Част от протона 5 букви - кръстословица Протонът е елементарна частица. Други доказателства за сложната структура на протона

• Превод

Ориз. 1: водороден атом. Не за мащабиране.

Знаете, че Големият адронен колайдер се занимава главно със сблъскване на протони помежду си. Но какво е протон?

На първо място, ужасна и пълна бъркотия. Колкото и грозен и хаотичен да е водородният атом, е прост и елегантен.

Но какво тогава е водороден атом?

Това е най -простият примертова, което физиците наричат ​​"свързано състояние". "Държава" всъщност означава нещо, което съществува от доста време, а "свързано" означава, че неговите компоненти са свързани помежду си, сякаш съпрузите са в брак. Всъщност, примерът на семейна двойка, при който единият съпруг е много по -труден от другия, се вписва много добре тук. Протонът седи в центъра, едва се движи, а електрон се движи по краищата на обекта, движейки се по -бързо от вас и мен, но много по -бавно от скоростта на светлината, универсалното ограничение на скоростта. Мирен образ на брачна идилия.

Или изглежда така, докато не разгледаме самия протон. Вътрешността на самия протон е по -скоро като комуна, където много самотни възрастни и деца са плътно разположени: чист хаос. Това също е свързано състояние, но не свързва нещо просто, като протон с електрон, както във водорода, или поне няколко десетки електрони с атомно ядро, както при по -сложни атоми като златото - а безброй те (т.е. има твърде много от тях и те се променят твърде бързо, за да бъдат практически преброени) от леки частици, наречени кварки, антикварки и глуони. Невъзможно е просто да се опише структурата на протона, да се нарисуват прости картини - тя е изключително дезорганизирана. Всички кварки, глуони, антикварки, се втурват вътре с максималната възможна скорост, почти със скоростта на светлината.

Ориз. 2: Изображение на протон. Представете си, че всички кварки (нагоре, надолу, странно - u, d, s), антикварки (u, d, s с тире) и глуони (g) се спускат напред -назад почти със скоростта на светлината, се сблъскват един с друг , се появяват и изчезват

Може би сте чували, че протонът се състои от три кварка. Но това е лъжа - за добро, но все пак доста голяма. Всъщност един протон съдържа безброй глюони, антикварки и кварки. Стандартното съкращение „един протон има два кварка нагоре и един низходящ кварк“ просто казва, че има два нагоре кварка в един протон повече от антикварки нагоре и един кварк надолу повече от антикварки надолу. За да стане това намаление вярно, е необходимо да се добавят „и дори безброй количества глюони и двойки кварк-антикварк“. Без тази фраза идеята за протона ще бъде толкова опростена, че ще бъде напълно невъзможно да се разбере работата на LHC.

Ориз. 3: Little Good Lies върху стереотипното изображение на Уикипедия

Като цяло атомите срещу протоните са като pas de deux в изискания балет срещу дискотека, изпълнена с пияни тийнейджъри, скачащи и махащи на DJ.

Ето защо, ако сте теоретик, който се опитва да разбере какво ще види LHC при сблъсъци с протони, ще ви бъде трудно. Много е трудно да се предвидят резултатите от сблъсъци на обекти, които не могат да бъдат описани по прост начин... Но за щастие, от 70 -те години на миналия век, въз основа на идеите на Бьоркен от 60 -те, теоретичните физици са открили относително проста и работеща технология. Но все пак работи до определени граници, с точност от около 10%. Поради тази и някои други причини надеждността на нашите изчисления в LHC винаги е ограничена.

Друго нещо за протона е, че е малък. Наистина мъничко. Ако взривите водороден атом до размера на вашата спалня, протонът е с размерите на такова мъничко зрънце прах, че е много трудно да го видите. Точно тъй като протонът е толкова малък, можем да пренебрегнем хаоса в него, описвайки водородния атом като прост. По -точно размерът на протона е 100 000 пъти по -малък от размера на водородния атом.

За сравнение, размерът на Слънцето е само 3000 пъти по -малък от размера на Слънчевата система (ако броим в орбитата на Нептун). Точно така - атомът е по -празен от Слънчева система! Запомнете това, когато гледате небето през нощта.

Но можете да попитате: „Чакай малко! Искате да кажете, че Големият адронен колайдер по някакъв начин се сблъсква с протони, които са 100 000 пъти по -малки от атом? Как е възможно това изобщо? "

Страхотен въпрос.

Протонни сблъсъци срещу мини-сблъсъци на кварки, глуони и антикварки

Сблъсъците на протони в LHC се случват с определена енергия. Той беше 7 TeV = 7000 GeV през 2011 г. и 8 TeV = 8000 GeV през 2012 г. Но физиците на частиците се интересуват главно от сблъсъци на кварк от един протон с антикварк от друг протон или сблъсъци на два глуона и т.н. - какво може да доведе до появата на наистина нов физически феномен. Тези мини-сблъсъци носят малка част от общата енергия на сблъсъка на протоните. Колко от тази енергия могат да прехвърлят и защо е необходимо да се увеличи енергията на сблъсъка от 7 TeV на 8 TeV?

Отговорът е на фиг. 4. Графиката показва броя на сблъсъците, записани в детектора ATLAS. Данните от лятото на 2011 г. включват разсейване на кварки, антикварки и глюони от други кварки, антикварки и глуони. Такива мини-сблъсъци най-често произвеждат две струи (адронни струи, прояви на високоенергийни кварки, глюони или антикварки, изхвърлени от родителските протони). Измерват се енергиите и посоките на струите и от тези данни се определя количеството енергия, което е трябвало да участва в минисблъсъка. Графиката показва броя на мини сблъсъците от този тип като функция на енергията. Вертикалната ос е логаритмична - всяко тире означава увеличение на броя с коефициент 10 (10 n означава 1 и n нули след него). Например, броят на мини-сблъсъци, наблюдавани в енергийния диапазон от 1550 до 1650 GeV, е около 10 3 = 1000 (маркиран със сини линии). Обърнете внимание, че графиката започва от 750 GeV, но броят на мини-сблъсъците продължава да расте, докато изучавате струи с по-ниска енергия, до точката, в която струите стават твърде слаби за откриване.

Ориз. 4: брой на сблъсъците като функция на енергията (m jj)

Обърнете внимание, че общият брой протон-протонни сблъсъци с енергия 7 TeV = 7000 GeV се доближи до 100 000 000 000 000. И от всички тези сблъсъци само два мини-сблъсъка надвишават 3500 GeV-половината от енергията на сблъсък на протони. На теория енергията на мини-сблъсък може да се повиши до 7000 GeV, но вероятността за това намалява непрекъснато. Рядко виждаме 6000 GeV мини-сблъсъци, които едва ли виждаме 7000 GeV, дори ако съберем 100 пъти повече данни.

Какви са предимствата на увеличаването на енергията на сблъсък от 7 TeV през 2010-2011 г. на 8 TeV през 2012 г.? Очевидно сега, каквото бихте могли да направите на енергийно ниво E, сега можете да направите на енергийно ниво 8/7 E ≈ 1,14 E. Така че, ако преди можете да се надявате да видите в толкова много данни признаци на определен тип хипотетични частици с маса от 1000 GeV / c 2, сега може да се надяваме да постигнем поне 1100 GeV / c 2 със същия набор от данни. Възможностите на машината се увеличават - можете да търсите частици с малко по -голяма маса. И ако въведете три пъти повече данни през 2012 г., отколкото през 2011 г., получавате повече сблъсъци за всяко енергийно ниво и можете да видите признаци на хипотетична частица с маса, да речем, 1200 GeV / s 2.

Но това не е всичко. Погледнете сините и зелените линии на фиг. 4: те показват, че те се случват при енергии от порядъка на 1400 и 1600 GeV - такива, че корелират помежду си като 7 до 8. При енергийното ниво на сблъсък на протони в 7 TeV, броят на мини -сблъсъците на кварки с кварки, кварки с глюони и пр. НС. с енергия 1400 GeV е повече от два пъти броя на сблъсъците с енергия 1600 GeV. Но когато машината увеличи енергията си с 8/7, това, което направи за 1400, започва да се случва за 1600. С други думи, ако се интересувате от мини -сблъсъци с фиксирана енергия, техният брой се увеличава - и много повече от 14% увеличаване на енергията на сблъсък на протони! Това означава, че за всеки процес с предпочитана енергия, например появата на леки частици на Хигс, който се случва при енергии от порядъка на 100-200 GeV, получавате повече резултати за същите пари. Увеличението от 7 на 8 TeV означава, че при същия брой сблъсъци на протони получавате повече частици на Хигс. Производството на частици на Хигс ще се увеличи с около 1,5. Броят на нарастващите кварки и някои видове хипотетични частици ще се увеличи малко повече.

Това означава, че въпреки че през 2012 г. броят на сблъсъците на протони се е увеличил 3 пъти в сравнение с 2011 г., общият брой на получените частици на Хигс ще се увеличи почти 4 пъти просто поради увеличаването на енергията.

Между другото, ориз. 4 също доказва, че протоните не са просто съставени от два кварка нагоре и един кварк надолу, както е изобразено на фигури като фиг. 3. Ако те бяха такива, тогава кварките ще трябва да прехвърлят около една трета от енергията на протоните, а повечето от мини-сблъсъците ще се осъществят с енергии от около една трета от енергията на сблъсъка на протоните: в района на 2300 GeV. Но графиката показва, че нищо особено не се случва в района на 2300 GeV. При енергии, по -малки от 2300 GeV, има много повече сблъсъци и колкото по -ниско се спускате, толкова повече сблъсъци виждате. Това е така, защото протонът съдържа огромен брой глуони, кварки и антикварки, всеки от които носи малка част от енергията на протона, но има толкова много от тях, че те участват в огромен брой мини-сблъсъци. Това свойство на протона е показано на фиг. 2-въпреки че всъщност броят на нискоенергийните глуони и двойки кварк-антикварк е много по-голям от показания на фигурата.

Но това, което графиката не показва, са дробите, които при мини-сблъсъци с определена енергия се дължат на сблъсъци на кварки с кварки, кварки с глюони, глюони с глуони, кварки с антикварки и т.н. Всъщност това не може да се каже директно от експерименти в LHC - струи от кварки, антикварки и глуони изглеждат еднакво. Как знаем тези дялове е сложна история, която включва много различни минали експерименти и комбинация от теория. И от това знаем, че мини-сблъсъци с най-високи енергии обикновено се случват между кварки и кварки и кварки с глуони. Сблъсъци с ниска енергия обикновено се случват между глуоните. Сблъсъците на кварки и антикварки са сравнително редки, но са много важни за определени физически процеси.

Разпределение на частиците вътре в протона

Ориз. пет

Двете графики, различаващи се по скалата на вертикалната ос, показват относителната вероятност от сблъсък с глуон, кварк нагоре или надолу или антикварк, носещ част от енергията на протона, равна на x. При малки х доминират глуоните (и кварките и антикварките стават еднакво вероятни и многобройни, въпреки че все още има по -малко от тях от глуоните), а при средни х доминират кварките (въпреки че има изключително малко от тях).

И двете графики показват едно и също нещо, само в различни мащаби, така че това, което е трудно да се види на една от тях, е по -лесно да се види на другата. И те показват следното: ако протонен лъч лети към вас в Големия адронен колайдер и ударите нещо вътре в протона, колко е вероятно да ударите кварк нагоре, или кварк надолу, или глюон, или нагоре антикварк или антикварк надолу, носещ част от енергията на протона, равна на x? От тези графики може да се заключи, че:

Тъй като всички криви растат много бързо при малки х (видно в долната графика), следва, че повечето от частиците в протона носят по -малко от 10% (х< 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.
Тъй като жълтата крива (дъното) е много по -висока от останалата част, следва, че ако сте изправени пред нещо, което носи по -малко от 10% от енергията на протона, то най -вероятно това е глуон; и след като падне под 2% от протонната енергия, това ще бъдат кварки или антикварки с еднаква вероятност.
От факта, че кривата на глюона (отгоре) пада под кривите на кварка с увеличаване на x, следва, че ако сте изправени пред нещо, което носи повече от 20% (x> 0.2) от енергията на протона - което се случва много, много рядко - това най -вероятно е кварк, като вероятността да е кварк нагоре е два пъти по -вероятно от низходящ кварк. Това са останките от идеята, че „протонът е два кварка нагоре и един надолу“.
Всички криви рязко спадат с увеличаване на x; много е малко вероятно да срещнете нещо, което да носи повече от 50% от енергията на протона.

Тези наблюдения са косвено отразени в графиката на фиг. 4. Ето още няколко неочевидни неща за двете класации:
По-голямата част от енергията на протона е разделена (приблизително по равно) между малък брой високоенергийни кварки и огромен брой нискоенергийни глуони.
Сред частиците ниско енергийните глюони преобладават по количество, последвани от кварки и антикварки с много ниска енергия.

Броят на кварките и антикварковете е огромен, но: общият брой на кварките нагоре минус общия брой на антикварките нагоре е два, а общият брой на кварците надолу минус общия брой на ниските антикварки е един. Както видяхме по -горе, допълнителните кварки носят осезаема (но не и основната) част от енергията на протона, летящ към вас. И само в този смисъл можем да кажем, че протонът се състои основно от два кварка нагоре и един надолу един.

Между другото, цялата тази информация е получена от вълнуваща комбинация от експерименти (главно върху разсейването на електрони или неутрино от протони или от атомни ядра на тежък водород - деутерий, съдържащ един протон и един неутрон), събрани заедно с помощта на подробни уравнения, описващи електромагнитни , силно ядрено и слабо ядрено взаимодействие. Тази дълга история се простира до края на 60 -те и началото на 70 -те години. И работи чудесно за прогнозиране на явленията, наблюдавани в колайдерите, където се сблъскват протони с протони и протони с антипротони, като например Tevatron и LHC.

Други доказателства за сложната структура на протона

Нека да разгледаме някои от данните от LHC и как те подкрепят твърденията за структурата на протона (въпреки че сегашното разбиране за протона се появи преди 3-4 десетилетия, благодарение на много експерименти).

Графиката на фиг. 4 се получава от наблюдения на сблъсъци, по време на които нещо подобно на показаното на фиг. 6: кварк или антикварк или глуон от един протон се сблъсква с кварк или антикварк или глуон на друг протон, разпръсква се от него (или се случва нещо по -сложно - например два глуона се сблъскват и се превръщат в кварк и антикварк), като в резултат на което две частици (кварки, антикварки или глуони) излитат далеч от точката на сблъсък. Тези две частици се превръщат в струи (адронни струи). Енергията и посоката на струите се наблюдават в детектори за частици, заобикалящи точката на сблъсък. Тази информация се използва, за да се разбере колко енергия се съдържа в сблъсъка на двата първични кварка / глюона / антикварка. По -точно, инвариантната маса на две струи, умножена по c 2, дава енергията на сблъсък на двата първични кварка / глюона / антикварка.

Ориз. 6

Броят на сблъсъците от този тип в зависимост от енергията е даден на фиг. 4. Фактът, че при ниски енергии броят на сблъсъците е много по -голям, потвърждава факта, че повечето частици вътре в протона носят само малка част от неговата енергия. Данните започват при енергии от 750 GeV.

Ориз. 7: Данни за по -ниски енергии, взети от по -малък набор от данни. Масата на Dijet е същата като m jj на фиг. 4.

Данни за фиг. 7 са взети от CMS експеримента от 2010 г., на който те са начертали сблъсъци на плът до енергии 220 GeV. Графиката тук не е броят на сблъсъците, а малко по -сложно: броят на сблъсъците за GeV, тоест броят на сблъсъците се дели на ширината на колоната с хистограма. Може да се види, че същият ефект продължава да действа в целия диапазон от данни. Сблъсъци от типа, показан на фиг. 6, много повече се случва при ниски енергии, отколкото при високи. И този брой продължава да расте, докато стане невъзможно да се прави разлика между струите. Протонът съдържа много частици с ниска енергия и малко от тях носят значителна част от енергията му.

Какво ще кажете за наличието на антикварки в протона? Три от най -интересните процеси, за разлика от сблъсъка, показан на фиг. 6, понякога възникващи в LHC (при един от няколко милиона сблъсъци с протон-протон), включват процеса:

Кварк + антикварк -> W +, W -или Z -частица.

Те са показани на фиг. осем.

Ориз. осем

Съответните данни от CMS са дадени на фиг. 9 и 10. Фиг. 9 показва, че броят на сблъсъците, водещи до електрон или позитрон (вляво) и нещо неоткриваемо (вероятно неутрино или антинеутрино), или муон и анти-мюон (вдясно), е предвиден правилно. Прогнозата се прави чрез комбиниране Стандартен модел(уравнения, предсказващи поведението на известни елементарни частици) и структурата на протона. Големите пикове на данни се дължат на появата на частиците W и Z. Теорията съвпада перфектно с данните.

Ориз. 9: черни точки - данни, жълти - прогнози. Броят на събитията е посочен в хиляди. Вляво: Централният връх се появява поради неутрино в частиците W. Вдясно лептонът и антилептонът, които се появяват при сблъсъка, се комбинират и е масата на частицата, от която произхождат. Пикът се появява поради получените Z частици.

Повече подробности могат да се видят на фиг. 10, където е показано, че теорията по отношение на броя не само на посочените, но и на много свързани измервания - повечето от които са свързани с сблъсъци на кварки с антикварки - напълно съвпада с данните. Данните (червени точки) и теорията (сини ленти) никога не съвпадат точно поради статистически колебания, поради същата причина, че хвърляте монета десет пъти и не е задължително да получите пет глави и пет опашки. Следователно точките с данни се поставят в "лентата за грешки", вертикалната червена лента. Размерът на лентата е такъв, че за 30% от измерванията лентата на грешките трябва да граничи с теорията, а само за 5% от измерванията трябва да са две ленти, различни от теорията. Може да се види, че всички доказателства потвърждават, че протонът съдържа много антикварки. И ние правилно разбираме броя на антикварки, които носят определена част от протонната енергия.

Ориз. 10

Тогава всичко е малко по -сложно. Ние дори знаем колко кварки нагоре и надолу имаме, в зависимост от енергията, която те носят, тъй като правилно прогнозираме - с грешка по -малка от 10% - колко повече W + частици се получават от W - частици (фиг. 11) .

Ориз. единадесет

Съотношението на до ниски антикварки трябва да бъде близо до 1, но трябва да има повече кварки нагоре, отколкото кварци надолу, особено когато високи енергии... На фиг. 6 може да се види, че съотношението на получените частици W + и W - трябва приблизително да ни даде съотношението на кварки нагоре и надолу, участващи в производството на частици W. Но на фиг. 11 показва, че измереното съотношение на частици W + към W - е 3 към 2, а не 2 към 1. Това също показва, че наивната представа за протона като състоящ се от два кварка нагоре и един кварк надолу е твърде опростена. Опростеното съотношение 2 към 1 е замъглено, тъй като протонът съдържа много двойки кварк-антикварк, от които горните и долните са приблизително равни. Степента на размазване се определя от масата на частицата W при 80 GeV. Ако го направите по -лек, ще има повече размазване, а ако е по -тежко - по -малко, тъй като повечето от кварк -антикварковите двойки в протона носят малко енергия.

И накрая, нека потвърдим факта, че повечето от частиците в протона са глуони.

Ориз. 12

За да направим това, ще използваме факта, че кварките могат да бъдат създадени по два начина: кварк + антикварк -> нагоре кварк + нагоре антикварк, или глуон + глуон -> нагоре кварк + нагоре антикварк (фиг. 12). Знаем броя на кварките и антикварковете в зависимост от енергията, която носят от измерванията, илюстрирани на фиг. 9-11. Въз основа на това уравненията на Стандартния модел могат да се използват за предсказване на колко кварки ще дойдат от сблъсъци само на кварки и антикварки. Ние също така вярваме, въз основа на предишни данни, че има повече глюони в протона, така че процесът глюон + глуон -> нагоре кварк + нагоре антикварк трябва да се случва поне 5 пъти по -често. Лесно е да се провери дали там има глюони; ако не, данните трябва да са доста под теоретичните прогнози.
gluons Добавяне на тагове

По -долу са изброени всички пет буквени елементарни частици. Кратко описание е дадено за всяко определение.

Ако имате какво да добавите, по -долу на ваше разположение е формуляр за коментар, в който можете да изразите своето мнение или да допълните статията.

Списък на елементарни частици

Фотон

Това е квант от електромагнитно излъчване, като светлина. Светлината от своя страна е явление, което се състои от потоци светлина. Фотонът е елементарна частица. Фотонът има неутрален заряд и нулева маса. Завъртане на фотон е равно на едно... Фотонът носи електромагнитни взаимодействия между заредени частици. Терминът фотон идва от гръцки phos, което означава светлина.

Фонон

Това е квазичастица, квант на еластични вибрации и измествания на атоми и молекули на кристалната решетка от равновесно положение. В кристалните решетки атомите и молекулите постоянно взаимодействат, споделяйки енергия помежду си. В тази връзка е практически невъзможно да се изследват в тях явленията, подобни на вибрациите на отделните атоми. Следователно случайните вибрации на атомите обикновено се разглеждат според вида на разпространение звукови вълни, вътре в кристалната решетка. Квантите на тези вълни са фонони. Терминът фонон произлиза от гръцкия звук на телефона.

Фазон

Фазонният флуктуон е квазичастица, която е възбуждане в сплави или в друга хетерофазна система, която образува потенциална ямка (феромагнитна област) около заредена частица, да речем електрон, и я улавя.

Ротон

Това е квазичастица, която съответства на елементарно възбуждане в свръхтечен хелий, в областта на големи импулси, свързано с началото на вихровото движение в свръхтечна течност. Ротон, в превод от латински означава - въртене, въртене. Ротон се проявява при температури над 0,6K и определя експоненциално зависими от температурата свойства на топлинния капацитет, като ентропията с нормална плътност и други.

Мезон

Това е нестабилна неелементарна частица. Мезонът е тежък електрон в космическите лъчи.
Масата на мезона е по -голяма от масата на електрон и по -малка от масата на протона.

Мезоните имат четен брой кварки и антикварки. Мезоните включват пиони, каони и други тежки мезони.

Quark

Това е елементарна частица от материята, но засега само хипотетично. Обичайно е кварките да се наричат ​​шест частици и техните античастици (антикварки), които от своя страна съставляват група от специални елементарни частици на адрони.

Смята се, че частиците, които участват в силни взаимодействия, като протони, неврони и някои други, са съставени от плътно свързани кварки. Кварките постоянно съществуват в различни комбинации. Има теория, че кварките биха могли да съществуват в свободна форма, в първите моменти след Големия взрив.

Глуон

Елементарна частица. Според една теория глюоните сякаш слепват кварки, които от своя страна образуват частици като протони и неврони. По принцип глуоните са най -малките частици, които съставляват материята.

Бозон

Бозон квазичастица или бозе частица. Бозонът има завъртане на нула или цяло число. Името е дадено в чест на физика Шатиендранат Босе. Бозонът се различава по това, че неограничен брой от тях могат да имат едно и също квантово състояние.

Адрон

Адронът е елементарна частица, която не е наистина елементарна. Състои се от кварки, антикварки и глюони. Адронът няма цветен заряд и участва в силни взаимодействия, включително ядрени. Терминът адрон, от гръцки adros, означава голям, масивен.

Изследвайки структурата на материята, физиците научиха от какво са изградени атомите, стигнаха до атомното ядро ​​и го разделиха на протони и неутрони. Всички тези стъпки бяха дадени доста лесно - беше необходимо само да се ускорят частиците до необходимата енергия, да се сблъскат помежду си, а след това те самите се разпаднаха на съставните си части.

Но с протоните и неутроните този трик не работи. Въпреки че са съставни частици, те не могат да бъдат „разбити на парчета“ дори при най -мощния сблъсък. Затова на физиците са били необходими десетилетия, за да измислят различни начини да погледнат вътре в протона, да видят неговата структура и форма. В днешно време изследването на структурата на протона е една от най -активните области на физиката на елементарните частици.

Природата дава подсказки

Историята на изучаването на структурата на протоните и неутроните датира от 30 -те години на миналия век. Когато в допълнение към протоните бяха открити и неутрони (1932 г.), тогава, измервайки тяхната маса, физиците бяха изненадани да открият, че тя е много близка до масата на протона. Освен това се оказа, че протоните и неутроните „усещат“ ядреното взаимодействие по абсолютно същия начин. Толкова същият, че от гледна точка на ядрените сили протон и неутрон могат да се разглеждат като две проявления на една и съща частица - нуклон: протонът е електрически зареден нуклон, а неутронът е неутрален нуклон . Разменете протоните за неутрони и ядрените сили (почти) няма да забележат нищо.

Физиците изразяват това свойство на природата като симетрия - ядреното взаимодействие е симетрично по отношение на заместването на протоните с неутрони, точно както пеперудата е симетрична по отношение на замяната на лявата с дясната. Тази симетрия, освен че играе важна роля в ядрената физика, всъщност е първият намек, че нуклоните имат интересна вътрешна структура... Вярно е, че през 30 -те години физиците не разбраха този намек.

Разбирането дойде по -късно. Започва с факта, че през 1940 -те - 1950 -те години, в реакциите на сблъсъци на протони с ядра от различни елементи, учените с изненада откриват все повече и повече частици. Не протони, не неутрони, неоткрити по това време пи-мезони, които задържат нуклони в ядра, а някои напълно нови частици. При цялото си разнообразие тези нови частици имаха две общи свойства... Първо, те, подобно на нуклоните, много охотно участваха в ядрени взаимодействия - сега такива частици се наричат ​​адрони. И второ, те бяха изключително нестабилни. Най -нестабилните от тях се разпаднаха на други частици само за трилионна част от наносекундата, без да имат време да летят дори с размерите на атомно ядро!

Дълго време адронският зоопарк беше пълна бъркотия. В края на 50 -те години физиците вече научиха много различни видове адрони, започнаха да ги сравняват помежду си и изведнъж видяха някаква обща симетрия, дори периодичността на техните свойства. Предполага се, че във всички адрони (включително нуклони) има някои прости обекти, които се наричат ​​"кварки". Комбинирайки кварките по различни начини, можете да получите различни адрони, и то от този тип и с такива свойства, които бяха открити в експеримента.

Какво прави протона протон?

След като физиците откриха кварковото устройство на адрони и научиха, че има няколко различни вида кварки, стана ясно, че много различни частици могат да бъдат конструирани от кварки. Така че вече не беше изненадващо, когато последващите експерименти продължиха да намират нови адрони един след друг. Но сред всички адрони е открито цяло семейство частици, състоящо се, също като протона, само от две ти-кварки и един д-кварк. Един вид "братя" на протона. И тук физиците бяха изненадани.

Нека първо направим едно просто наблюдение. Ако имаме няколко обекта, състоящи се от едни и същи „тухли“, то по -тежките предмети съдържат повече „тухли“, а по -леките - по -малко. Това е много естествен принцип, който може да се нарече принцип на комбинация или принцип на надстройка и работи прекрасно, както в Ежедневиетои във физиката. Тя се проявява дори в подреждането на атомни ядра - в края на краищата по -тежките ядра просто се състоят от Повече ▼протони и неутрони.

Въпреки това, на ниво кварки, този принцип изобщо не работи и, трябва да призная, физиците все още не са разбрали напълно защо. Оказва се, че тежките аналози на протона също се състоят от същите кварки като протона, въпреки че те са един и половина, или дори два пъти по -тежки от протона. Те се различават от протона (и се различават помежду си) не състав,но взаимно местоположениекварки, състоянието, в което тези кварки са относително един към друг. Достатъчно е да променим взаимното положение на кварките - и получаваме друга, много по -тежка частица от протона.

И какво ще се случи, ако все пак вземете и съберете повече от три кварка? Ще има ли нова тежка частица? Изненадващо няма да работи - кварките ще се разделят на три и ще се превърнат в няколко разпръснати частици. По някаква причина природата „не обича“ да комбинира много кварки в едно цяло! Едва наскоро, буквално в последните години, започнаха да се появяват намеци, че някои мултикваркови частици наистина съществуват, но това само подчертава колко много природата не ги харесва.

От тази комбинативна теория следва много важен и задълбочен извод - масата на адроните изобщо не се добавя към масата на кварките. Но ако масата на адрон може да бъде увеличена или намалена чрез просто рекомбиниране на съставните му тухли, тогава самите кварки изобщо не са отговорни за масата на адроните. Наистина, в последващи експерименти беше възможно да се установи, че масата на самите кварки е само около два процента от масата на протона, а останалата гравитация възниква поради силовото поле (специални частици - глюони съответстват на it), който свързва кварките заедно. Чрез промяна на взаимното подреждане на кварките, например, като ги отдалечаваме един от друг, ние по този начин променяме глуонния облак, правим го по -масивен, поради което масата на адрона се увеличава (фиг. 1).

Какво се случва вътре в бързо движещ се протон?

Всичко, описано по -горе, се отнася до неподвижен протон на езика на физиците - това е устройството на протона в неговата система за почивка. В експеримента обаче структурата на протона за първи път е открита при различни условия - вътре бързо летенепротон.

В края на 60-те години в експериментите за сблъсъци на частици при ускорители е забелязано, че протоните, летящи със скорост на почти светлина, се държат така, сякаш енергията вътре в тях не е равномерно разпределена, а концентрирана в отделни компактни обекти. Известният физик Ричард Фейнман предложи да се наричат ​​тези купчини материя вътре в протоните партони(от английски част -част).

В следващите експерименти бяха изследвани много свойства на партоните - например техният електрически заряд, техният брой и частта от енергията на протона, която всеки от тях носи. Оказва се, че заредените партони са кварки, а неутралните партони са глуони. Да, да, самите глюони, които в останалата рамка на протона просто „обслужваха“ кварките, привличайки ги един към друг, сега са независими партони и заедно с кварките носят „материя“ и енергията на бързо летящ протон. Експериментите показват, че около половината от енергията се съхранява в кварки, а половината в глуони.

Партоните се изучават най -удобно при сблъсъци на протони с електрони. Факт е, че за разлика от протона, електронът не участва в силни ядрени взаимодействия и сблъсъкът му с протон изглежда много прост: електронът излъчва виртуален фотон за много кратко време, който се разбива в зареден партон и в крайна сметка генерира голямо числочастици (фиг. 2). Можем да кажем, че електронът е отличен скалпел за „отваряне“ на протона и разделянето му на отделни части - макар и само за много кратко време. Знаейки колко често такива процеси протичат при ускорител, е възможно да се измери броят на партоните вътре в протона и техните заряди.

Кои са всъщност партоните?

И тук стигаме до друго изумително откритие, направено от физици, изучаващо сблъсъци на елементарни частици при високи енергии.

При нормални условия въпросът от какво се състои обект има универсален отговор за всички референтни рамки. Например, водна молекула се състои от два водородни атома и един кислороден атом - и няма значение дали гледаме неподвижна или движеща се молекула. Това правило обаче изглежда толкова естествено! - нарушен, ако идваза елементарни частици, движещи се със скорости, близки до скоростта на светлината. В една референтна система сложна частица може да се състои от един набор от подчастици, а в друга референтна рамка - от друга. Оказва се, че композицията е относително понятие!

Как е възможно това? Ключът тук е едно важно свойство: броят на частиците в нашия свят не е фиксиран - частиците могат да се раждат и изчезват. Например, ако се сблъскате два електрона с достатъчно висока енергия, тогава в допълнение към тези два електрона може да се роди или фотон, или двойка електрон-позитрон, или някои други частици. Всичко това е позволено от квантовите закони и точно това се случва в реални експерименти.

Но този "закон за несъхранение" на частиците работи при сблъсъцичастици. Но как е така, че същият протон с различни точкиизгледът изглежда като съставен от различен набор от частици? Въпросът е, че протонът не е само три кварка, подредени заедно. Между кварките има силово поле на глуон. Като цяло силово поле (като гравитационно или електрическо поле) е вид материална „същност“, която прониква в пространството и позволява на частиците да упражняват сила една върху друга. IN квантова теорияполето се състои и от частици, макар и от специални - виртуални. Броят на тези частици не е фиксиран, те постоянно се „отделят“ от кварките и се абсорбират от други кварки.

Почиванеедин протон наистина може да се мисли като три кварка, между които глюоните скачат. Но ако погледнем един и същ протон от различна референтна система, сякаш от прозореца на „релативистичен влак“, минаващ, ще видим съвсем различна картина. Тези виртуални глуони, които слепват кварките заедно, ще изглеждат по -малко виртуални, „по -истински“ частици. Те, разбира се, все още се раждат и поглъщат от кварките, но в същото време живеят сами известно време, летят до кварките, като истински частици. Това, което изглежда като просто силово поле в една референтна рамка, се превръща в поток от частици в друга рамка! Обърнете внимание, че ние не докосваме самия протон, а само го гледаме от друга референтна рамка.

Освен това. Колкото по -близо е скоростта на нашия „релативистки влак“ до скоростта на светлината, толкова по -невероятна картина ще видим вътре в протона. С приближаването на скоростта на светлината ще забележим, че вътре в протона има все повече и повече глюони. Освен това те понякога се разделят на двойки кварк-антикварк, които също летят наблизо и също се считат за партони. В резултат на това ултрарелативистки протон, тоест протон, движещ се спрямо нас със скорост, много близка до скоростта на светлината, се появява като взаимопроникващи облаци от кварки, антикварки и глуони, които летят заедно и сякаш се поддържат (фиг. 3).

Читател, запознат с теорията на относителността, може да се притесни. Цялата физика се основава на принципа, че всеки процес протича по един и същи начин във всички инерционни референтни рамки. И тогава се оказва, че съставът на протона зависи от референтната система, от която го наблюдаваме?!

Да, точно така, но това по никакъв начин не нарушава принципа на относителността. Резултатите от физическите процеси - например кои частици и колко се раждат в резултат на сблъсък - се оказват инвариантни, въпреки че съставът на протона зависи от референтната система.

Тази ситуация, необичайна на пръв поглед, но отговаряща на всички закони на физиката, е схематично илюстрирана на фигура 4. Тя показва как сблъсъкът на два високоенергийни протона изглежда в различни референтни рамки: в останалата рамка на един протон, в рамката на центъра на масата, в останалата рамка на друг протон ... Взаимодействието между протоните се осъществява чрез каскада от разцепващи се глюони, но само в един случай тази каскада се счита за "вътрешността" на един протон, в другия случай - част от друг протон, а в третия - това е просто обект, който се обменя между два протона. Тази каскада съществува, тя е реална, но към коя част от процеса трябва да се припише, зависи от референтната рамка.

3D портрет на протон

Всички резултати, които току -що описахме, се основават на експерименти, проведени доста отдавна - през 60 -те и 70 -те години на миналия век. Изглежда, че оттогава всичко трябва да бъде проучено и всички въпроси трябва да намерят своите отговори. Но не - структурата на протона все още е една от най -интересните теми във физиката на частиците. Нещо повече, през последните години интересът към него отново се увеличи, защото физиците са измислили как да получат „триизмерен“ портрет на бързо движещ се протон, който се оказа много по-сложен от портрет на неподвижен протон.

Класическите експерименти за сблъсъка на протони разказват само за броя на партоните и тяхното разпределение на енергията. В такива експерименти партоните участват като независими обекти, което означава, че е невъзможно да се научи от тях как партоните са разположени един спрямо друг, как точно се добавят към протон. Можем да кажем, че дълго време физиците са имали достъп само до „едноизмерен“ портрет на бързо летящ протон.

За да се конструира реален, триизмерен портрет на протон и да се разбере разпределението на партоните в космоса, са необходими много по-фини експерименти от тези, които бяха възможни преди 40 години. Физиците са се научили да създават такива експерименти съвсем наскоро, буквално през последното десетилетие. Те осъзнаха, че сред огромния брой различни реакции, които се случват, когато електрон се сблъска с протон, има една специална реакция - дълбоко виртуално комптоновско разсейване, - което ще може да разкаже за триизмерната структура на протона.

По принцип еластичният сблъсък на фотон с частица, например протон, се нарича комптоновско разсейване или комптонов ефект. Изглежда така: фотон пристига, поглъща се от протон, който за кратко време преминава в възбудено състояние, след което се връща в първоначалното си състояние, излъчвайки фотон в някаква посока.

Комптоновото разсейване на обикновени светлинни фотони не води до нищо интересно - това е просто отражение на светлината от протон. За да "влезе в игра" вътрешна структурапротон и "усети" разпределението на кварките, е необходимо да се използват много фотони голяма енергия- милиарди пъти повече, отколкото при обикновена светлина. И точно такива фотони - истински, виртуални - лесно се генерират от падащ електрон. Ако сега комбинираме едно с друго, тогава получаваме дълбоко виртуално комптоновско разсейване (фиг. 5).

Основната характеристика на тази реакция е, че тя не разрушава протона. Инцидентният фотон не просто удря протона, а сякаш внимателно го сондира и след това отлита. Посоката, в която излита и каква част от енергията отнема протона от него, зависи от структурата на протона, от относителното положение на партоните вътре в него. Ето защо, изучавайки този процес, е възможно да се възстанови триизмерният вид на протона, сякаш „за извайване на неговата скулптура“.

Вярно е, че за експериментален физик е много трудно да направи това. Необходимият процес е рядък и труден за регистриране. Първите експериментални данни за тази реакция са получени едва през 2001 г. в ускорителя HERA в немския ускорителен комплекс DESY в Хамбург; сега експериментаторите обработват нова серия от данни. Въпреки това, дори и днес, въз основа на първите данни, теоретиците рисуват триизмерно разпределение на кварки и глуони в протон. Физическо количество, за които физиците използваха само предположения, най -накрая започнаха да „изплуват“ от експеримента.

Има ли някакви неочаквани откритияв този регион? Вероятно отговорът е да. Като илюстрация нека кажем, че през ноември 2008 г. се появи интересна теоретична статия, в която се твърди, че бързо летящият протон не трябва да има формата на плосък диск, а на двойно вдлъбната леща. Това се случва, защото партоните, разположени в централната област на протона, са по -силно компресирани в надлъжна посока, отколкото партоните, седнали по краищата. Би било много интересно да се тестват експериментално тези теоретични прогнози!

Защо всичко това е интересно за физиците?

Защо физиците дори трябва да знаят как точно се разпределя материята вътре в протоните и неутроните?

Първо, самата логика на развитието на физиката изисква това. В света има много невероятни неща сложни системи, с които съвременната теоретична физика все още не може да се справи напълно. Адрони са една такава система. Справяйки се с адронното устройство, усъвършенстваме способностите си теоретична физика, което може да се окаже универсално и може би ще помогне в нещо съвсем различно, например при изучаване на свръхпроводници или други материали с необичайни свойства.

Второ, има непосредствена полза за ядрена физика... Въпреки почти вековната история на изучаване на атомни ядра, теоретиците все още не знаят точния закон на взаимодействие между протони и неутрони.

Те трябва да отгатнат този закон отчасти въз основа на експериментални данни, отчасти, за да конструират въз основа на знания за структурата на нуклоните. Тук ще помогнат нови данни за триизмерната структура на нуклоните.

Трето, преди няколко години физиците успяха да получат не по -малко от нови агрегирано състояниевещества - кварк -глуонова плазма. В това състояние кварките не седят в отделни протони и неутрони, а свободно обикалят целия куп ядрена материя. Това може да се постигне например по следния начин: тежките ядра се ускоряват в ускорител до скорост, много близка до скоростта на светлината, и след това се сблъскват челно. При този сблъсък за много кратко време възниква температура от трилиони градуси, която разтопява ядрата в кварк-глуонова плазма. Така че се оказва, че теоретичните изчисления на това ядрено топене изискват добро познаване на триизмерната структура на нуклоните.

И накрая, тези данни са много необходими за астрофизиката. Кога тежки звездиексплодират в края на живота си, често оставяйки след себе си изключително компактни обекти - неутронни и евентуално кваркови звезди. Ядрото на тези звезди се състои изцяло от неутрони и може би дори от студена кварк-глуонова плазма. Такива звезди отдавна са открити, но какво се случва вътре в тях, всеки може да предположи. Така че доброто разбиране на кварковите разпределения може да доведе до напредък в астрофизиката.