotoner med veldig høy energi - milliarder av ganger mer enn i vanlig lys. Og nettopp slike fotoner - om enn virtuelle - genereres lett av et innfallende elektron. Hvis vi nå kombinerer det ene med det andre, får vi dyp virtuell Compton-spredning (fig. 5).

Hovedtrekket ved denne reaksjonen er at den ikke ødelegger protonet. Det innfallende fotonet treffer ikke bare protonet, men føler det så å si forsiktig og flyr deretter bort. Retningen det flyr bort i og hvilken del av energien protonet tar fra det avhenger av strukturen til protonet, av den relative ordningen av partonene inne i den. Det er derfor, ved å studere denne prosessen, er det mulig å gjenopprette det tredimensjonale utseendet til protonet, som for å "skulpturere dens skulptur."

Riktignok er dette veldig vanskelig for en eksperimentell fysiker å gjøre. Den nødvendige prosessen skjer ganske sjelden, og det er vanskelig å registrere den. De første eksperimentelle dataene om denne reaksjonen ble oppnådd først i 2001 ved HERA-akseleratoren ved det tyske akseleratorkomplekset DESY i Hamburg; en ny serie data blir nå behandlet av eksperimentatorer. Men allerede i dag, basert på de første dataene, tegner teoretikere tredimensjonale fordelinger av kvarker og gluoner i protonet. En fysisk mengde, som fysikere tidligere bare hadde gjort antagelser om, begynte endelig å "dukke opp" fra eksperimentet.

Er det noen uventede funn som venter oss i dette området? Det er sannsynlig at ja. For å illustrere, la oss si at det i november 2008 dukket opp en interessant teoretisk artikkel, som sier at et proton som beveger seg raskt ikke skal se ut som en flat disk, men en bikonkav linse. Dette skjer fordi partonene som sitter i den sentrale delen av protonet komprimeres sterkere i lengderetningen enn partonene som sitter i kantene. Det ville vært veldig interessant å teste disse teoretiske spådommene eksperimentelt!

Hvorfor er alt dette interessant for fysikere?

Hvorfor trenger fysikere til og med å vite nøyaktig hvordan materie er fordelt inne i protoner og nøytroner?

For det første kreves dette av selve logikken i utviklingen av fysikk. Det er mange utrolig komplekse systemer i verden som moderne teoretisk fysikk ennå ikke helt kan takle. Hadroner er et slikt system. Ved å forstå strukturen til hadroner, finpusser vi evnene til teoretisk fysikk, som godt kan vise seg å være universell og kanskje vil hjelpe til med noe helt annet, for eksempel i studiet av superledere eller andre materialer med uvanlige egenskaper.

For det andre er det direkte fordeler for kjernefysikk. Til tross for den nesten hundreårige historien med å studere atomkjerner, vet teoretikere fortsatt ikke den eksakte loven om interaksjon mellom protoner og nøytroner.

De må dels gjette denne loven basert på eksperimentelle data, og dels konstruere den basert på kunnskap om strukturen til nukleoner. Det er her nye data om den tredimensjonale strukturen til nukleoner vil hjelpe.

For det tredje, for flere år siden var fysikere i stand til å oppnå ikke mindre enn en ny aggregert tilstand av materie - kvark-gluonplasma. I denne tilstanden sitter ikke kvarker inne i individuelle protoner og nøytroner, men går fritt gjennom hele klumpen av kjernefysisk materie. Dette kan for eksempel oppnås slik: tunge kjerner akselereres i en akselerator til en hastighet veldig nær lysets hastighet, og frontkolliderer deretter. I denne kollisjonen oppstår temperaturer på billioner av grader i svært kort tid, noe som smelter kjernene til kvark-gluon-plasma. Så det viser seg at teoretiske beregninger av denne kjernefysiske smeltingen krever god kunnskap om den tredimensjonale strukturen til nukleoner.

Til slutt er disse dataene svært nødvendige for astrofysikk. Når tunge stjerner eksploderer på slutten av livet, etterlater de ofte ekstremt kompakte objekter - nøytron- og muligens kvarkstjerner. Kjernen til disse stjernene består utelukkende av nøytroner, og kanskje til og med kaldt kvark-gluonplasma. Slike stjerner har lenge blitt oppdaget, men man kan bare gjette hva som skjer inni dem. Så en god forståelse av kvarkfordelinger kan føre til fremgang innen astrofysikk.

Alle fem bokstavs elementærpartikler er listet opp nedenfor. En kort beskrivelse er gitt for hver definisjon.

Hvis du har noe å legge til, er et kommentarskjema nedenfor til tjeneste, der du kan uttrykke din mening eller legge til artikkelen.

Liste over elementærpartikler

Foton

Det er et kvantum av elektromagnetisk stråling, for eksempel lys. Lys er på sin side et fenomen som består av lysstrømmer. Et foton er en elementær partikkel. Et foton har nøytral ladning og null masse. Fotonspinnet er lik enhet. Fotonet bærer den elektromagnetiske interaksjonen mellom ladede partikler. Begrepet foton kommer fra det greske phos, som betyr lys.

Phonon

Det er en kvasipartikkel, et kvantum av elastiske vibrasjoner og forskyvninger av atomer og molekyler i krystallgitteret fra en likevektsposisjon. I krystallgitter samhandler atomer og molekyler konstant og deler energi med hverandre. I denne forbindelse er det nesten umulig å studere fenomener som ligner på vibrasjoner av individuelle atomer i dem. Derfor blir tilfeldige vibrasjoner av atomer vanligvis vurdert i henhold til typen forplantning av lydbølger inne i et krystallgitter. Kvanten til disse bølgene er fononer. Begrepet fonon kommer fra den greske telefonen – lyd.

Phazon

Fluktuonfasen er en kvasipartikkel, som er en eksitasjon i legeringer eller i et annet heterofasesystem, som danner en potensiell brønn (ferromagnetisk region) rundt en ladet partikkel, for eksempel et elektron, og fanger den.

Roton

Det er en kvasipartikkel som tilsvarer elementær eksitasjon i superfluid helium, i området med høye impulser, assosiert med forekomsten av virvelbevegelse i en superfluid væske. Roton, oversatt fra latin betyr - spinning, spinning. Roton vises ved temperaturer høyere enn 0,6 K og bestemmer eksponentielt temperaturavhengige egenskaper for varmekapasitet, som normal tetthet entropi og andre.

Meson

Det er en ustabil ikke-elementær partikkel. En meson er et tungt elektron i kosmiske stråler.
Massen til en meson er større enn massen til et elektron og mindre enn massen til et proton.

Mesoner har et jevnt antall kvarker og antikvarker. Mesoner inkluderer Pioner, Kaoner og andre tunge mesoner.

Quark

Det er en elementær partikkel av materie, men foreløpig bare hypotetisk. Kvarker kalles vanligvis seks partikler og deres antipartikler (antikvarker), som igjen utgjør en gruppe spesielle elementarpartikler hadroner.

Det antas at partikler som deltar i sterke interaksjoner, som protoner, nevroner og noen andre, består av kvarker som er tett forbundet med hverandre. Quarks eksisterer hele tiden i forskjellige kombinasjoner. Det er en teori om at kvarker kunne eksistere i fri form i de første øyeblikkene etter det store smellet.

Gluon

Elementær partikkel. Ifølge en teori ser gluoner ut til å lime kvarker sammen, som igjen danner partikler som protoner og nevroner. Generelt er gluoner de minste partiklene som danner materie.

Boson

Boson-kvasipartikkel eller Bose-partikkel. En boson har null eller heltallsspinn. Navnet er gitt til ære for fysikeren Shatyendranath Bose. Et boson er annerledes ved at et ubegrenset antall av dem kan ha samme kvantetilstand.

Hadron

En hadron er en elementær partikkel som ikke er virkelig elementær. Består av kvarker, antikvarker og gluoner. Hadronen har ingen fargeladning og deltar i sterke interaksjoner, inkludert kjernefysiske. Begrepet hadron, fra det greske adros, betyr stor, massiv.

I denne artikkelen finner du informasjon om protonet, som en elementær partikkel som danner grunnlaget for universet sammen med dets andre grunnstoffer, brukt i kjemi og fysikk. Egenskapene til protonet, dets egenskaper i kjemi og stabilitet vil bli bestemt.

Hva er et proton

Et proton er en av representantene for elementarpartikler, som er klassifisert som en baryon, f.eks. der fermioner samhandler sterkt, og selve partikkelen består av 3 kvarker. Protonet er en stabil partikkel og har et personlig momentum - spin ½. Den fysiske betegnelsen for proton er s(eller s +)

Et proton er en elementær partikkel som deltar i termonukleære prosesser. Det er denne typen reaksjon som i hovedsak er hovedkilden til energi generert av stjerner i hele universet. Nesten hele mengden energi som frigjøres av solen eksisterer bare på grunn av kombinasjonen av 4 protoner til en heliumkjerne med dannelsen av ett nøytron fra to protoner.

Egenskaper som ligger i et proton

Et proton er en av representantene for baryoner. Det er fakta. Ladningen og massen til et proton er konstante mengder. Protonet er elektrisk ladet +1, og massen bestemmes i ulike måleenheter og er i MeV 938.272 0813(58), i kilogram av et proton er vekten i tallene 1.672 621 898(21) 10 −27 kg, i enheter av atommasse er vekten av et proton 1,007 276 466 879(91) a. e.m., og i forhold til elektronets masse, veier protonet 1836.152 673 89 (17) i forhold til elektronet.

Et proton, hvis definisjon allerede er gitt ovenfor, fra et fysikksynspunkt, er en elementær partikkel med en projeksjon av isospin +½, og kjernefysikk oppfatter denne partikkelen med motsatt fortegn. Selve protonet er et nukleon, og består av 3 kvarker (to u-kvarker og en d-kvark).

Strukturen til protonet ble eksperimentelt studert av kjernefysiker fra USA - Robert Hofstadter. For å oppnå dette målet kolliderte fysikeren protoner med høyenergielektroner, og ble tildelt Nobelprisen i fysikk for sin beskrivelse.

Protonet inneholder en kjerne (tung kjerne), som inneholder omtrent trettifem prosent av energien til protonets elektriske ladning og har en ganske høy tetthet. Skallet som omgir kjernen er relativt utladet. Skallet består hovedsakelig av virtuelle mesoner av type og p og bærer omtrent femti prosent av det elektriske potensialet til protonet og er lokalisert i en avstand på omtrent 0,25 * 10 13 til 1,4 * 10 13 . Enda videre, i en avstand på omtrent 2,5 * 10 13 centimeter, består skallet av og w virtuelle mesoner og inneholder omtrent de resterende femten prosentene av protonets elektriske ladning.

Protonstabilitet og stabilitet

I fri tilstand viser ikke protonet noen tegn på forfall, noe som indikerer stabiliteten. Den stabile tilstanden til protonet, som den letteste representanten for baryoner, bestemmes av loven om bevaring av antall baryoner. Uten å bryte SBC-loven, er protoner i stand til å forfalle til nøytrinoer, positroner og andre, lettere elementærpartikler.

Protonet til kjernen av atomer har evnen til å fange opp visse typer elektroner som har K, L, M atomskall. Et proton, som har fullført elektronfangst, forvandles til et nøytron og frigjør som et resultat et nøytrino, og "hullet" som dannes som et resultat av elektronfangst fylles med elektroner fra over de underliggende atomlagene.

I ikke-treghetsreferanserammer må protoner få en begrenset levetid som kan beregnes dette på grunn av Unruh-effekten (stråling), som i kvantefeltteori forutsier mulig betraktning av termisk stråling i en referanseramme som akselereres i; fravær av denne typen stråling. Således kan et proton, hvis det har en begrenset levetid, gjennomgå beta-forfall til et positron, nøytron eller nøytrino, til tross for at prosessen med slikt forfall i seg selv er forbudt av ZSE.

Bruk av protoner i kjemi

Et proton er et H-atom bygget av et enkelt proton og har ikke et elektron, så i kjemisk forstand er et proton én kjerne av et H-atom Et nøytron sammen med et proton skaper kjernen til et atom. I Dmitry Ivanovich Mendeleevs PTCE indikerer elementnummeret antall protoner i atomet til et bestemt grunnstoff, og elementnummeret bestemmes av atomladningen.

Hydrogenkationer er veldig sterke elektronakseptorer. I kjemi oppnås protoner hovedsakelig fra organiske og mineralske syrer. Ionisering er en metode for å produsere protoner i gassfaser.