Kompozitní část proton 5 písmen Scanword. Proton je elementární částice. Další důkaz komplexní protonové struktury

• Převod

Obr. 1: atom vodíku. Ne na stupnici.

Víš, že velký hadronový kolider se zabývá především tím, že se protony navzájem přicházejí. Ale co je to proton?

Za prvé, hrozné a úplné zmatky. Pokud jde o ošklivé a chaotické, pokud je elegantní atom vodíku.

Ale co je pak atom vodíku?

to nejjednodušší příklad Skutečnost, že fyzici se nazývají "vázaný stát". "Status" ve skutečnosti znamená určitou věc, která existuje poměrně dlouhá doba, a "příbuzný" znamená, že jeho komponenty jsou s sebou spojeny, jako by manželé byli ženatí. Ve skutečnosti, příklad manželského páru, ve kterém jeden manžel je mnohem těžší než druhý, zapadá zde velmi dobře. Proton sedí ve středu, sotva pohybující se, a elektron se pohybuje podél okrajů objektu, pohybující se rychleji než vy a mne, ale mnohem pomalejší než rychlost světla, univerzální rychlostní limit. Mírový obraz manželství idyla.

Nebo se zdá, že se tak nedíváme do protonu. Samotné vnitřky protonu stále připomínají komunu, kde mnoho nečinných dospělých a dětí je pevně umístěno: čisté chaos. To je také příbuzný stav, ale váže ne něco jednoduchého, jako proton s elektronem, jako v vodíku, nebo alespoň několik desítek elektronů s atomovým jádrem, jako ve složitějších atomech typu zlata - ale nenápadné množství (to je, jejich příliš mnoho a mění příliš rychle, aby mohly být vypočteny prakticky) lehké částice zvané kvarky, antikvark a gluony. Není možné jednoduše popsat strukturu protonu, kreslit jednoduché obrázky - je to extrémně dezorganizováno. Všechny kvarky, gluony, antiquarks, se pohybují uvnitř s nejvyšší možnou rychlostí, téměř rychlostí světla.

Obr. 2: Protonový obraz. Představte si, že všechny kvarky (horní, dolní, podivné - U, D, S), Antiquarka (U, D, S screenshots) a gluony (g) tam budou klesat a zde téměř při rychlosti světla, čelí vzájemně objeví se a zmizí

Slyšeli jste, že protona se skládá ze tří kvarků. Ale tato lež je dobrá, ale stále docela velká. Ve skutečnosti existuje jemné množství gluonů, antiquarks a kvarků v protonu. Standardní redukce "Proton se skládá ze dvou horních kvarků a jednoho dolního Quark" jednoduše naznačuje, že v protonu na dvou horních kvartů více než horní starožitnosti, a jeden dolní kvark je větší než nižší starožitnosti. Aby toto snížení bylo věrné, je nutné přidat k němu "a další nekonzistentní množství gluonů a pár kvarku Antikvariát". Bez této fráze bude myšlenka protonu tak zjednodušena, že tank bude zcela nemožné porozumět práci.

Obr. 3: Malé lži pro dávku na stereotypním obrazu od Wikipedie

Obecně platí, že atomy ve srovnání s protony jsou podobné pa-de de de de de de de de v nádherném baletu ve srovnání s diskotékou naplněnou opilým teenagerům, skákáním a masherismem DJ.

Proto, pokud jste teoretik, který se snaží pochopit, že tank uvidí v kolizích protonů, bude pro vás obtížné. Je velmi obtížné předpovědět výsledky kolizí objektů, které nelze popsat. jednoduchý způsob. Ale naštěstí od 70. let, na základě myšlenek Bjerkene z 60. let, fyzika teoretiků našel relativně jednoduchou a pracovní technologii. Ale stále funguje až do určitých limitů s přesností asi 10%. Za to a některé další důvody je spolehlivost našich výpočtů na nádrži vždy omezená.

Další detail o protonu - je malý. Opravdu malé. Pokud rozkvete atom vodíku na velikost vaší ložnice, proton bude velikost takového malého prachu potýkat se, že bude velmi obtížné všimnout. Přesně, proton je tak malý, můžeme ignorovat chaos kreativní uvnitř ní, popisující atom vodíku jako jednoduché. Přesněji řečeno, velikost protonu je 100 000 krát menší než velikost atomu vodíku.

Pro srovnání, velikost Slunce je pouze 3000krát menší než velikost sluneční soustavy (pokud počítáte Orbit Neptune). To je přesně to, co je v atomu více prázdnější než v Sluneční SoustavaDokázal se! Pamatujte si to při pohledu na oblohu v noci.

Ale můžete se zeptat: "Secrets! Gojujete se, že velký hadronový kolider nějak se setká s protony, které mají 100 000 krát menší než atom? Jak je to možné? "

Vynikající otázka.

Kolize protonů proti mini střetům kvarků, gluonů a starožitností

Kolize protonů na nádrži se vyskytují s určitou energií. To bylo 7 TEV \u003d 7000 GEV v roce 2011 a 8 TEV \u003d 8000 GEV v roce 2012. Ale specialisté ve fyzice částic jsou převážně zajímavé kolize kvarku jednoho protonu s antikvarem jiného protonu nebo kolizí dvou gluonů atd. - Co může vést k vzniku skutečně nového fyzického fenoménu. Tyto mini-kolize nesou malý podíl celkové energie kolize protonů. Kolik většiny této energie může tolerovat, a proč to bylo nutné zvýšit kolizní energii od 7 TEV na 8 TeV?

Odpověď je na Obr. 4. Graf zobrazuje počet kolizí zaznamenaných v detektoru ATLAS. Data z léta 2011 se účastní rozptylu kvarků, antiquarks a gluonů z jiných kvarků, antiquarks a gluonů. Takové miniolize nejčastěji produkují dva trysky (trysky hadronů, projevy vysokých energií kvarků, gluonů nebo antiquarks, vyřazených z mateřských protonů). Změřte energii a směry trysek a z těchto dat určují množství energie, která měla být zapojena do mini-kolize. Graf zobrazuje počet mini kolizí tohoto typu jako funkce energie. Vertikální osa logaritmická - každá Chestka označuje zvýšení množství 10 krát (10 N označuje 1 a n nnost po něm). Například počet mini kolizí pozorovaných v rozsahu energie od 1550 do 1650 GEV byl asi 10 3 \u003d 1000 (označený modrými čarami). Upozorňujeme, že harmonogram začíná energií v 750 GEV, ale počet mini-kolize stále roste, pokud se učíte Jeta s méně energie, až do okamžiku, kdy se Jets stal příliš slabým, než je příliš slabý.

Obr. 4: počet kolizí jako funkce energie (m jj)

Všimněte si, že celkový počet kolizí proton-proton s energií v 7 TeV \u003d 7000 GeV se přiblížil 100 000 000 000 000 000. A ze všech těchto střetů překročily pouze dvě mini-střety značku 3500 GEV - polovina kolizního energie protonů. Teoreticky se mini-kolizní energie může zvýšit na 7000 GEV, ale pravděpodobnost tohoto spadá po celou dobu. Zřídkakdy vidíme mini-kolizi s energií 6000 GEV, což je nepravděpodobné vidět energii 7 000 GEV, i když shromažďují 100krát více dat.

Jaké jsou výhody zvýšení kolizní energie ze 7 TeV v letech 2010-2011 až 8 TeV v roce 2012? Samozřejmě, co můžete udělat na úrovni Energy E, nyní můžete udělat na úrovni energie v 8/7 e ≈ 1.14 E. Pokud byste mohli nejprve doufat, že v takovém množství těchto vlastností určitého Typ hypotetické částice s vážením 1000 GEV / C 2, nyní můžete doufat, že dosáhnete alespoň 1100 GEV / C2 se stejným datovým datem. Možnosti stroje se zvyšují - můžete hledat částice trochu větší hmotnost. A pokud v roce 2012 získáte třikrát více dat než v roce 2011, získáte větší počet kolizí pro každou úroveň energie, a můžete vidět známky hypotetické hmotnosti částic, přiznat, 1200 GEV / C 2.

Ale to není všechno. Podívejte se na modré a zelené čáry na Obr. 4: ukazují, že se vyskytují na energiích asi 1400 až 1600 Gevů - takové, které navzájem korelovaly, jako 7 až 8. Na úrovni energetického kolize protonů v 7 TeV, počet mini-crikátů kvarků s kvarky, kvarky s gluony atd. P. S energií 1400 GEV více než dvojnásobek počtu kolizí s energií v 1600 GEV. Ale když stroj zvyšuje energii o 8/7, to, co bylo prováděno pro 1400, začíná být provedeno pro 1600. Jinými slovy, pokud máte zájem o mini-kolize pevné energie, jejich počet roste - a mnohem více než 14 % růstu protonů kolizní energie! To znamená, že pro jakýkoliv proces s preferovanou energií, pojďme říci, vzhled higgs lehkých částic, které se vyskytuje na energiích pořadí 100-200 gev, získáte více výsledků za stejné peníze. Růst od 7 do 8 TeV znamená, že pro stejné množství protonů kolizí získáte více částic Higgs. Výroba částic Higgs se zvýší o cca 1,5. Počet horních kvarků a určitých typů hypotetických částic se mírně zvýší.

To znamená, že i když v roce 2012 se počet kolizí protonů zvýšil 3krát ve srovnání s rokem 2011, celkový počet částic Higgs se zvýší téměř čtyřikrát z důvodu zvýšení energie.

Mimochodem, Obr. 4 také dokazuje, že protony se nemusí jednoduše skládají ze dvou horních kvarků a jeden nižší, jak je znázorněno na typových číslech. 3. Kdyby byly takové, pak by kvarky musely vydržet přibližně třetinu energie protonů, a většina z mini střetů by projely energií řádu třetí kolizní energie protonů: v oblast 2300 gev. Ale v plánu je jasné, že v oblasti 2300 gev nic zvláštního se nestane. S energiemi menšími než 2300 gev, existuje mnohem více kolize a tím nižší, co jdete dolů, tím více kolizí vidíte. Vše proto, že proton obsahuje obrovské množství gluonů, kvarků a antiquarks, z nichž každá přenáší malou část protonové energie, ale existuje tolik z nich, že jsou zapojeni do obrovského počtu mini střetů. Jedná se o protonovou vlastnost a zobrazen na OBR. 2 - I když je počet nízkoenergetických gluonů a dvojice Quark-Antikvářství mnohem větší, než je znázorněno na obrázku.

Ale to je to, co plán neukazuje, takže je to zlomek, že s mini-střety s určitou energií, pád na kolizi kvarků s kvarky, kvarky s gluony, gluony s gluony, kvarky s antiquarks atd. Ve skutečnosti, přímo z experimentů na nádrži z toho a nelze říci - trysky z kvarků, antiquarks a gluons vypadají stejně. Odkud víme, že tyto frakce jsou obtížný příběh, zahrnuje mnoho různých minulých experimentů a kombinování jejich teorie. A odtud víme, že mini-střihy nejvyšších energií se obvykle vyskytují z kvarků s kvarky a kvarky s gluony. Kolize na nízkých energiích se obvykle vyskytují mezi gluony. Kolize kvarků a antiquarks se vyskytují poměrně zřídka, ale jsou velmi důležité pro určité fyzické procesy.

Rozložení částic uvnitř protonu

Obr. Pět

Dva grafy, které se liší v rozsahu svislé osy, ukazují relativní pravděpodobnost kolize s gluonem, horním nebo dolním Quarkem nebo antikvariátem nesoucím energii navrácení se rovnou X. V malých X, Gluons dominují (a kvarky a antiquarks se stávají ekvivalentem a četnými, i když jsou stále méně než gluony), a s průměrem x dominují kvarky (i když jsou extrémně malé).

Oba grafika demonstruje totéž, jen s jiným měřítkem, takže to, co je obtížné vidět na jednom z nich je snazší zvážit na straně druhé. A ukazují, co: Pokud se na vás protonový paprsek letí ve velkém hadronovém kolideru, a vy jste zasáhli něco uvnitř protonu, jak pravděpodobně je to, že jste narazili na horní kvark, nebo nižší kvarku nebo nižší antikvář nebo nižší antikvář nebo nižší antikvář nesoucí protonovou energii rovnou x? Z těchto grafů můžete vykreslit, že:

Ze skutečnosti, že všechny křivky jsou velmi rychle rostoucí v malých X (viditelné v dolním grafu), vyplývá, že většina částic v protonových transferech méně než 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.
Ze skutečnosti, že žlutá křivka (dně) je mnohem vyšší než zbytek, z toho vyplývá, že pokud jste se setkali s něčím, co nesoucí méně než 10% protonové energie, pak je to s největší pravděpodobností gluon; A klesá pod 2% protonové energie se rovná pravděpodobnosti kvarků nebo antikvarku.
Ze skutečnosti, že pláční křivka (nahoře) klesne pod křivky kvarků s rostoucí X, vyplývá, že pokud jste se setkali s cokoliv, co přenáší více než 20% (x\u003e 0,2) protonovou energii - co se děje velmi, velmi zřídka - To s největší pravděpodobností Quark, zatímco pravděpodobnost je, že horní kvark je dvakrát mnohem více pravděpodobnější, že je nižší Quark. To jsou pozůstatky myšlenky, že "proton je dva top kvark a jeden nižší".
Všechny křivky se zvyšujícím x ostře padají; Je velmi nepravděpodobné, že narazíte na něco, co nesoucí více než 50% protonové energie.

Tato pozorování se nepoužívají v grafu s OBR. 4. Zde je další pár nezjevných věcí o dvou grafech:
Většina protonové energie je rozdělena (přibližně stejná) mezi malým množstvím vysokoenergetických kvarků a obrovským množstvím nízkoenergetických gluonů.
Mezi částicemi z hlediska množství dominují nízkoenergetické gluony a kvarky a antiquarks velmi nízkých energií již přicházejí.

Počet kvarků a antiquarks je obrovský, ale: Celkový počet vyšších kvarků mínus celkový počet vyšších starožitností je roven dvěma a celkový počet nižších kvarků mínus celkový počet nižších starožitností se rovná jedné. Jak jsme viděli výše, extra Quarks Přeneste hmatatelný (ale ne hlavní) část protonové energie létání na vás. A pouze v tomto smyslu lze říci, že proton se skládá především ze dvou horních kvarků a jeden nižší.

Mimochodem, všechny tyto informace byly získány z vzrušující kombinace experimentů (zejména rozptylovacích elektronů nebo neutrinů z protonů nebo s atomovými jádrem těžkého vodíku - deuteria obsahujícího jeden proton a jeden neutron) shromážděné společně s detailními rovnicmi popisujícími elektromagnetické, silné jaderné jaderné a slabé jaderné interakce. Tento dlouhý příběh se táhne od pozdních šedesátých let a počátku 70. let. A funguje perfektně pro predikci jevů pozorovaných v kolidech, kde protony čelí protony a protony s antiprotony - jako například tevatron a nádrž.

Další důkaz komplexní protonové struktury

Podívejme se na některá data získaná v nádrži, a jak potvrzují prohlášení o struktuře protonu (i když současné porozumění protonu již se objevilo před 3-4 desítkami let, vzhledem k mnoha experimentech).

Plán na Obr. 4 Přijaté z pozorování kolizí, v procesu, jehož vyskytuje něco podobného znázorněného na obr. 6: Quark nebo antikvariáto nebo gluon jednoho protonu čelí kvarku nebo antikvariáto nebo gluon jiného protonu, rozptýlené z něj (nebo něco složitějšího) - například dva gluony čelí a proměňují se do kvarku a antikvariátoru), což má za následek kvark a antikvář), což má za následek dvě částice (kvarky, antiquark nebo gluons) odletět od kolizního bodu. Dva z těchto částic se promění v jet (proud hadronů). Energie a směr trysek jsou pozorovány v detektorech částic obklopující bod kolize. Tyto informace slouží k pochopení, kolik energie bylo obsaženo v kolizi dvou počátečních kvarků / gluonů / antikvarks. Přesněji řečeno, invariantní hmotnost dvou trysek, vynásobená C 2, dává energii kolize dvou počátečních kvarků / gluonů / antiquarks.

Obr. 6.

Počet kolizí tohoto typu, v závislosti na energii uvedené na Obr. 4. Skutečnost, že při nízkých energiích je počet kolizí mnohem více, potvrzuje skutečnost, že většina částic uvnitř protonu přenáší pouze malý podíl jeho energie. Data začínají energiemi 750 GEV.

Obr. 7: Data pro nižší energie odebrané z menšího datového sady. Dijetová hmota je stejná jako M JJ na Obr. čtyři.

Data pro Obr. 7 Převzato z experimentu CMS z roku 2010, na kterém postavili kolizní graf masa na 220 GEV energií. Rozvrh je postaven ne řadu kolizí, ale o něco obtížnější: počet kolizí pro GEV, tj. Počet kolizí je rozdělen do šířky sloupce histogramu. Je vidět, že stejný efekt pokračuje v práci na celém rozsahu dat. Kolize, jako jsou ty, které jsou znázorněny na Obr. 6, při nízkých energiích je mnohem více než vysoko. A toto množství stále roste tak dlouho, jak již není možné rozlišovat mezi tryskami. Proton obsahuje mnoho nízkoenergetických částic a málo z nich nesou hmatatelný podíl své energie.

A co přítomnost v protonu antiquarks? Tři z nejzajímavějších procesů, které nejsou podobné kolizi znázorněné na Obr. 6, někdy probíhající na nádrži (v jednom z několika milionů kolizí protonová protona) zahrnují proces:

Quark + Antikvariát -\u003e W +, W - nebo Z-částice.

Jsou znázorněny na Obr. osm.

Obr. osm

Odpovídající data z CMS jsou uvedeny na OBR. 9 a 10. Obr. 9 ukazuje, že počet kolizí, v důsledku toho, který se objeví elektron nebo positron (vlevo) a něco zbytečného (pravděpodobně neutrino nebo antineutrino), nebo muon a antimuon (vpravo), předpověděl správně. Predikce je provedena kombinací Standardní model (Rovnice předpovídající chování známých elementárních částic) a protonových konstrukcí. Velké vrcholy dat se vyskytují v důsledku vzhledu částic W a Z. Teorie je perfektně shodující s daty.

Obr. 9: Černé tečky - data, žluté - předpovědi. Počet událostí je uveden v tisících. Vlevo: centrální pík se objeví v důsledku neutrinů v částech W. Lepton a antileton, které se objevují vpravo, objevují se v kolize, a implikuje hmotnost částic, ze které se objevily. Peak se objeví v důsledku výsledných částic Z.

Více informací lze vidět na Obr. 10, kde je ukázáno, že teorie z hlediska nejen uvedených, ale také mnoho dimenzí spojených s nimi - většina z nich je spojena se střetem kvarků s antiquarks - dokonale se shoduje s daty. Data (červené tečky) a teorie (modré segmenty) se nikdy neshodují přesně v důsledku statistických výkyvů, ze stejného důvodu, desetkrát, kterého házet mince, nedostávají pět "orli" a pět map ". Proto jsou datová data umístěna v rámci "Chyba pásmo", vertikální červené pruhy. Velikost pásma je, že pro 30% měření musí chybový pás ohraničí teorii a pouze pro 5% měření, musí bránit teorii do dvou pásem. Je vidět, že všechny důkazy potvrzují, že proton obsahuje mnoho starožitností. A správně chápeme počet antiquarks nese určitý podíl protonové energie.

Obr. 10.

Dále je vše složitější. Dokonce víme, kolik máme horní a nižší kvarky v závislosti na přenosném energetice, protože je řádně předpovězena - s chybou menší než 10% - kolik částic W + se získá více než částice W - (obr. 11).

Obr. jedenáct

Poměr horních starožitností k nižším by mělo být blízko 1, ale horní kvarky by měly být větší než nižší, zejména při vysokých energiích. Na Obr. 6 Je vidět, že poměr získaných částic W + a W by měly přibližně dát poměr horních čtvátků a nižší kvarky zapojené do výroby částic W. Ale na OBR. 11 Je vidět, že měřený poměr částic W + až W je 3 až 2, a ne 2 až 1. To také ukazuje, že naivní myšlenka protonu, as, sestávající ze dvou top kvarků a jednoho dolního kvarku je příliš zjednodušená. Zjednodušený poměr 2 až 1 je rozmazaný, protože proton obsahuje množství pultů Quark-antiquarian, z nichž horní a dolní jsou přibližně stejně stejné. Stupeň rozostření je určen hmotou částic W v 80 GEV. Pokud je snazší učinit, rozostření bude více, a pokud je těžší - méně, protože většina párů Kvark-anti-Kark v protonových transferech transfery malou energii.

Konečně, pojďme potvrdit skutečnost, že většina částic v protonu jsou gluony.

Obr. 12.

K tomu budeme používat skutečnost, že horní kvartéry mohou být vytvořeny dvěma způsoby: Quark + Antikvariát -\u003e Horní Quark + horní antikvář nebo Gluon + Gluon -\u003e Horní Quark + horní antikvář (obr. 12). Známe počet kvarků a starožitností v závislosti na energii na bázi energie založené na měření znázorněných na obr. 9-11. Na základě toho je možné použít rovnice standardního modelu k předvídání toho, jak moc budou horní kvarky z kolizí pouze kvarky a antiquarks. Zvažujeme také na základě předchozích údajů, které jsou v protonu gluonů více, a proto proces GLUON + GLUON -\u003e Horní Quark + horní antikvář by měl proudit alespoň pětkrát častěji. Snadné zkontrolovat, zda tam jsou gluony; Pokud nejsou, data by měla být mnohem více teoretických předpovědích.
gluions přidat značky

Níže jsou uvedeny všechny elementární částice pěti písmen. Každá z definic dána stručný popis.

Pokud máte něco přidat, pak níže ve vaší službě - formulář komentáře, ve kterém můžete vyjádřit svůj názor nebo doplnit článek.

Seznam elementárních částic

Foton

Je to kvantum elektromagnetického záření, například světla. Světlo, zase je fenomén, který se skládá ze světelných proudů. Foton je elementární částice. Foton je neutrální náboj a nulová hmotnost. Spin photon. rovna jednoty. Foton přenáší elektromagnetickou interakci mezi nabitými částicemi. Termín foton nastal z řeckých fos, což znamená světlo.

Phonon.

Jedná se o kvasiparticle, kvantem elastických oscilací a posunutí atomů a molekul krystalové mřížky z rovnovážné polohy. V krystalických mřížích, atomech a molekulách neustále spolupracují, sdílení s každou jinou energií. V tomto ohledu, ke studiu v nich je jevie podobné oscilací jednotlivých atomů téměř nemožné. Proto jsou odebrány uvolněné výkyvy atomů, které jsou považovány za typu distribuce zvukové vlny, uvnitř krystalové mřížky. Kvantas těchto vln jsou fonony. Termín fonon nastal z řeckého telefonu-zvuku.

Facoon.

Fáze Fluurtuon je to kvasiparticle, která je excitace ve slitinách, nebo v jiném heterofázovém systému, který tvoří nabitou částici, například elektron, potenciální jámu (feromagnetická oblast) a zachycuje ji.

Roton

Jedná se o kvasiparticle, která odpovídá základnímu excitaci v superfluidovém heliu, v oblasti velkých impulzů spojených s výskytem vírového pohybu v superfluidní kapalině. Roton, přeložený z latinských prostředků - rotující, fit. Rotoun se projevuje na teplotu větším 0,6k a stanoví teplotně závislé vlastnosti tepelné kapacity, jako je entropie normální hustoty a další.

Mezon

Jedná se o nestabilní non-elementární částice. Mezon je těžký elektron v kosmických paprscích.
Hmotnost mesonu je větší než hmotnost elektronu a menší než hmotnost protonu.

Mesons mají ještě počet kvarků a antiquarks. Mezonky zahrnují pivoňky, krávy a jiné těžké mesons.

Quark.

Jedná se o elementární částice hmoty, ale zatím jen hypoteticky. Quarks jsou obvyklé zavolat šest částic a jejich antiparticles (antiquarks), což zase představují skupinu speciálních elementárních částic hadronů.

Předpokládá se, že částice, které se účastní silných interakcí, jako jsou protony, neurony a někteří jiní, se skládají pevně mezi sebou propojené kvarky. Quarks neustále existují v různých kombinacích. Tam je teorie, že kvarky mohou existovat ve volné formě, v prvních okamžicích po velkém výbuchu.

Gluong

Elementární částice. Podle jednoho z teorií gluonů jsou kvarky přilepeny dohromady, zase tvoří takové částice jako protony a neurony. Obecně platí, že gluony jsou nejmenší částice, které se formují.

Bosník

Boson-kvasiparticle nebo bose částice. Boson má nulovou nebo celé číslo otočení. Jméno je dáno na počest fyziky Schhenendranata Bose. Boson se vyznačuje tím, že neomezená částka může mít stejný kvantový stav.

Helron.

Hellron je základní částice, která není skutečně elementární. Skládá se z kvarků, antiquarks a gluonů. Hellem nemá barevný náboj, a podílí se na silné interakci, včetně jaderného. Termín Ahoj, od řeckých Adros - znamená velký, masivní.

Studium struktury látky, fyzici se dozvěděli, ze kterého atomy byly vyrobeny, dostali se do atomového jádra a rozdělili ho na protony a neutrony. Všechny tyto kroky byly podány poměrně snadno - bylo nutné rozptýlit částice na požadovanou energii, aby je navzájem tlačili, a pak se rozpadli.

Ale s protony a neutrony, takový trik už nepředstavuje. I když jsou kompozitní částice, nejsou schopni "rozdělit do částí" v jakékoli jiné silné kolizi. Proto fyzici potřebovali desetiletí, aby přišli s různými způsoby, jak se podívat do protonu, viz její zařízení a tvar. V současné době je studie protonové struktury jednou z nejaktivnějších oblastí fyziky elementárních částic.

Příroda dává rady

Historie studia struktury protonů a neutronů pochází od třicátých let. Když byly neutrony objeveny kromě protonů (1932), pak měření jejich hmotnosti, fyzici byli překvapeni, že to bylo velmi blízké hmotnosti protonu. Ukázalo se, že se ukázalo, že protony a neutrony "pocit" jaderná interakce jsou přesně stejným způsobem. Takže stejné, že z hlediska jaderných sil lze proton a neutron zvážit, jako by byly dva projevy stejné částice - nukleon: Proton je elektricky nabitý nukleon a neutron je neutrální nukleon. Změnit protony na neutronech - a jaderné síly (téměř) nic nevšimne.

Fyzika Tato vlastnost přírody je vyjádřena jako symetrie - jaderná interakce symetricky vzhledem k výměně protonů na neutronech, stejně jako motýl symetrický o nahrazení vlevo vpravo. Tato symetrie, kromě toho, že hraje důležitou roli v jaderné fyzice, byla vlastně první náznak, že nukleoni měli zajímavou vnitřní strukturu. TRUE, pak, v 30. letech, fyzika si neuvědomil tento náznak.

Později přišel porozumění. Začalo to s tím, že v letech 1940-50s v reakcích kolizí protonů s jádry různých prvků byli vědci překvapeni všemi novými a novými částicemi. Neodstandardní, ne neutrony, ne otevřené v době pi-mesonů, které drží nukleony v jadech, a některé zcela nové částice. Se všemi jeho rozmanitostí mají tyto nové částice dva společné vlastnosti. Za prvé, stejně jako nukleony, velmi ochotně se podíleli na jaderných interakcích - nyní takové částice se nazývají Adrones. A za druhé, oni byli výhradně nestabilní. Nejdůležitější z nich se rozpadá na jiné částice pouze v podílu bilionu nanosekund, nemají čas létat i na velikost atomového jádra!

Dlouho, "zoo" Hadrons byl naprostou přímluvou ze sebe. V pozdních padesátých létech se fyzika již naučila docela mnoho různých typů hadronů, začali je porovnat s sebou a najednou viděl nějakou obecnou symetrii, dokonce i četnost jejich vlastností. GUESS byl vyjádřen, že uvnitř všech hadronů (včetně nukleonů), některé jednoduché objekty sedí, které byly nazývány "kvarky". Kombinace kvarků různými způsoby, můžete získat různé hadrony a to je přesně tento typ, který a s takovými vlastnostmi, které byly nalezeny v experimentu.

Co protonový proton?

Poté, co fyzici otevřeli quark zařízení hadronů a dozvěděl si, že kvarky jsou několik různých odrůd, bylo jasné, že mnoho různých částic může být postaveno z kvarků. Takže nikdo nebyl překvapen, když následné experimenty pokračovaly jeden po další nalezení nových hadronů. Ale mezi všemi hadrony, celá rodina částic skládající se stejně jako proton, pouze ze dvou u.Příjmy a jeden d.- svařování. Jediné "protějšky" proton. A tady fyzici spali překvapení.

Poprvé proveďte jedno jednoduché pozorování. Pokud máme několik položek skládajících se z identických "cihel", pak těžší předměty obsahují více "cihly" a lehčí - méně. Jedná se o velmi přirozený princip, který lze nazvat principem kombinace nebo principu nástavby, a to je dokonale prováděno jako v každodenní života ve fyzice. Dokonce se projevuje v zařízení atomových jader - Konec konců, těžší jádra se jednoduše skládají z více Protony a neutrony.

Na úrovni kvarků však tento princip nefunguje vůbec a musí být přiznána, fyzici ještě nejsou plně přišli proč. Ukazuje se, že závažné protonové protějšky se také skládají ze stejných kvarků jako proton, i když jsou jedno a půl, nebo dokonce dvakrát tolik jako proton. Liší se od protonu (a v sobě se liší) složenía vzájemný umístěníquarks, v jakém stavu jsou tyto kvarky relativní. Stačí změnit vzájemnou pozici kvarků - a my od protonu dostaneme další, výrazně závažnější, částici.

A co se stane, když si stále berou a sbírají více než tři kvarky? Bude nová těžká částicová práce? Překvapivě nebude fungovat - Quarks rozbijí tři a promění v několik rozptýlených částic. Z nějakého důvodu se příroda nelíbí "kombinovat mnoho kvarků v jednom celku! Jen nedávno, doslova v minulé rokyTipy se začaly objevit na skutečnosti, že některé přeplněné částice stále existují, ale zdůrazňuje pouze to, jak je příroda nelíbí.

Z této kombinace je dodržena velmi důležitý a hluboký závěr - hmotnost haldy se netvoří vůbec z hmotnosti kvarků. Ale jestliže hmotnost Adrononu může být zvýšena nebo snížena tím, že prostě vzpomínají komponenty jeho cihel, to znamená, že nejsou na všech kvarků sami zodpovědní za masu hadronů. A skutečně, v následujících experimentech bylo možné zjistit, že hmotnost samotných kvarků je pouze asi dva procento hmotnosti protonu, a veškerý zbytek závažnosti dochází v důsledku výkonového pole (speciální částice odpovídají To - Gluons), spojující Quark společně. Změnou vzájemného umístění kvarků je například pohybující se od sebe, abychom tedy změnili mrak gluon, děláme to masivnější, což zvyšuje hmotnost adrononu (obr. 1).

Co se děje uvnitř rychlého létajícího protonu?

Všechno popsané výše se týká stacionární proton, v jazyce fyziků - jedná se o protonové zařízení v jeho opěrném systému. V experimentu však byla protonová struktura poprvé objevena v jiných podmínkách - uvnitř rychle létání Proton.

V pozdních šedesátých létech, v experimentech na kolizi částic na akcelerátory, bylo pozorováno, že protonové protony se chovaly, jako by energie uvnitř nebyla rovnoměrně rozložena, ale koncentruje se do samostatných kompaktních předmětů. Tyto svazky látek uvnitř protonů slavného fyzikem Richarda Feynmana nabídly volání partons.(z angličtiny Část -část).

V následujících experimentech, mnoho z částí částonů byly studovány - například jejich elektrický náboj, jejich počet a podíl protonové energie, kterou každý z nich nese. Ukazuje se, nabité strany jsou kvarky a neutrální parotony jsou gluony. Ano, stejné gluony, které v systému protonového odpočinku jednoduše "sloužily" kvarky, přitahují je na sebe, jsou nyní nezávislé strany a spolu s kvarky jsou "látka" a energie rychlého létajícího protonu. Experimenty ukázaly, že přibližně polovina energie je uložena v kvarcích a napůl - v gluonech.

Díly jsou nejvhodnější studium v \u200b\u200bkolizi protonů s elektrony. Skutečností je, že v rozporu s protonem se elektron neúčastní silných jaderných interakcí a jeho kolize s protonem vypadá docela jednoduché: elektron je ve velmi krátkém čase vyprázdní virtuální foton, který havaruje do nabitého partonu a generuje na konci velké číslo Částice (obr. 2). Lze říci, že elektron je vynikající skalpel pro "otevírání" protonu a rozděluje se do samostatných částí - pravdou je jen velmi krátká doba. Vědět, jak často se takové procesy na akcelerátoru vyskytují, můžete měřit počet částonů uvnitř protonu a jejich poplatků.

Kdo jsou vlastně strany?

A tady přicházíme k dalšímu výrazu, který dělal fyziky, studoval kolize elementárních částic při vysokých energiích.

Za normálních podmínek je otázka, jejíž tato položka má mít univerzální odezvu pro všechny referenční systémy. Například molekula vody se skládá ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku - a nezáleží na tom, zda se podíváme na pevnou nebo pohyblivou molekulu. Toto pravidlo však by to vypadalo, tak přirozené! - Je to poškozeno, pokud jde o elementární částice pohybující se rychlostí v blízkosti rychlosti světla. V jednom referenčním systému může komplexní částice sestávat z jednoho náboru sady a v jiném referenčním systému - od druhé. Ukázalo se, že. složení - koncept relativního!

Jak to může být? Klíčem zde je jedna důležitá vlastnost: počet částic v našem světě není pevný - částice se mohou narodit a zmizet. Například, pokud se jedná o dva elektrony s dostatečně velkou energií, pak kromě těchto dvou elektronů, buď foton, nebo páru elektron-positron, nebo jiné částice, nebo jakékoli jiné částice. To vše je povoleno kvantové zákony, to je přesně to, co se děje v reálných experimentech.

Ale tento "zákon o diservation" částic pracuje v kolizíchČástice. Ale jak se ukázalo, že stejný proton s různé body Pohled vypadá jako jiné vytáčení částic? Skutečností je, že proton není jen tři litry složené dohromady. Mezi kvarky se nachází síla gluonové pole. Obecně platí, že napájecí pole (jako například gravitační nebo elektrické pole) je druh materiálu "entity", který proniká prostorem a umožňuje částic, které mají vliv na sebe. V kvantová teorie Pole se také skládá z částic, ačkoli od speciálního - virtuálního. Počet těchto částic není pevný, neustále "budge" z kvarků a jsou absorbovány jinými kvarky.

Odpočinekproton si opravdu lze představit jako tři litry, mezi něž se skočí gluony. Ale pokud se podíváte na stejný proton z jiného referenčního systému, jako by z okna procházející "relativistickým vlakem", pak uvidíme zcela jiný obrázek. Ty virtuální gluony, které lepené kvarky dohromady budou se zdát méně virtuální, "reálnější" částice. Samozřejmě se stále narodili a vstřebávají kvarky, ale zároveň žijí sami na nějakou dobu, létají vedle kvarků, jako jsou skutečné částice. Co vypadá jako jednoduché napájení v jednom referenčním systému se změní na jiný systém do proudu částic! Všimněte si, že protona se zároveň nedotýkáme, ale podívejte se na něj z jiného referenčního systému.

Další více. Čím blíže rychlost našeho "relativistického vlaku" do rychlosti světla, překvapující obraz uvnitř protonu uvidíme. Když se přiblížíte k rychlosti světla, všimli jsme si, že gluiony uvnitř protonu se stávají stále více a více. Kromě toho se někdy rozdělují do Quark-anti-koučovacích párů, které také létají v blízkosti a jsou také považovány za strany. V důsledku toho je ultrarelativistické proton, tj. Proton pohybující se na nás s rychlostí velmi blízko k rychlosti světla, se objeví ve formě propojujících se mraků kvarků, antikvarks a gluonů, které létají společně a jak se navzájem podporují (Obr. 3).

Čtenář obeznámený s teorií relativity může být znepokojen. Veškerá fyzika je založena na principu, že jakýkoli proces probíhá stejně ve všech inerciálních referenčních systémech. A tady se ukázalo, že protonová kompozice závisí na referenčním systému, ze kterého je pozorovat?!

Ano, to je cesta, ale to neporušuje princip relativity. Výsledky fyzikálních procesů - například, které částice a kolik se rodí v důsledku kolize - jsou skutečně invariantní, i když protonová kompozice závisí na referenčním systému.

Toto neobvyklé na první pohled, ale uspokojující všechny zákony fyziky, situace je schematicky znázorněna na obrázku 4. Zde je ukázáno, jak kolize dvou protonů s vysokou energií vypadá v různých referenčních systémech: v systému jednoho protonu, in Systémový centrum systému v systému zbytku jiného protonu. Interakce mezi protony se provádí přes kaskádu štěpení gluonů, ale pouze v jednom případě je tato kaskáda považována za "uvnitř" jednoho protonu, v jiném případě, část jiné proton a ve třetině je to jen určitý objekt, který vyměňoval dva protony. Tato kaskáda existuje, je to skutečné, ale na které části procesu musí být přičítána - závisí na referenčním systému.

Trojrozměrný portrét protonu

Všechny výsledky, o kterých jsme právě řečili, byli založeni na experimentech vyrobených na dlouhou dobu - v 60 až 70 letech minulého století. Zdálo by se, že od té doby by mělo být všechno studováno a všechny otázky by měly najít své odpovědi. Ale ne - protonové zařízení zůstává jedním z nejzajímavějších témat ve fyzice elementárních částic. Navíc, v posledních letech, zájem o to opět vzrostl, protože fyzici pochopili, jak dostat "trojrozměrný" portrét rychle se pohybujícího protonu, které se ukázalo být mnohem obtížnější než portrét pevného protonu.

Klasické experimenty na kolizi protonů jsou řečeno pouze o počtu partonů a jejich distribuci energie. V takových experimentech se partons účastní jako nezávislé objekty, což znamená, že nemohou být nalezeny jako partony se nacházejí vzájemně, přesně tak, jak přidávají k protonu. Lze říci, že po dlouhou dobu, fyzici měli jen "jednorozměrný" portrét rychlého létajícího protonu.

S cílem vybudovat skutečný, trojrozměrný, protonový portrét a naučit se distribuci partonu ve vesmíru, je nutné mnohem jemnější experimenty, než ty, které byly možné před 40 lety. Takové experimenty fyziků se naučily dát docela nedávno, doslova v posledním desetiletí. Uvědomili si, že mezi obrovským počtem různých reakcí, ke kterým dochází při kolizi elektronů s protonem, existuje jedna speciální reakce - deep-virtual Compton Scattering, - které budou moci říct o trojrozměrné struktuře protonů.

Obecně se Compton Scattering, nebo účinek konkuponu, se nazývá elastická kolize fotonu s některými částicemi, například s protonem. Vypadá to takto: foton přijde, je absorbován protonem, který se krátce promění v nadšený stav, a pak se vrací do počátečního stavu, emitovat foton v určitém směru.

Compton rozptyl obyčejných lehkých fotonů nedělá nic zajímavého - je to jednoduché odraz světla z protonu. Aby bylo možné "vstoupit do hry" vnitřní struktura Proton a "cítil" quark distribuce, je nutné použít fotony velmi velká energie - miliardy časů více než v obvyklém světle. A takové fotony jsou pravdivé, virtuální - snadno generuje proplachovací elektron. Pokud se nyní spojíte s jiným, pak to dopadne hluboko virtuální počítače, rozptyl (obr. 5).

Hlavním rysem této reakce je, že nezničí proton. Rozkvétající foton není jen zasáhne proton, a jako by ho opatrně váhal a pak letí. Jakým způsobem letí a jakou část jeho energie vybere proton závisí na protonovém zařízení, od vzájemného umístění partonů uvnitř IT. To je důvod, proč studuje tento proces, můžete obnovit trojrozměrný vzhled protonu, jako by "snížit jeho sochařství."

Pravda, pro fyziku, experimentátor to velmi obtížný. Požadovaný proces je poměrně vzácný, a je obtížné jej zaregistrovat. První experimentální údaje o této reakci byly získány pouze v roce 2001 u Hera urychlovače v německém komplexu urychlovače, které jsou v Hamburku; Nová datová řada je nyní zpracována experimentátory. Nicméně, dnes na základě prvních údajů, teoretici čerpají trojrozměrné distribuce kvarků a gluonů v protonu. Fyzické množství, o kterém fyzici používali k vybudování pouze předpokladů, nakonec začali "odvolat" z experimentu.

Čekáte na jakékoli neočekávané objevy v této oblasti? Je pravděpodobné, že ano. Jako ilustrace, řekněme, že v listopadu 2008 byl zajímavý teoretický článek, ve kterém je argumentován, že rychlý létající proton by měl mít formu bez plochého disku, ale biconged čočky. Ukazuje se tedy, protože partony sedící v centrální protonové oblasti jsou silnější v podélném směru než partony sedí na okrajích. Bylo by velmi zajímavé zkontrolovat tyto teoretické předpovědi experimentálně!

Proč je to všechno zajímavé pro fyziky?

Proč nečiní fyzici přesně vědět, jak je látka distribuována uvnitř protonů a neutronů?

Nejprve to vyžaduje logiku fyziky. Ve světě je mnoho úžasných komplexní systémyS jakou moderní teoretickou fyzikou nemůže plně vyrovnat. Hadrony jsou jedním z těchto systémů. Mluvit se zařízením zařízení, vyčerpáme schopnost teoretická fyzikakterý může být univerzální a může pomoci v něčem zcela jiným, například při studiu supravodičů nebo jiných materiálů s neobvyklými vlastnostmi.

Za druhé, existuje okamžitý přínos pro nukleární fyzika. Navzdory téměř století studia atomových jader, teoretici stále neznají přesný zákon interakce protonů a neutronů.

Zúčtují tento zákon částečně odhadnout, založené na experimentálních datech, částečně designu na základě znalostí o struktuře nukleonů. To také pomůže novým datům na trojrozměrném zařízení nukleonů.

Za třetí, před několika lety fyzici se podařilo dostat nová nová skupenství Látky - kvarková gluonová plazma. V takovém stavu nejsou kvarky sedět uvnitř jednotlivých protonů a neutronů a jaderná látka je volně chodit po celém svazku. Lze jej dosáhnout například, stejně jako toto: těžké jádra urychlit v urychlovači rychlostí, velmi blízko k rychlosti světla, a pak čelit čele. V této kolizi, ve velmi krátké době vzniká teplota bilionů stupňů, která se roztaví jádro v plazmě Quark Gluon. Ukazuje se tedy, že teoretické výpočty tohoto jaderného tání vyžadují dobré znalosti trojrozměrného zařízení nukleonů.

Nakonec jsou tato data velmi nutná pro astrofyziku. Když těžké hvězdy Explodují na konci svého života, často zůstávají extrémně kompaktní objekty - neutron a případně, Quark hvězdy. Jádro těchto hvězd se skládá výhradně z neutronů a možná i z chladného kvarku-gluon plazmy. Takové hvězdy byly dlouho objeveny, ale co se s nimi stane uvnitř - můžete jen odhadnout. Takže dobré pochopení distribucí Quark může vést k pokroku a astrofyziku.