Componente do próton 5. Partículas elementares

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Arroz. 1: átomo de hidrogênio. Não em escala.

Você sabe que o Grande Colisor de Hádrons basicamente esmaga prótons uns contra os outros. Mas o que é um próton?

Em primeiro lugar, é uma bagunça terrível e completa. Tão feio e caótico quanto o átomo de hidrogênio é simples e elegante.

Mas o que é então um átomo de hidrogênio?

Este é o exemplo mais simples do que os físicos chamam de “estado vinculado”. “Estado” significa essencialmente algo que já existe há algum tempo, e “ligado” significa que os seus componentes estão ligados entre si, como os cônjuges num casamento. Na verdade, cabe muito bem aqui o exemplo de um casal em que um dos cônjuges é muito mais pesado que o outro. O próton fica no centro, quase sem se mover, e nas bordas do objeto há um elétron se movendo, movendo-se mais rápido que você e eu, mas muito mais lento que a velocidade da luz, o limite de velocidade universal. Uma imagem pacífica de um idílio matrimonial.

Ou parece que sim até olharmos para o próton em si. O interior do próton em si é mais parecido com uma comuna, onde muitos adultos solteiros e crianças estão densamente aglomerados: puro caos. Este também é um estado ligado, mas não conecta algo simples, como um próton com um elétron, como no hidrogênio, ou pelo menos várias dezenas de elétrons com um núcleo atômico, como em átomos mais complexos como o ouro - mas um número incontável ( isto é, há muitos deles e eles mudam muito rapidamente para serem contados na prática) partículas leves chamadas quarks, antiquarks e glúons. É impossível simplesmente descrever a estrutura do próton, fazer desenhos simples - é extremamente desorganizado. Todos os quarks, glúons e antiquarks correm por dentro na velocidade máxima possível, quase à velocidade da luz.

Arroz. 2: Imagem de um próton. Imagine que todos os quarks (up, down, estranho - u,d,s), antiquarks (u,d,s com um travessão) e glúons (g) correm para frente e para trás quase na velocidade da luz, colidindo uns com os outros. outro, aparecem e desaparecem

Você deve ter ouvido falar que um próton consiste em três quarks. Mas isto é uma mentira – para um bem maior, mas ainda assim uma grande mentira. Na verdade, existe uma infinidade de glúons, antiquarks e quarks no próton. A abreviatura padrão “um próton é composto de dois quarks up e um quark down” simplesmente diz que um próton tem mais dois quarks up do que quarks up e mais um quark down do que quarks down. Para que esta redução seja verdadeira, é necessário adicionar-lhe “e incontáveis ​​mais glúons e pares quark-antiquark”. Sem essa frase, a ideia de próton ficará tão simplificada que será completamente impossível entender o funcionamento do LHC.

Arroz. 3: Little White Lies em uma imagem estereotipada da Wikipedia

Em geral, os átomos comparados aos prótons são como um pas de deux em um balé elaborado comparado a uma discoteca cheia de adolescentes bêbados pulando para cima e para baixo e acenando para o DJ.

É por isso que se você for um teórico tentando entender o que o LHC verá nas colisões de prótons, terá dificuldades. É muito difícil prever os resultados de colisões entre objetos que não podem ser descritos de forma simples. Mas, felizmente, desde a década de 1970, com base nas ideias de Bjorken dos anos 60, os físicos teóricos encontraram uma tecnologia relativamente simples e funcional. Mas ainda funciona até certos limites, com uma precisão de cerca de 10%. Por esta e algumas outras razões, a fiabilidade dos nossos cálculos no LHC é sempre limitada.

Outra coisa sobre o próton é que ele é minúsculo. Realmente minúsculo. Se você explodir um átomo de hidrogênio do tamanho do seu quarto, o próton terá o tamanho de um grão de poeira tão pequeno que será muito difícil notá-lo. É precisamente porque o próton é tão pequeno que podemos ignorar o caos que ocorre dentro dele, descrevendo o átomo de hidrogênio como algo simples. Mais precisamente, o tamanho de um próton é 100.000 vezes menor que o tamanho de um átomo de hidrogênio.

Para efeito de comparação, o tamanho do Sol é apenas 3.000 vezes menor que o tamanho do Sistema Solar (medido pela órbita de Netuno). É isso mesmo – o átomo está mais vazio que o sistema solar! Lembre-se disso quando olhar para o céu à noite.

Mas você pode perguntar: “Espere um segundo! Você está dizendo que o Grande Colisor de Hádrons de alguma forma colide prótons que são 100.000 vezes menores que um átomo? Como isso é possível?

Ótima pergunta.

Colisões de prótons versus minicolisões de quarks, glúons e antiquarks

As colisões de prótons no LHC ocorrem com uma certa energia. Era 7 TeV = 7.000 GeV em 2011 e 8 TeV = 8.000 GeV em 2012. Mas os físicos de partículas estão principalmente interessados ​​em colisões de um quark de um próton com o antiquark de outro próton, ou em colisões de dois glúons, etc. – algo que pode levar ao surgimento de um fenômeno físico verdadeiramente novo. Essas minicolisões carregam uma pequena fração da energia total de colisão de prótons. Quanto desta energia eles podem transportar e por que foi necessário aumentar a energia de colisão de 7 TeV para 8 TeV?

A resposta está na Fig. 4. O gráfico mostra o número de colisões detectadas pelo detector ATLAS. Os dados do verão de 2011 envolvem a dispersão de quarks, antiquarks e glúons de outros quarks, antiquarks e glúons. Essas minicolisões geralmente produzem dois jatos (jato de hádrons, manifestações de quarks, glúons ou antiquarks de alta energia eliminados dos prótons pais). As energias e direções dos jatos são medidas e a partir desses dados é determinada a quantidade de energia que deveria estar envolvida na minicolisão. O gráfico mostra o número de minicolisões deste tipo em função da energia. O eixo vertical é logarítmico - cada linha denota um aumento de 10 vezes na quantidade (10 n denota 1 e n zeros depois dela). Por exemplo, o número de minicolisões observadas no intervalo de energia de 1550 a 1650 GeV foi de cerca de 10 3 = 1000 (marcadas com linhas azuis). Observe que o gráfico começa em 750 GeV, mas o número de minicolisões continua a aumentar à medida que você estuda jatos de energia mais baixa, até o ponto em que os jatos se tornam fracos demais para serem detectados.

Arroz. 4: número de colisões em função da energia (m jj)

Considere que o número total de colisões próton-próton com energia de 7 TeV = 7.000 GeV se aproximou de 100.000.000.000.000, e de todas essas colisões, apenas duas minicolisões ultrapassaram 3.500 GeV - metade da energia de uma colisão de prótons. Teoricamente, a energia de uma minicolisão poderia aumentar para 7.000 GeV, mas a probabilidade disso está diminuindo o tempo todo. Vemos minicolisões de 6.000 GeV tão raramente que é improvável que vejamos 7.000 GeV, mesmo se coletarmos 100 vezes mais dados.

Quais são as vantagens de aumentar a energia de colisão de 7 TeV em 2010-2011 para 8 TeV em 2012? Obviamente, o que você poderia fazer no nível de energia E, agora você pode fazer no nível de energia 8/7 E ≈ 1,14 E. Então, se antes você podia esperar ver em tantos dados sinais de um certo tipo de partícula hipotética com massa de 1.000 GeV/c 2, então podemos agora esperar atingir pelo menos 1.100 GeV/c 2 com o mesmo conjunto de dados. As capacidades da máquina estão aumentando - você pode procurar partículas de massa um pouco maior. E se recolhermos três vezes mais dados em 2012 do que em 2011, obteremos mais colisões para cada nível de energia e conseguiremos ver a assinatura de uma partícula hipotética com uma massa de, digamos, 1200 GeV/s 2 .

Mas isso não é tudo. Observe as linhas azuis e verdes na Fig. 4: eles mostram que ocorrem em energias da ordem de 1400 e 1600 GeV - de modo que se correlacionam entre si como 7 a 8. No nível de energia de colisão de prótons de 7 TeV, o número de minicolisões de quarks com quarks , quarks com glúons, etc. com energia de 1.400 GeV é mais que o dobro do número de colisões com energia de 1.600 GeV. Mas quando a máquina aumenta a energia em 8/7, o que funcionou para 1.400 passa a funcionar para 1.600. Em outras palavras, se você está interessado em minicolisões de energia fixa, seu número aumenta - e muito mais do que o aumento de 14%. em energia de colisão de prótons! Isso significa que para qualquer processo com uma energia preferida, digamos, o aparecimento de partículas leves de Higgs, que ocorre em energias da ordem de 100-200 GeV, você obtém mais resultados pelo mesmo dinheiro. Ir de 7 para 8 TeV significa que para o mesmo número de colisões de prótons você obtém mais partículas de Higgs. A produção de partículas de Higgs aumentará cerca de 1,5. O número de quarks up e de certos tipos de partículas hipotéticas aumentará um pouco mais.

Isto significa que embora o número de colisões de prótons em 2012 seja 3 vezes maior do que em 2011, o número total de partículas de Higgs produzidas aumentará quase 4 vezes simplesmente devido ao aumento da energia.

A propósito, fig. A Figura 4 também prova que os prótons não consistem simplesmente em dois quarks up e um quark down, como mostrado em desenhos como a Fig. 3. Se assim fosse, então os quarks teriam de transferir cerca de um terço da energia dos protões, e a maioria das mini-colisões ocorreriam a energias de cerca de um terço da energia de colisão dos protões: cerca de 2300 GeV. Mas o gráfico mostra que nada de especial acontece na região de 2.300 GeV. Em energias abaixo de 2.300 GeV, há muito mais colisões e, quanto mais baixo você desce, mais colisões você vê. Isso ocorre porque o próton contém um grande número de glúons, quarks e antiquarks, cada um dos quais transfere uma pequena parte da energia do próton, mas são tantos que participam de um grande número de minicolisões. Esta propriedade do próton é mostrada na Fig. 2 – embora na verdade o número de glúons de baixa energia e pares quark-antiquark seja muito maior do que o mostrado na figura.

Mas o que o gráfico não mostra é a fração que, em minicolisões com uma determinada energia, recai sobre colisões de quarks com quarks, quarks com glúons, glúons com glúons, quarks com antiquarks, etc. Na verdade, isto não pode ser dito diretamente a partir de experiências no LHC – os jatos de quarks, antiquarks e glúons parecem iguais. A forma como conhecemos essas partilhas é uma história complexa, que envolve muitas experiências passadas diferentes e a teoria que as combina. E a partir disso sabemos que as minicolisões de maior energia geralmente ocorrem entre quarks e quarks e entre quarks e glúons. Colisões de baixa energia geralmente ocorrem entre glúons. As colisões entre quarks e antiquarks são relativamente raras, mas são muito importantes para certos processos físicos.

Distribuição de partículas dentro de um próton

Arroz. 5

Dois gráficos, diferindo na escala do eixo vertical, mostram a probabilidade relativa de uma colisão com um glúon, quark up ou down ou antiquark carregando uma fração da energia do próton igual a x. Em x pequeno, os glúons dominam (e quarks e antiquarks tornam-se igualmente prováveis ​​​​e numerosos, embora ainda haja menos deles do que glúons), e em x médio, os quarks dominam (embora se tornem extremamente poucos em número).

Ambos os gráficos mostram a mesma coisa, só que em escalas diferentes, então o que é difícil de ver em um deles é mais fácil de ver no outro. O que eles mostram é o seguinte: se um feixe de prótons chegar até você no Grande Colisor de Hádrons e você atingir algo dentro do próton, qual a probabilidade de você atingir um quark up, ou um quark down, ou um glúon, ou um quark down? up antiquark ou down quark, um antiquark que carrega uma fração da energia do próton igual a x? A partir destes gráficos pode-se concluir que:

Do fato de que todas as curvas crescem muito rapidamente em x pequeno (visto no gráfico inferior), segue-se que a maioria das partículas no próton transfere menos de 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.
Como a curva amarela (abaixo) é muito mais alta que as outras, segue-se que se você encontrar algo que carregue menos de 10% da energia de um próton, provavelmente é um glúon; e caindo abaixo de 2% da energia do próton, é igualmente provável que sejam quarks ou antiquarks.
Como a curva do glúon (topo) cai abaixo das curvas de quarks à medida que x aumenta, segue-se que se você encontrar algo carregando mais de 20% (x > 0,2) da energia do próton - o que é muito, muito raro - é, muito provavelmente, um quark, e a probabilidade de ser um quark up é duas vezes mais provável que a probabilidade de ser um quark down. Isto é um resquício da ideia de que “um próton é composto por dois quarks up e um quark down”.
Todas as curvas caem acentuadamente à medida que x aumenta; É muito improvável que você encontre algo que carregue mais de 50% da energia do próton.

Essas observações são refletidas indiretamente no gráfico da Fig. 4. Aqui estão mais algumas coisas não óbvias sobre os dois gráficos:
A maior parte da energia do próton é dividida (quase igualmente) entre um pequeno número de quarks de alta energia e um grande número de glúons de baixa energia.
Entre as partículas predominam em número os glúons de baixa energia, seguidos pelos quarks e antiquarks de muito baixas energias.

O número de quarks e antiquarks é enorme, mas: o número total de quarks up menos o número total de antiquarks up é dois, e o número total de quarks down menos o número total de antiquarks down é um. Como vimos acima, os quarks extras carregam uma porção significativa (mas não a maioria) da energia do próton voando em sua direção. E só neste sentido podemos dizer que o próton consiste basicamente em dois quarks up e um quark down.

Aliás, toda essa informação foi obtida a partir de uma fascinante combinação de experimentos (principalmente sobre o espalhamento de elétrons ou neutrinos de prótons ou de núcleos atômicos de hidrogênio pesado - deutério, contendo um próton e um nêutron), reunidos por meio de equações detalhadas. descrevendo interações eletromagnéticas, nucleares fortes e nucleares fracas. Esta longa história remonta ao final dos anos 1960 e início dos anos 1970. E funciona muito bem para prever fenômenos observados em aceleradores onde prótons colidem com prótons e prótons com antiprótons, como o Tevatron e o LHC.

Outras evidências da complexa estrutura do próton

Vejamos alguns dos dados obtidos no LHC e como eles apoiam as afirmações sobre a estrutura do próton (embora a compreensão atual do próton remonte a 3-4 décadas, graças a muitos experimentos).

Gráfico na Fig. 4 é obtido a partir de observações de colisões durante as quais ocorre algo como o mostrado na Fig. 6: um quark ou antiquark ou glúon de um próton colide com um quark ou antiquark ou glúon de outro próton, se dispersa dele (ou algo mais complexo acontece - por exemplo, dois glúons colidem e se transformam em um quark e um antiquark), resultando em duas partículas (quarks, antiquarks ou glúons) voam para longe do ponto de colisão. Essas duas partículas se transformam em jatos (jatos de hádrons). A energia e a direção dos jatos são observadas em detectores de partículas ao redor do ponto de impacto. Esta informação é usada para entender quanta energia estava contida na colisão dos dois quarks/glúons/antiquarks originais. Mais precisamente, a massa invariante dos dois jatos, multiplicada por c 2, dá a energia da colisão dos dois quarks/glúons/antiquarks originais.

Arroz. 6

O número de colisões deste tipo dependendo da energia é mostrado na Fig. 4. O fato de que em baixas energias o número de colisões é muito maior é confirmado pelo fato de que a maioria das partículas dentro do próton transfere apenas uma pequena fração de sua energia. Os dados começam com energias de 750 GeV.

Arroz. 7: Dados para energias mais baixas retirados de um conjunto de dados menor. Massa Dijet – igual a m jj na Fig. 4.

Dados para a Fig. 7 foram retirados do experimento CMS de 2010, no qual eles traçaram colisões de carne até energias de 220 GeV. O gráfico aqui não é o número de colisões, mas sim um pouco mais complicado: o número de colisões por GeV, ou seja, o número de colisões dividido pela largura da coluna do histograma. Pode-se observar que o mesmo efeito continua a funcionar em toda a gama de dados. Colisões como as mostradas na Fig. 6, acontece muito mais em baixas energias do que em altas energias. E esse número continua crescendo até não ser mais possível distinguir os jatos. Um próton contém muitas partículas de baixa energia e poucas delas carregam uma fração significativa de sua energia.

E quanto à presença de antiquarks no próton? Três dos processos mais interessantes que não são semelhantes à colisão mostrada na Fig. 6, que às vezes ocorre no LHC (em uma entre vários milhões de colisões próton-próton), envolve o processo:

Quark + antiquark -> partícula W+, W- ou Z.

Eles são mostrados na Fig. 8.

Arroz. 8

Os dados correspondentes do CMS são fornecidos na Fig. 9 e 10. Fig. A Figura 9 mostra que o número de colisões que produzem um elétron ou pósitron (esquerda) e algo indetectável (provavelmente um neutrino ou antineutrino), ou um múon e um antimúon (direita), é previsto corretamente. A previsão é feita combinando o Modelo Padrão (equações que predizem o comportamento de partículas elementares conhecidas) e a estrutura do próton. Os grandes picos nos dados são devidos ao aparecimento de partículas W e Z. A teoria se ajusta perfeitamente aos dados.

Arroz. 9: pontos pretos – dados, amarelos – previsões. O número de eventos é indicado em milhares. Esquerda: O pico central é devido aos neutrinos nas partículas W. À direita, o leptão e o antileptão produzidos na colisão são combinados e a massa da partícula de onde vieram está implícita. O pico aparece devido às partículas Z resultantes.

Ainda mais detalhes podem ser vistos na Fig. 10, onde é mostrado que a teoria, em termos do número não apenas destas, mas também de muitas medições associadas - a maioria das quais estão associadas a colisões de quarks com antiquarks - corresponde perfeitamente aos dados. Os dados (pontos vermelhos) e a teoria (barras azuis) nunca coincidem exactamente devido a flutuações estatísticas, pela mesma razão que se atirarmos uma moeda dez vezes não obteremos necessariamente cinco caras e cinco coroas. Portanto, os pontos de dados são colocados dentro da “barra de erro”, a faixa vermelha vertical. O tamanho da banda é tal que para 30% das medições a banda de erro deve estar próxima da teoria, e para apenas 5% das medições deve estar a duas bandas de distância da teoria. Pode-se ver que todas as evidências confirmam que o próton contém muitos antiquarks. E entendemos corretamente o número de antiquarks que transportam uma certa fração da energia do próton.

Arroz. 10

Aí tudo fica um pouco mais complicado. Sabemos até quantos quarks up e down temos dependendo da energia que eles carregam, uma vez que prevemos corretamente - com um erro inferior a 10% - quanto mais partículas W + obtemos do que partículas W - (Fig. 11).

Arroz. onze

A proporção entre antiquarks up e quarks down deve ser próxima de 1, mas deve haver mais quarks up do que quarks down, especialmente em altas energias. Na Fig. 6 podemos ver que a razão entre as partículas W + e W - resultantes deveria nos dar aproximadamente a razão entre os quarks up e os quarks down envolvidos na produção de partículas W. A Figura 11 mostra que a proporção medida de partículas W + para W - é de 3 para 2, e não de 2 para 1. Isso também mostra que a ideia ingênua de um próton consistindo em dois quarks up e um quark down é muito simplista. A proporção simplificada de 2 para 1 é confusa, uma vez que um próton contém muitos pares quark-antiquark, dos quais os superiores e inferiores são aproximadamente iguais. O grau de desfoque é determinado pela massa da partícula W de 80 GeV. Se você torná-lo mais claro, haverá mais desfoque, e se for mais pesado, haverá menos desfoque, já que a maioria dos pares quark-antiquark no próton carregam pouca energia.

Finalmente, vamos confirmar o fato de que a maioria das partículas do próton são glúons.

Arroz. 12

Para fazer isso, usaremos o fato de que os quarks top podem ser criados de duas maneiras: quark + antiquark -> top quark + top antiquark, ou glúon + glúon -> top quark + top antiquark (Fig. 12). Sabemos o número de quarks e antiquarks dependendo da energia que eles carregam com base nas medições ilustradas na Fig. 9-11. A partir disso, podemos usar as equações do Modelo Padrão para prever quantos quarks top serão produzidos a partir de colisões apenas de quarks e antiquarks. Acreditamos também, com base em dados anteriores, que há mais glúons em um próton, então o processo glúon + glúon -> top quark + top antiquark deveria ocorrer pelo menos 5 vezes mais frequentemente. É fácil verificar se existem glúons; caso contrário, os dados devem estar bem abaixo das previsões teóricas.
glúons Adicionar tags

Ao estudar a estrutura da matéria, os físicos descobriram de que são feitos os átomos, chegaram ao núcleo atômico e o dividiram em prótons e nêutrons. Todas essas etapas foram realizadas com bastante facilidade - bastava acelerar as partículas até a energia necessária, empurrá-las umas contra as outras e então elas mesmas se desintegrariam em suas partes componentes.

Mas com prótons e nêutrons esse truque não funcionou mais. Embora sejam partículas compostas, não podem ser “quebradas em pedaços” mesmo na colisão mais violenta. Portanto, os físicos levaram décadas para descobrir diferentes maneiras de olhar para dentro do próton, ver sua estrutura e forma. Hoje, o estudo da estrutura do próton é uma das áreas mais ativas da física de partículas.

A natureza dá dicas

A história do estudo da estrutura de prótons e nêutrons remonta à década de 1930. Quando, além dos prótons, foram descobertos nêutrons (1932), após medir sua massa, os físicos ficaram surpresos ao descobrir que ela estava muito próxima da massa de um próton. Além disso, descobriu-se que os prótons e os nêutrons “sentem” a interação nuclear exatamente da mesma maneira. Tão idênticos que, do ponto de vista das forças nucleares, um próton e um nêutron podem ser considerados como duas manifestações da mesma partícula - um nucleon: um próton é um nucleon eletricamente carregado e um nêutron é um nucleon neutro. Trocar prótons por nêutrons e as forças nucleares (quase) não notarão nada.

Os físicos expressam esta propriedade da natureza como simetria - a interação nuclear é simétrica no que diz respeito à substituição de prótons por nêutrons, assim como uma borboleta é simétrica no que diz respeito à substituição da esquerda pela direita. Esta simetria, além de desempenhar um papel importante na física nuclear, foi na verdade o primeiro indício de que os núcleons tinham uma estrutura interna interessante. É verdade que, na década de 30, os físicos não perceberam essa dica.

A compreensão veio depois. Tudo começou com o fato de que nas décadas de 1940-50, nas reações de colisões de prótons com os núcleos de vários elementos, os cientistas ficaram surpresos ao descobrir cada vez mais novas partículas. Não prótons, nem nêutrons, nem os mésons pi descobertos naquela época, que contêm núcleons nos núcleos, mas algumas partículas completamente novas. Apesar de toda a sua diversidade, estas novas partículas tinham duas propriedades comuns. Em primeiro lugar, eles, como os núcleons, participaram de boa vontade nas interações nucleares - agora essas partículas são chamadas de hádrons. E em segundo lugar, eles eram extremamente instáveis. O mais instável deles decaiu em outras partículas em apenas um trilionésimo de nanossegundo, sem sequer ter tempo de voar do tamanho de um núcleo atômico!

Por muito tempo, o “zoológico” de hádrons foi uma bagunça completa. No final da década de 1950, os físicos já haviam aprendido muitos tipos diferentes de hádrons, começaram a compará-los entre si e de repente perceberam uma certa simetria geral, até mesmo periodicidade, em suas propriedades. Foi sugerido que dentro de todos os hádrons (incluindo os núcleons) existem alguns objetos simples chamados “quarks”. Ao combinar quarks de diferentes maneiras, é possível obter hádrons diferentes, exatamente do mesmo tipo e com as mesmas propriedades que foram descobertas no experimento.

O que torna um próton um próton?

Depois que os físicos descobriram a estrutura dos quarks dos hádrons e aprenderam que os quarks existem em diversas variedades diferentes, ficou claro que muitas partículas diferentes poderiam ser construídas a partir dos quarks. Portanto, ninguém ficou surpreso quando os experimentos subsequentes continuaram a encontrar novos hádrons, um após o outro. Mas entre todos os hádrons, foi descoberta toda uma família de partículas, consistindo, assim como o próton, de apenas dois você-quarks e um d-quark. Uma espécie de “irmão” do próton. E aqui os físicos tiveram uma surpresa.

Vamos primeiro fazer uma observação simples. Se tivermos vários objetos consistindo dos mesmos “tijolos”, então os objetos mais pesados ​​contêm mais “tijolos” e os mais leves contêm menos. Este é um princípio muito natural, que pode ser chamado de princípio da combinação ou princípio da superestrutura, e funciona perfeitamente tanto na vida cotidiana quanto na física. Ele se manifesta até na estrutura dos núcleos atômicos - afinal, os núcleos mais pesados ​​consistem simplesmente em um número maior de prótons e nêutrons.

No entanto, ao nível dos quarks, este princípio não funciona de todo e, é certo, os físicos ainda não descobriram completamente porquê. Acontece que os irmãos pesados ​​​​do próton também consistem nos mesmos quarks do próton, embora sejam uma vez e meia ou até duas vezes mais pesados ​​que o próton. Eles diferem do próton (e diferem um do outro) não composição, e mútuo localização quarks, pelo estado em que esses quarks estão relativos entre si. Basta mudar a posição relativa dos quarks - e do próton obteremos outra partícula visivelmente mais pesada.

O que acontecerá se você ainda coletar e coletar mais de três quarks juntos? Haverá uma nova partícula pesada? Surpreendentemente, não funcionará - os quarks se dividirão em três e se transformarão em várias partículas dispersas. Por alguma razão, a natureza “não gosta” de combinar muitos quarks em um todo! Só muito recentemente, literalmente nos últimos anos, começaram a aparecer indícios de que existem algumas partículas multi-quark, mas isso apenas enfatiza o quanto a natureza não gosta delas.

Uma conclusão muito importante e profunda segue desta combinatória - a massa dos hádrons não consiste de forma alguma na massa dos quarks. Mas se a massa de um hádron pode ser aumentada ou diminuída simplesmente pela recombinação dos seus tijolos constituintes, então não são os próprios quarks os responsáveis ​​pela massa dos hádrons. Na verdade, em experimentos subsequentes foi possível descobrir que a massa dos próprios quarks é apenas cerca de dois por cento da massa do próton, e o resto da gravidade surge devido ao campo de força (partículas especiais - glúons) que unir os quarks. Ao alterar a posição relativa dos quarks, por exemplo, afastando-os uns dos outros, alteramos assim a nuvem de glúons, tornando-a mais massiva, razão pela qual a massa dos hádrons aumenta (Fig. 1).

O que está acontecendo dentro de um próton em movimento rápido?

Tudo o que foi descrito acima diz respeito a um próton estacionário, na linguagem dos físicos, esta é a estrutura do próton em seu referencial de repouso; No entanto, no experimento, a estrutura do próton foi descoberta pela primeira vez sob outras condições - dentro voando rápido próton.

No final da década de 1960, em experimentos sobre colisões de partículas em aceleradores, percebeu-se que os prótons viajando quase à velocidade da luz se comportavam como se a energia dentro deles não estivesse distribuída uniformemente, mas concentrada em objetos compactos individuais. O famoso físico Richard Feynman propôs chamar esses aglomerados de matéria dentro de prótons parceiros(do inglês papel - Papel).

Experimentos subsequentes examinaram muitas das propriedades dos pártons – por exemplo, sua carga elétrica, seu número e a fração da energia de prótons que cada um carrega. Acontece que os partons carregados são quarks e os partons neutros são glúons. Sim, esses mesmos glúons, que no referencial de repouso do próton simplesmente “serviam” aos quarks, atraindo-os uns aos outros, agora são pártons independentes e, junto com os quarks, carregam a “matéria” e a energia de um próton em movimento rápido. Experimentos mostraram que aproximadamente metade da energia é armazenada em quarks e a outra metade em glúons.

Os partons são mais convenientemente estudados em colisões de prótons com elétrons. O fato é que, diferentemente de um próton, um elétron não participa de interações nucleares fortes e sua colisão com um próton parece muito simples: o elétron emite um fóton virtual por um tempo muito curto, que colide com um párton carregado e, por fim, gera um grande número de partículas (Fig. 2). Podemos dizer que o elétron é um excelente bisturi para “abrir” o próton e dividi-lo em partes separadas - porém, apenas por muito pouco tempo. Sabendo com que frequência tais processos ocorrem em um acelerador, pode-se medir o número de pártons dentro de um próton e suas cargas.

Quem são os Partons realmente?

E aqui chegamos a outra descoberta surpreendente que os físicos fizeram enquanto estudavam colisões de partículas elementares em altas energias.

Em condições normais, a questão de em que consiste este ou aquele objeto tem uma resposta universal para todos os sistemas de referência. Por exemplo, uma molécula de água consiste em dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio - e não importa se estamos olhando para uma molécula estacionária ou em movimento. No entanto, esta regra parece tão natural! - é violado quando se trata de partículas elementares que se movem a velocidades próximas à velocidade da luz. Em um referencial, uma partícula complexa pode consistir em um conjunto de subpartículas, e em outro referencial, em outro. Acontece que composição é um conceito relativo!

Como isso pode ser? A chave aqui é uma propriedade importante: o número de partículas no nosso mundo não é fixo – as partículas podem nascer e desaparecer. Por exemplo, se você unir dois elétrons com uma energia suficientemente alta, então, além desses dois elétrons, poderá nascer um fóton, ou um par elétron-pósitron, ou algumas outras partículas. Tudo isso é permitido pelas leis quânticas, e é exatamente isso que acontece em experimentos reais.

Mas esta “lei da não conservação” das partículas funciona em caso de colisões partículas. Como é que o mesmo próton, de diferentes pontos de vista, parece consistir em um conjunto diferente de partículas? A questão é que um próton não consiste apenas em três quarks juntos. Existe um campo de força do glúon entre os quarks. Em geral, um campo de força (como um campo gravitacional ou elétrico) é um tipo de “entidade” material que permeia o espaço e permite que as partículas exerçam uma influência vigorosa umas sobre as outras. Na teoria quântica, o campo também consiste em partículas, ainda que especiais - virtuais. O número destas partículas não é fixo; elas estão constantemente “brotando” dos quarks e sendo absorvidas por outros quarks.

Em repouso Um próton pode realmente ser pensado como três quarks com glúons saltando entre eles. Mas se olharmos para o mesmo próton a partir de um quadro de referência diferente, como se fossemos da janela de um “trem relativístico” passando, veremos uma imagem completamente diferente. Esses glúons virtuais que uniram os quarks parecerão partículas menos virtuais e “mais reais”. Eles, é claro, ainda nascem e são absorvidos pelos quarks, mas ao mesmo tempo vivem sozinhos por algum tempo, voando ao lado dos quarks, como partículas reais. O que parece ser um simples campo de força em um referencial se transforma em um fluxo de partículas em outro referencial! Observe que não tocamos o próton em si, mas apenas olhamos para ele a partir de um referencial diferente.

Além disso. Quanto mais próxima a velocidade do nosso “trem relativístico” estiver da velocidade da luz, mais surpreendente será a imagem que veremos dentro do próton. À medida que nos aproximamos da velocidade da luz, notaremos que há cada vez mais glúons dentro do próton. Além disso, eles às vezes se dividem em pares quark-antiquark, que também voam nas proximidades e também são considerados partons. Como resultado, um próton ultrarelativístico, ou seja, um próton que se move em relação a nós a uma velocidade muito próxima da velocidade da luz, aparece na forma de nuvens interpenetrantes de quarks, antiquarks e glúons que voam juntos e parecem apoiar-se uns aos outros (Fig. 3).

Um leitor familiarizado com a teoria da relatividade pode ficar preocupado. Toda física se baseia no princípio de que qualquer processo ocorre da mesma maneira em todos os referenciais inerciais. Mas acontece que a composição do próton depende do referencial a partir do qual o observamos?!

Sim, exactamente, mas isto não viola de forma alguma o princípio da relatividade. Os resultados dos processos físicos - por exemplo, quais partículas e quantas são produzidas como resultado de uma colisão - revelam-se invariantes, embora a composição do próton dependa do referencial.

Esta situação, incomum à primeira vista, mas que satisfaz todas as leis da física, é ilustrada esquematicamente na Figura 4. Ela mostra como se parece a colisão de dois prótons com alta energia em diferentes referenciais: no referencial de repouso de um próton, em o referencial do centro de massa, no referencial restante de outro próton. A interação entre os prótons é realizada através de uma cascata de glúons divididos, mas apenas em um caso essa cascata é considerada o “interior” de um próton, em outro caso é considerada parte de outro próton e no terceiro é simplesmente algum objeto que é trocado entre dois prótons. Esta cascata existe, é real, mas a que parte do processo deve ser atribuída depende do quadro de referência.

Retrato 3D de um próton

Todos os resultados de que acabamos de falar foram baseados em experimentos realizados há muito tempo - nas décadas de 60 e 70 do século passado. Parece que desde então tudo deveria ter sido estudado e todas as questões deveriam ter encontrado suas respostas. Mas não – a estrutura do próton ainda continua sendo um dos tópicos mais interessantes da física de partículas. Além disso, o interesse aumentou novamente nos últimos anos porque os físicos descobriram como obter um retrato “tridimensional” de um próton em movimento rápido, o que se revelou muito mais difícil do que um retrato de um próton estacionário.

Experimentos clássicos sobre colisões de prótons falam apenas sobre o número de partons e sua distribuição de energia. Em tais experimentos, os partons participam como objetos independentes, o que significa que é impossível descobrir a partir deles como os partons estão localizados uns em relação aos outros, ou como exatamente eles se somam a um próton. Podemos dizer que durante muito tempo apenas um retrato “unidimensional” de um próton em movimento rápido estava disponível para os físicos.

Para construir um retrato tridimensional real de um próton e descobrir a distribuição dos pártons no espaço, são necessários experimentos muito mais sutis do que aqueles que eram possíveis há 40 anos. Os físicos aprenderam a realizar tais experimentos recentemente, literalmente na última década. Eles perceberam que entre o grande número de reações diferentes que ocorrem quando um elétron colide com um próton, existe uma reação especial - espalhamento Compton virtual profundo, - o que pode nos contar sobre a estrutura tridimensional do próton.

Em geral, o espalhamento Compton, ou efeito Compton, é a colisão elástica de um fóton com uma partícula, por exemplo, um próton. É assim: um fóton chega, é absorvido por um próton, que entra em estado excitado por um curto período de tempo e depois retorna ao estado original, emitindo um fóton em alguma direção.

A dispersão Compton de fótons de luz comuns não leva a nada de interessante - é simplesmente o reflexo da luz de um próton. Para que a estrutura interna do próton “entre em ação” e a distribuição dos quarks seja “sentida”, é necessário usar fótons de altíssima energia – bilhões de vezes mais do que na luz comum. E são exatamente esses fótons - embora virtuais - que são facilmente gerados por um elétron incidente. Se agora combinarmos um com o outro, obteremos um espalhamento Compton virtual profundo (Fig. 5).

A principal característica desta reação é que ela não destrói o próton. O fóton incidente não apenas atinge o próton, mas, por assim dizer, o sente cuidadosamente e depois voa para longe. A direção em que ele voa e que parte da energia o próton retira dele depende da estrutura do próton, da disposição relativa dos pártons dentro dele. É por isso que, ao estudar esse processo, é possível restaurar a aparência tridimensional do próton, como se fosse “esculpir sua escultura”.

É verdade que isso é muito difícil para um físico experimental fazer. O processo necessário ocorre muito raramente e é difícil registrá-lo. Os primeiros dados experimentais sobre esta reação foram obtidos apenas em 2001 no acelerador HERA do complexo de aceleradores alemão DESY em Hamburgo; uma nova série de dados está sendo processada por experimentadores. Porém, já hoje, com base nos primeiros dados, os teóricos estão desenhando distribuições tridimensionais de quarks e glúons no próton. Uma quantidade física, sobre a qual os físicos anteriormente apenas faziam suposições, finalmente começou a “emergir” do experimento.

Há alguma descoberta inesperada que nos espera nesta área? É provável que sim. Para ilustrar, digamos que em novembro de 2008 apareceu um artigo teórico interessante, que afirma que um próton em movimento rápido não deveria se parecer com um disco plano, mas com uma lente bicôncava. Isso acontece porque os pártons situados na região central do próton são comprimidos mais fortemente na direção longitudinal do que os pártons situados nas bordas. Seria muito interessante testar experimentalmente estas previsões teóricas!

Por que tudo isso é interessante para os físicos?

Por que os físicos precisam saber exatamente como a matéria está distribuída dentro dos prótons e nêutrons?

Em primeiro lugar, isto é exigido pela própria lógica do desenvolvimento da física. Existem muitos sistemas surpreendentemente complexos no mundo com os quais a física teórica moderna ainda não consegue lidar totalmente. Os hádrons são um desses sistemas. Ao compreender a estrutura dos hádrons, estamos aprimorando as habilidades da física teórica, que pode muito bem se tornar universal e, talvez, ajudar em algo completamente diferente, por exemplo, no estudo de supercondutores ou outros materiais com propriedades incomuns.

Em segundo lugar, há benefícios diretos para a física nuclear. Apesar da história de quase um século de estudo de núcleos atômicos, os teóricos ainda não conhecem a lei exata da interação entre prótons e nêutrons.

Eles têm que adivinhar parcialmente esta lei com base em dados experimentais e parcialmente construí-la com base no conhecimento sobre a estrutura dos núcleons. É aqui que novos dados sobre a estrutura tridimensional dos núcleons ajudarão.

Em terceiro lugar, há vários anos, os físicos conseguiram obter nada menos que um novo estado agregado da matéria - plasma de quark-gluon. Neste estado, os quarks não ficam dentro de prótons e nêutrons individuais, mas caminham livremente por todo o aglomerado de matéria nuclear. Isto pode ser conseguido, por exemplo, assim: núcleos pesados ​​são acelerados num acelerador a uma velocidade muito próxima da velocidade da luz e depois colidem frontalmente. Nesta colisão, temperaturas de trilhões de graus surgem por um período muito curto, o que derrete os núcleos em plasma de quark-glúon. Assim, verifica-se que os cálculos teóricos desta fusão nuclear requerem um bom conhecimento da estrutura tridimensional dos núcleons.

Finalmente, esses dados são muito necessários para a astrofísica. Quando estrelas pesadas explodem no final de suas vidas, muitas vezes deixam para trás objetos extremamente compactos – estrelas de nêutrons e possivelmente estrelas de quark. O núcleo dessas estrelas consiste inteiramente de nêutrons e talvez até de plasma frio de quark-glúon. Essas estrelas foram descobertas há muito tempo, mas só podemos adivinhar o que está acontecendo dentro delas. Portanto, uma boa compreensão das distribuições de quarks pode levar ao progresso na astrofísica.

Todas as partículas elementares de cinco letras estão listadas abaixo. Uma breve descrição é fornecida para cada definição.

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Lista de partículas elementares

Fóton

É um quantum de radiação eletromagnética, por exemplo, luz. A luz, por sua vez, é um fenômeno que consiste em fluxos de luz. Um fóton é uma partícula elementar. Um fóton tem carga neutra e massa zero. O spin do fóton é igual à unidade. O fóton carrega a interação eletromagnética entre partículas carregadas. O termo fóton vem do grego phos, que significa luz.

Fônon

É uma quasipartícula, um quantum de vibrações elásticas e deslocamentos de átomos e moléculas da rede cristalina de uma posição de equilíbrio. Nas redes cristalinas, átomos e moléculas interagem constantemente, compartilhando energia entre si. A este respeito, é quase impossível estudar fenômenos semelhantes às vibrações de átomos individuais neles. Portanto, as vibrações aleatórias dos átomos são geralmente consideradas de acordo com o tipo de propagação das ondas sonoras dentro de uma rede cristalina. Os quanta dessas ondas são fônons. O termo phonon vem do grego telefone - som.

Fazon

O fasão de flutuação é uma quasipartícula, que é uma excitação em ligas ou em outro sistema heterofásico, formando um poço de potencial (região ferromagnética) em torno de uma partícula carregada, digamos um elétron, e capturando-a.

Roton

É uma quasipartícula que corresponde à excitação elementar no hélio superfluido, na região de impulsos elevados, associada à ocorrência de movimento de vórtice em um líquido superfluido. Roton, traduzido do latim significa - girar, girar. Roton aparece em temperaturas superiores a 0,6 K e determina propriedades de capacidade térmica exponencialmente dependentes da temperatura, como entropia de densidade normal e outras.

Méson

É uma partícula não elementar instável. Um méson é um elétron pesado nos raios cósmicos.
A massa de um méson é maior que a massa de um elétron e menor que a massa de um próton.

Os mésons possuem um número par de quarks e antiquarks. Os mésons incluem Pions, Kaons e outros mésons pesados.

Quark

É uma partícula elementar da matéria, mas até agora apenas hipoteticamente. Os quarks são geralmente chamados de seis partículas e suas antipartículas (antiquarks), que por sua vez constituem um grupo de hádrons de partículas elementares especiais.

Acredita-se que as partículas que participam de interações fortes, como prótons, neurônios e algumas outras, consistem em quarks fortemente conectados entre si. Quarks existem constantemente em diferentes combinações. Existe uma teoria de que os quarks poderiam existir de forma livre nos primeiros momentos após o big bang.

Glúon

Partícula elementar. De acordo com uma teoria, os glúons parecem unir os quarks, que por sua vez formam partículas como prótons e neurônios. Em geral, os glúons são as menores partículas que formam a matéria.

bóson

Quasipartícula de bóson ou partícula de Bose. Um bóson tem spin zero ou inteiro. O nome é dado em homenagem ao físico Shatyendranath Bose. Um bóson é diferente porque um número ilimitado deles pode ter o mesmo estado quântico.

Hádron

Um hádron é uma partícula elementar que não é verdadeiramente elementar. Consiste em quarks, antiquarks e glúons. O hádron não tem carga de cor e participa de interações fortes, inclusive nucleares. O termo hadron, do grego adros, significa grande, maciço.

Neste artigo você encontrará informações sobre o próton, como partícula elementar que forma a base do universo junto com seus demais elementos, utilizado na química e na física. As propriedades do próton, suas características químicas e estabilidade serão determinadas.

O que é um próton

Um próton é um dos representantes das partículas elementares, que é classificado como bárion, por ex. em que os férmions interagem fortemente, e a própria partícula consiste em 3 quarks. O próton é uma partícula estável e tem um momento pessoal - spin ½. A designação física para próton é p(ou p +)

Um próton é uma partícula elementar que participa de processos do tipo termonuclear. É este tipo de reação que constitui essencialmente a principal fonte de energia gerada pelas estrelas em todo o universo. Quase toda a quantidade de energia liberada pelo Sol existe apenas devido à combinação de 4 prótons em um núcleo de hélio com a formação de um nêutron a partir de dois prótons.

Propriedades inerentes a um próton

Um próton é um dos representantes dos bárions. É um fato. A carga e a massa de um próton são quantidades constantes. O próton é eletricamente carregado +1, e sua massa é determinada em várias unidades de medida e está em MeV 938,272 0813(58), em quilogramas de um próton o peso está nas figuras 1,672 621 898(21) 10 −27 kg, em unidades de massa atômica, o peso de um próton é 1,007 276 466 879(91) a. em, e em relação à massa do elétron, o próton pesa 1836,152 673 89 (17) em relação ao elétron.

Um próton, cuja definição já foi dada acima, do ponto de vista da física, é uma partícula elementar com projeção de isospin +½, e a física nuclear percebe essa partícula com sinal oposto. O próprio próton é um núcleon e consiste em 3 quarks (dois quarks u e um quark d).

A estrutura do próton foi estudada experimentalmente pelo físico nuclear dos Estados Unidos da América - Robert Hofstadter. Para atingir esse objetivo, o físico colidiu prótons com elétrons de alta energia e recebeu o Prêmio Nobel de Física por sua descrição.

O próton contém um núcleo (núcleo pesado), que contém cerca de trinta e cinco por cento da energia da carga elétrica do próton e tem uma densidade bastante alta. A casca que envolve o núcleo está relativamente descarregada. A casca consiste principalmente em mésons virtuais do tipo ep e carrega cerca de cinquenta por cento do potencial elétrico do próton e está localizada a uma distância de aproximadamente 0,25*10 13 a 1,4*10 13 . Ainda mais longe, a uma distância de cerca de 2,5 x 10 13 centímetros, a casca consiste em mésons virtuais e contém aproximadamente os quinze por cento restantes da carga elétrica do próton.

Estabilidade e estabilidade de prótons

No estado livre, o próton não apresenta sinais de decaimento, o que indica sua estabilidade. O estado estável do próton, como representante mais leve dos bárions, é determinado pela lei de conservação do número de bárions. Sem violar a lei SBC, os prótons são capazes de decair em neutrinos, pósitrons e outras partículas elementares mais leves.

O próton do núcleo atômico tem a capacidade de capturar certos tipos de elétrons com camadas atômicas K, L, M. Um próton, tendo completado a captura de elétrons, se transforma em um nêutron e, como resultado, libera um neutrino, e o “buraco” formado como resultado da captura de elétrons é preenchido com elétrons acima das camadas atômicas subjacentes.

Em referenciais não inerciais, os prótons devem adquirir um tempo de vida limitado que pode ser calculado, isso se deve ao efeito Unruh (radiação), que na teoria quântica de campos prevê a possível contemplação da radiação térmica em um referencial que é acelerado no referencial; ausência deste tipo de radiação. Assim, um próton, se tiver um tempo de vida finito, pode sofrer decaimento beta em um pósitron, nêutron ou neutrino, apesar do fato de o próprio processo de tal decaimento ser proibido pelo ZSE.

Uso de prótons em química

Um próton é um átomo de H construído a partir de um único próton e não possui um elétron; portanto, no sentido químico, um próton é um núcleo de um átomo de H. Um nêutron emparelhado com um próton cria o núcleo de um átomo. No PTCE de Dmitry Ivanovich Mendeleev, o número do elemento indica o número de prótons no átomo de um elemento específico, e o número do elemento é determinado pela carga atômica.

Os cátions de hidrogênio são aceitadores de elétrons muito fortes. Na química, os prótons são obtidos principalmente de ácidos orgânicos e minerais. A ionização é um método de produção de prótons em fases gasosas.