Պրոտոնի 5 տառանոց խաչբառի բաղադրիչ. Պրոտոնը տարրական մասնիկ է։ Պրոտոնի բարդ կառուցվածքի այլ ապացույցներ

• Թարգմանություն

Բրինձ. 1: ջրածնի ատոմ. Ոչ թե մասշտաբային:

Դուք գիտեք, որ Մեծ հադրոնային կոլայդերը հիմնականում հարվածում է պրոտոններին միմյանց մեջ: Բայց ի՞նչ է պրոտոնը:

Առաջին հերթին դա սարսափելի և ամբողջական խառնաշփոթ է: Ջրածնի ատոմի պես տգեղ ու քաոսային է պարզ ու էլեգանտ:

Բայց ի՞նչ է ջրածնի ատոմը:

Սա ամենապարզ օրինակըինչ ֆիզիկոսներն անվանում են «կապված վիճակ»: «Պետություն» ըստ էության նշանակում է մի բան, որը գոյություն ունի բավականին երկար ժամանակ, իսկ «կապված» նշանակում է, որ դրա բաղադրիչները կապված են միմյանց հետ, ինչպես ամուսինները ամուսնության մեջ: Փաստորեն, այստեղ շատ լավ է տեղավորվում ամուսնական զույգի օրինակը, որտեղ ամուսիններից մեկը շատ ավելի ծանր է, քան մյուսը: Պրոտոնը նստած է կենտրոնում և հազիվ է շարժվում, իսկ առարկայի եզրերին կա էլեկտրոն, որը շարժվում է ավելի արագ, քան ես և դու, բայց շատ ավելի դանդաղ, քան լույսի արագությունը՝ համընդհանուր արագության սահմանը: Ամուսնական իդիլիայի խաղաղ պատկեր.

Կամ թվում է, որ այդպես է, քանի դեռ չենք նայում հենց պրոտոնին: Բուն պրոտոնի ներսն ավելի շատ նման է կոմունայի, որտեղ շատ միայնակ մեծահասակներ և երեխաներ խիտ կուտակված են՝ մաքուր քաոս: Սա նույնպես կապված վիճակ է, բայց այն չի կապում մի պարզ բան, օրինակ՝ պրոտոնը էլեկտրոնի հետ, ինչպես ջրածնում, կամ առնվազն մի քանի տասնյակ էլեկտրոններ ատոմային միջուկով, ինչպես ավելի բարդ ատոմներում, ինչպիսին ոսկին է, բայց անթիվ թիվ ( այսինքն՝ դրանք չափազանց շատ են, և դրանք շատ արագ են փոխվում՝ գործնականում հաշվելու համար) թեթև մասնիկներ՝ քվարկներ, անտիկվարկեր և գլյուոններ։ Անհնար է պարզապես նկարագրել պրոտոնի կառուցվածքը, նկարել պարզ նկարներ՝ այն չափազանց անկազմակերպ է։ Բոլոր քվարկները, գլյուոնները, անտիկվարկերը ներս են պտտվում առավելագույն հնարավոր արագությամբ, գրեթե լույսի արագությամբ:

Բրինձ. 2. Պրոտոնի պատկեր: Պատկերացրեք, որ բոլոր քվարկները (վերև, ներքև, տարօրինակ - u,d,s), անտիկվարկերը (u,d,s գծիկով) և գլյուոնները (g) հետ ու առաջ են պտտվում գրեթե լույսի արագությամբ և բախվում են յուրաքանչյուրի հետ։ մյուսը՝ հայտնվում և անհետանում

Դուք հավանաբար լսել եք, որ պրոտոնը բաղկացած է երեք քվարկներից: Բայց սա սուտ է. մեծ օգուտի համար, բայց դեռ բավականին մեծ: Փաստորեն, պրոտոնում կան անհամար գլյուոններ, անտիկվարկեր և քվարկներ: «Պրոտոնը կազմված է երկու վերև քվարկներից և մեկ ներքև քվարկից» ստանդարտ հապավումը պարզապես ասում է, որ պրոտոնն ունի երկու ավելի բարձր քվարկ, քան վերև քվարկները և մեկ ավելի ներքև քվարկ, քան ներքև քվարկները: Որպեսզի այս կրճատումը ճշմարիտ լինի, անհրաժեշտ է դրան ավելացնել «և անհամար ևս գլյուոններ և քվարկ-հակիկվարկ զույգեր»։ Առանց այս արտահայտության, պրոտոնի գաղափարն այնքան կպարզեցվի, որ լիովին անհնար կլինի հասկանալ LHC-ի աշխատանքը:

Բրինձ. 3. Փոքրիկ սպիտակ ստերը Վիքիպեդիայի կարծրատիպային պատկերում

Ընդհանրապես, պրոտոնների հետ համեմատած ատոմները նման են «pas de deux»-ի՝ մշակված բալետում՝ համեմատած դիսկոտեկի հետ, որը լցված է հարբած դեռահասներով, որոնք վեր ու վար թռչկոտում են դիջեյի վրա և ձեռքով անում:

Ահա թե ինչու, եթե դուք տեսաբան եք, որը փորձում է հասկանալ, թե ինչ է տեսնելու LHC-ն պրոտոնների բախումների ժամանակ, դուք դժվար ժամանակ կունենաք: Շատ դժվար է կանխատեսել առարկաների բախումների արդյունքները, որոնք հնարավոր չէ նկարագրել պարզ ձևով. Բայց բարեբախտաբար, սկսած 1970-ականներից, հիմնվելով Բյորքենի 60-ականների գաղափարների վրա, տեսական ֆիզիկոսները գտել են համեմատաբար պարզ և գործող տեխնոլոգիա: Բայց այն դեռ աշխատում է մինչև որոշակի սահմաններ, մոտ 10% ճշգրտությամբ: Այս և մի քանի այլ պատճառներով LHC-ում մեր հաշվարկների հուսալիությունը միշտ սահմանափակ է:

Պրոտոնի մեկ այլ բան այն է, որ այն փոքր է: Իսկապես փոքրիկ: Եթե ​​դուք ձեր ննջասենյակի չափով ջրածնի ատոմ եք պայթեցնում, ապա պրոտոնը այնքան փոքր կլինի փոշու հատիկի չափ, որ նկատելը շատ դժվար կլինի: Հենց այն պատճառով, որ պրոտոնն այնքան փոքր է, որ մենք կարող ենք անտեսել նրա ներսում տիրող քաոսը՝ նկարագրելով ջրածնի ատոմը որպես պարզ: Ավելի ճիշտ՝ պրոտոնի չափը 100000 անգամ փոքր է ջրածնի ատոմի չափից։

Համեմատության համար նշենք, որ Արեգակի չափը ընդամենը 3000 անգամ փոքր է Արեգակնային համակարգի չափերից (չափվում է ըստ Նեպտունի ուղեծրի): Ճիշտ է, ատոմն ավելի դատարկ է, քան ատոմը արեգակնային համակարգ! Հիշեք սա, երբ գիշերը նայում եք երկնքին:

Բայց դուք կարող եք հարցնել. «Սպասիր մի վայրկյան: Ուզում եք ասել, որ Մեծ հադրոնային կոլայդերը ինչ-որ կերպ բախվում է պրոտոններին, որոնք 100000 անգամ փոքր են ատոմից: Ինչպե՞ս է դա նույնիսկ հնարավոր:

Հիանալի հարց.

Պրոտոնների բախումներ ընդդեմ քվարկների, գլյուոնների և անտիկվարկերների մինի բախումների

LHC-ում պրոտոնների բախումները տեղի են ունենում որոշակի էներգիայով: 2011 թվականին այն եղել է 7 TeV = 7000 ԳեՎ, իսկ 2012 թվականին՝ 8 TeV = 8000 ԳեՎ։ Բայց մասնիկների ֆիզիկոսներին հիմնականում հետաքրքրում են մի պրոտոնի քվարկի բախումները մեկ այլ պրոտոնի հակաքվարկի կամ երկու գլյուոնների բախումներով և այլն։ – մի բան, որը կարող է հանգեցնել իսկապես նոր ֆիզիկական երեւույթի առաջացմանը: Այս մինի բախումները կրում են պրոտոնների բախման ընդհանուր էներգիայի մի փոքր մասը: Այս էներգիայի որքա՞ն կարող են նրանք կրել, և ինչո՞ւ էր անհրաժեշտ բախման էներգիան 7 ՏէՎ-ից հասցնել 8 ՏէՎ-ի:

Պատասխանը Նկ. 4. Գրաֆիկը ցույց է տալիս ATLAS դետեկտորի կողմից հայտնաբերված բախումների քանակը: 2011 թվականի ամառվա տվյալները ներառում են այլ քվարկներից, անտիկվարկերից և գլյուոններից քվարկների, անտիկվարկերի և գլյուոնների ցրումը։ Նման մինի բախումներն առավել հաճախ առաջացնում են երկու շիթ (հադրոնների շիթ, բարձր էներգիայի քվարկների, գլյուոնների կամ հակաքվարկերի դրսևորումներ, որոնք նոկաուտ են անում մայր պրոտոններից): Չափվում են շիթերի էներգիաները և ուղղությունները, և այս տվյալների հիման վրա որոշվում է էներգիայի այն քանակությունը, որը պետք է ներգրավված լիներ մինի բախմանը: Գրաֆիկը ցույց է տալիս այս տեսակի մինի բախումների քանակը՝ որպես էներգիայի ֆունկցիա: Ուղղահայաց առանցքը լոգարիթմական է. յուրաքանչյուր տող նշանակում է քանակի 10 անգամ ավելացում (10 n նշանակում է 1, իսկ հետո n զրո): Օրինակ, 1550-ից մինչև 1650 ԳեՎ էներգիայի միջակայքում դիտված մինի բախումների թիվը եղել է մոտ 10 3 = 1000 (նշված կապույտ գծերով): Նկատի ունեցեք, որ գրաֆիկը սկսվում է 750 ԳէՎ-ից, սակայն մինի բախումների թիվը շարունակում է աճել, երբ ուսումնասիրում եք ավելի ցածր էներգիայի շիթերը, մինչև այն կետը, երբ շիթերը դառնում են չափազանց թույլ՝ հայտնաբերելու համար:

Բրինձ. 4. բախումների քանակը՝ որպես էներգիայի ֆունկցիա (m jj)

Հաշվի առեք, որ 7 TeV = 7000 ԳեՎ էներգիայով պրոտոն-պրոտոնի բախումների ընդհանուր թիվը մոտեցել է 100.000.000.000.000-ին, և այս բոլոր բախումներից միայն երկու մինի բախումներն են գերազանցել 3500 ԳէՎ-ն՝ պրոտոնի բախման էներգիայի կեսը: Տեսականորեն մինի բախման էներգիան կարող է աճել մինչև 7000 ԳեՎ, բայց դրա հավանականությունը անընդհատ նվազում է: Մենք այնքան հազվադեպ ենք տեսնում 6000 ԳէՎ մինի-բախումներ, որ հազիվ թե տեսնենք 7000 ԳեՎ, նույնիսկ եթե մենք հավաքենք 100 անգամ ավելի շատ տվյալներ:

Ի՞նչ առավելություններ ունի բախման էներգիան 2010-2011 թվականներին 7 ՏէՎ-ից 2012 թվականին 8 ՏԷՎ-ի հասցնելու համար: Ակնհայտ է, որ այն, ինչ դուք կարող էիք անել էներգետիկ մակարդակում E, այժմ կարող եք անել էներգիայի մակարդակում 8/7 E ≈ 1,14 E: Այսպիսով, եթե նախկինում կարող էիք հույս ունենալ, որ այսքան տվյալների մեջ կտեսնեք որոշակի տեսակի հիպոթետիկ մասնիկի նշաններ: 1000 GeV/c 2 զանգված, ապա այժմ մենք կարող ենք հուսալ, որ կհասնենք առնվազն 1100 GeV/c 2 տվյալների նույն հավաքածուով: Մեքենայի հնարավորությունները մեծանում են. կարող եք որոնել մի փոքր ավելի մեծ զանգվածի մասնիկներ: Եվ եթե 2012-ին երեք անգամ ավելի շատ տվյալներ հավաքեք, քան 2011-ին, ապա դուք կստանաք ավելի շատ բախումներ յուրաքանչյուր էներգիայի մակարդակի համար, և դուք կկարողանաք տեսնել հիպոթետիկ մասնիկի ստորագրությունը, ասենք, 1200 ԳեՎ/վ 2 զանգվածով:

Բայց սա դեռ ամենը չէ: Տեսեք կապույտ և կանաչ գծերը Նկ. 4. դրանք ցույց են տալիս, որ դրանք տեղի են ունենում 1400 և 1600 ԳեՎ կարգի էներգիաներում, այնպես, որ դրանք փոխկապակցված են միմյանց հետ, ինչպես 7-ից 8-ը: Պրոտոնների բախման էներգիայի մակարդակում 7 TeV, քվարկների մինի-բախումների քանակը քվարկների հետ: , քվարկներ գլյուոններով և այլն p. 1400 ԳէՎ էներգիայով ավելի քան երկու անգամ ավելի է, քան 1600 ԳեՎ էներգիայով բախումների թիվը։ Բայց երբ մեքենան ավելացնում է էներգիան 8/7-ով, այն, ինչ աշխատել է 1400-ի համար, սկսում է աշխատել 1600-ով: Այլ կերպ ասած, եթե ձեզ հետաքրքրում է ֆիքսված էներգիայի մինի բախումները, ապա դրանց թիվը մեծանում է, և շատ ավելին, քան 14% աճը: պրոտոնների բախման էներգիայի մեջ: Սա նշանակում է, որ նախընտրելի էներգիա ունեցող ցանկացած գործընթացի համար, ասենք թեթև Հիգսի մասնիկների ի հայտ գալը, որը տեղի է ունենում 100-200 ԳեՎ կարգի էներգիայի դեպքում, նույն գումարի դիմաց ավելի շատ արդյունքներ եք ստանում: 7-ից 8 TeV-ի անցնելը նշանակում է, որ նույն քանակությամբ պրոտոնների բախումների դեպքում դուք ստանում եք ավելի շատ Հիգսի մասնիկներ: Հիգսի մասնիկների արտադրությունը կավելանա մոտ 1,5-ով։ Քվարկների և հիպոթետիկ մասնիկների որոշ տեսակների թիվը մի փոքր ավելի կաճի:

Սա նշանակում է, որ թեև 2012-ին պրոտոնների բախումների թիվը 3 անգամ ավելի է, քան 2011-ին, սակայն արտադրված Հիգսի մասնիկների ընդհանուր թիվը կավելանա գրեթե 4 անգամ՝ պարզապես էներգիայի ավելացման շնորհիվ։

Ի դեպ, նկ. Նկար 4-ը նաև ապացուցում է, որ պրոտոնները պարզապես կազմված չեն երկու վերև քվարկներից և մեկ վարքից, ինչպես պատկերված է Նկ. 3. Եթե դրանք լինեին, ապա քվարկները պետք է փոխանցեին պրոտոնների էներգիայի մոտ մեկ երրորդը, իսկ մինի բախումների մեծ մասը տեղի կունենար պրոտոնների բախման էներգիայի մոտ մեկ երրորդի էներգիայով՝ մոտ 2300 ԳեՎ: Բայց գրաֆիկը ցույց է տալիս, որ 2300 ԳեՎ-ի տարածքում առանձնահատուկ բան տեղի չի ունենում: 2300 ԳէՎ-ից ցածր էներգիաների դեպքում շատ ավելի շատ բախումներ են լինում, և որքան իջնում ​​եք, այնքան ավելի շատ բախումներ եք տեսնում: Դա պայմանավորված է նրանով, որ պրոտոնը պարունակում է հսկայական քանակությամբ գլյուոններ, քվարկներ և հակաքվարկեր, որոնցից յուրաքանչյուրը փոխանցում է պրոտոնի էներգիայի մի փոքր մասը, բայց դրանք այնքան շատ են, որ նրանք մասնակցում են հսկայական թվով մինի բախումների: Պրոտոնի այս հատկությունը ներկայացված է Նկ. 2 – թեև իրականում ցածր էներգիայի գլյուոնների և քվարկ-հակակվարք զույգերի թիվը շատ ավելի մեծ է, քան ցույց է տրված նկարում:

Բայց գրաֆիկը ցույց չի տալիս այն մասնաբաժինը, որը որոշակի էներգիայով մինի բախումների ժամանակ ընկնում է քվարկների հետ քվարկների, քվարկների գլյուոնների, գլյուոնների հետ գլյուոնների, քվարկների հետ հակաքվարկների և այլնի վրա: Իրականում, դա ուղղակիորեն չի կարելի ասել LHC-ի փորձերից. քվարկներից, անտիկվարկերից և գլյուոններից ստացված շիթերը նույն տեսքն ունեն: Այն, թե ինչպես ենք մենք ճանաչում այս կոտորակները, բարդ պատմություն է, որը ներառում է բազմաթիվ տարբեր անցյալ փորձեր և դրանք միավորող տեսությունը: Եվ դրանից մենք գիտենք, որ ամենաբարձր էներգիայի մինի-բախումները սովորաբար տեղի են ունենում քվարկների և քվարկների և քվարկների և գլյուոնների միջև: Ցածր էներգիայի բախումները սովորաբար տեղի են ունենում գլյուոնների միջև։ Քվարկների և անտիկվարկերի միջև բախումները համեմատաբար հազվադեպ են, բայց դրանք շատ կարևոր են որոշակի ֆիզիկական գործընթացների համար։

Մասնիկների բաշխումը պրոտոնի ներսում

Բրինձ. 5

Երկու գրաֆիկները, որոնք տարբերվում են ուղղահայաց առանցքի մասշտաբով, ցույց են տալիս գլյուոնի, վերև կամ վար քվարկի կամ հակաքվարկի հետ բախման հարաբերական հավանականությունը, որը կրում է պրոտոնի էներգիայի մի մասը, որը հավասար է x-ին: Փոքր x-ում գերակշռում են գլյուոնները (և քվարկներն ու անտիկվարկերը դառնում են հավասարապես հավանական և շատ, թեև դրանք դեռ ավելի քիչ են, քան գլյուոնները), իսկ միջին x-ում գերակշռում են քվարկները (չնայած դրանք շատ քիչ են դառնում)։

Երկու գծապատկերները ցույց են տալիս նույն բանը, պարզապես տարբեր մասշտաբով, ուստի այն, ինչ դժվար է տեսնել նրանցից մեկի վրա, ավելի հեշտ է տեսնել մյուսի վրա: Այն, ինչ նրանք ցույց են տալիս, սա է. եթե պրոտոնային ճառագայթը գալիս է ձեզ վրա Մեծ հադրոնային բախիչում, և դուք հարվածում եք ինչ-որ բանի պրոտոնի ներսում, ապա որքանո՞վ է հավանական, որ դուք կհարվածեք վերև քվարկին, կամ ներքև քվարկին, կամ գլյուոնին կամ վերև հակաքվարկ, թե՞ ներքևի քվարկ, որը կրում է պրոտոնի էներգիայի մի մասը, որը հավասար է x-ին: Այս գրաֆիկներից կարելի է եզրակացնել, որ.

Այն փաստից, որ բոլոր կորերը շատ արագ են աճում փոքր x-ում (տեսանելի է ստորին գրաֆիկում), հետևում է, որ պրոտոնի մասնիկների մեծ մասը փոխանցում է 10%-ից պակաս (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.
Քանի որ դեղին կորը (ներքևում) շատ ավելի բարձր է, քան մյուսները, հետևում է, որ եթե դուք հանդիպեք մի բանի, որը կրում է պրոտոնի էներգիայի 10% -ից պակաս, դա, ամենայն հավանականությամբ, գլյուոն է. և պրոտոնային էներգիայի 2%-ից ցածր իջնելով, հավասարապես հավանական է, որ դրանք լինեն քվարկներ կամ անտիկվարկեր:
Քանի որ գլյուոնի կորը (վերևում) ընկնում է քվարկային կորերից ներքև, երբ x-ն աճում է, հետևում է, որ եթե դուք հանդիպեք որևէ բանի, որը կրում է պրոտոնի էներգիայի ավելի քան 20% (x> 0.2), ինչը շատ, շատ հազվադեպ է, ապա, ամենայն հավանականությամբ, քվարկ, և հավանականությունը, որ դա վերև քվարկ է, երկու անգամ ավելի հավանական է, քան այն հավանականությունը, որ դա կվարկ է: Սա այն մտքի մնացորդն է, որ «պրոտոնը երկու քվարկ է, իսկ մեկը՝ ներքև»:
Բոլոր կորերը կտրուկ նվազում են, քանի որ x-ը մեծանում է; Շատ քիչ հավանական է, որ դուք հանդիպեք որևէ բանի, որը կրում է պրոտոնի էներգիայի ավելի քան 50%-ը:

Այս դիտարկումներն անուղղակիորեն արտացոլված են Նկ. 4. Ահա ևս մի քանի ոչ ակնհայտ բաներ երկու գրաֆիկների վերաբերյալ.
Պրոտոնի էներգիայի մեծ մասը բաժանված է (մոտ հավասարապես) փոքր թվով բարձր էներգիայի քվարկների և հսկայական թվով ցածր էներգիայի գլյուոնների միջև։
Մասնիկների թվում քանակով գերակշռում են ցածր էներգիայի գլյուոնները, որին հաջորդում են քվարկները և շատ ցածր էներգիայի անտիկվարկերը։

Քվարկների և հակաքվարկների թիվը հսկայական է, բայց. վեր քվարկների ընդհանուր թիվը հանած հակաքվարկների ընդհանուր թիվը երկու է, իսկ ներքև քվարկների ընդհանուր թիվը հանած ներքև անտիկվարկերի ընդհանուր թիվը մեկ է: Ինչպես տեսանք վերևում, լրացուցիչ քվարկները կրում են դեպի ձեզ թռչող պրոտոնի էներգիայի զգալի (բայց ոչ մեծամասնությունը): Եվ միայն այս առումով կարող ենք ասել, որ պրոտոնը հիմնականում բաղկացած է երկու վերև քվարկներից և մեկ վարքից:

Ի դեպ, այս ամբողջ տեղեկատվությունը ստացվել է փորձերի հետաքրքրաշարժ համակցությունից (հիմնականում պրոտոններից էլեկտրոնների կամ նեյտրինոների ցրման կամ մեկ պրոտոն և մեկ նեյտրոն պարունակող ծանր ջրածնի ատոմային միջուկներից՝ դեյտերիումից), հավաքված մանրամասն հավասարումների միջոցով։ նկարագրելով էլեկտրամագնիսական, ուժեղ միջուկային և թույլ միջուկային փոխազդեցությունները: Այս երկար պատմությունը ձգվում է մինչև 1960-ականների վերջ և 1970-ականների սկիզբ: Եվ այն հիանալի է աշխատում բախիչներում նկատվող երևույթների կանխատեսման համար, որտեղ պրոտոնները բախվում են պրոտոններին, իսկ պրոտոնները հակապրոտոններին, ինչպիսիք են Տևատրոնը և LHC-ն:

Պրոտոնի բարդ կառուցվածքի այլ ապացույցներ

Դիտարկենք LHC-ում ստացված որոշ տվյալներ և թե ինչպես է այն հաստատում պրոտոնի կառուցվածքի մասին պնդումները (չնայած պրոտոնի ներկայիս ըմբռնումը սկսվում է 3-4 տասնամյակից առաջ՝ բազմաթիվ փորձերի շնորհիվ):

Գրաֆիկը Նկ. 4-ը ստացվում է բախումների դիտարկումներից, որոնց ժամանակ տեղի է ունենում Նկար 1-ում ցուցադրվածի նման մի բան: 6. մեկ պրոտոնի քվարկը կամ հակաքվարկը կամ գլյուոնը բախվում է մեկ այլ պրոտոնի քվարկի կամ հակաքվարկի կամ գլյուոնի հետ, ցրվում է դրանից (կամ ավելի բարդ բան է պատահում, օրինակ՝ երկու գլյուոններ բախվում են և վերածվում քվարկի և հակաքվարկի), որի արդյունքում. երկու մասնիկներում (քվարկներ, անտիկվարկեր կամ գլյուոններ) հեռանում են բախման կետից: Այս երկու մասնիկները վերածվում են շիթերի (հադրոնային շիթեր)։ Շիթերի էներգիան և ուղղությունը դիտվում են հարվածի կետը շրջապատող մասնիկների դետեկտորներում: Այս տեղեկատվությունը օգտագործվում է հասկանալու համար, թե որքան էներգիա է պարունակվել երկու սկզբնական քվարկների/գլյուոնների/հակիկվարկերի բախման ժամանակ: Ավելի ճիշտ, երկու շիթերի անփոփոխ զանգվածը, բազմապատկված c 2-ով, տալիս է երկու սկզբնական քվարկների/գլյուոնների/հակիկվարկերի բախման էներգիան։

Բրինձ. 6

Այս տեսակի բախումների քանակը կախված էներգիայից ներկայացված է Նկ. 4. Այն փաստը, որ ցածր էներգիաների դեպքում բախումների թիվը շատ ավելի մեծ է, հաստատվում է նրանով, որ պրոտոնի ներսում գտնվող մասնիկների մեծ մասը փոխանցում է իր էներգիայի միայն մի փոքր մասը։ Տվյալները սկսվում են 750 ԳեՎ էներգիաներից:

Բրինձ. 7. Ցածր էներգիաների տվյալները վերցված ավելի փոքր տվյալների հավաքածուից: Dijet զանգված – նույնն է, ինչ m jj Նկ. 4.

Տվյալներ Նկ. 7-ը վերցված են 2010 թվականի CMS փորձից, որի վրա նրանք գծագրել են մարմնական բախումներ մինչև 220 ԳեՎ էներգիա: Գրաֆիկը այստեղ ոչ թե բախումների քանակն է, այլ մի փոքր ավելի բարդ՝ բախումների թիվը մեկ GeV-ի համար, այսինքն՝ բախումների թիվը բաժանված է հիստոգրամի սյունակի լայնության վրա։ Կարելի է տեսնել, որ նույն էֆեկտը շարունակում է գործել տվյալների ողջ տիրույթում: Բախումներ, ինչպիսիք են Նկ. 6, ցածր էներգիաների դեպքում շատ ավելին է տեղի ունենում, քան բարձր էներգիայի դեպքում: Եվ այս թիվը շարունակում է աճել այնքան ժամանակ, քանի դեռ հնարավոր չէ տարբերել շիթերը։ Պրոտոնը պարունակում է շատ ցածր էներգիայի մասնիկներ, և դրանցից քչերն են կրում իր էներգիայի զգալի մասը:

Ի՞նչ կասեք պրոտոնում հակակարկերի առկայության մասին: Ամենահետաքրքիր գործընթացներից երեքը, որոնք նման չեն Նկարում պատկերված բախմանը: 6-ը, որը երբեմն տեղի է ունենում LHC-ում (պրոտոն-պրոտոնի մի քանի միլիոն բախումներից մեկում) ներառում է գործընթացը.

Քվարկ + հակաքվարկ -> W + , W - կամ Z մասնիկ:

Դրանք ներկայացված են Նկ. 8.

Բրինձ. 8

CMS-ի համապատասխան տվյալները տրված են Նկ. 9 և 10. Նկ. Գծապատկեր 9-ը ցույց է տալիս, որ բախումների քանակը, որոնք առաջացնում են էլեկտրոն կամ պոզիտրոն (ձախից) և չհայտնաբերվող որևէ բան (հավանաբար նեյտրինո կամ հականեյտրինո), կամ մյուոն և հակամյուն (աջից), ճիշտ է կանխատեսված։ Կանխատեսումը կատարվում է համակցելով Ստանդարտ մոդել(հավասարումներ, որոնք կանխատեսում են հայտնի տարրական մասնիկների վարքը) և պրոտոնի կառուցվածքը։ Տվյալների մեծ գագաթները պայմանավորված են W և Z մասնիկների տեսքով: Տեսությունը լիովին համապատասխանում է տվյալներին:

Բրինձ. 9. սև կետեր - տվյալներ, դեղին - կանխատեսումներ: Միջոցառումների թիվը նշված է հազարներով։ Ձախ. Կենտրոնական գագաթնակետը պայմանավորված է W մասնիկների նեյտրինոներով, աջ կողմում բախման ժամանակ առաջացած լեպտոնն ու հակալեպտոնը միացված են, և ենթադրվում է այն մասնիկի զանգվածը, որից նրանք առաջացել են: Պիկն առաջանում է առաջացած Z մասնիկների շնորհիվ։

Նույնիսկ ավելի շատ մանրամասներ կարելի է տեսնել Նկ. 10, որտեղ ցույց է տրված, որ տեսությունը, ոչ միայն այս, այլև բազմաթիվ հարակից չափումների քանակի առումով, որոնց մեծ մասը կապված է քվարկների բախումների հետ անտիկվարկերի հետ, լիովին համապատասխանում է տվյալներին: Տվյալները (կարմիր կետերը) և տեսությունը (կապույտ գծերը) երբեք չեն համընկնում ստույգ վիճակագրական տատանումների պատճառով, այն նույն պատճառով, որ եթե մետաղադրամը տասը անգամ շրջեք, անպայման չեք ստանա հինգ գլուխ և հինգ պոչ: Հետևաբար, տվյալների կետերը տեղադրվում են «սխալի բարում», ուղղահայաց կարմիր շերտում: Գոտու չափն այնպիսին է, որ չափումների 30%-ի դեպքում սխալի գոտին պետք է սահմանակից լինի տեսությանը, իսկ չափումների միայն 5%-ի դեպքում այն ​​պետք է երկու շերտով հեռու լինի տեսությունից: Կարելի է տեսնել, որ բոլոր ապացույցները հաստատում են, որ պրոտոնը պարունակում է բազմաթիվ անտիկվարկեր։ Եվ մենք ճիշտ ենք հասկանում հակաքվարկերի քանակը, որոնք կրում են պրոտոնի էներգիայի որոշակի մասը:

Բրինձ. 10

Հետո ամեն ինչ մի քիչ ավելի բարդ է։ Մենք նույնիսկ գիտենք, թե քանի վեր ու վար քվարկ ունենք՝ կախված դրանց կրող էներգիայից, քանի որ մենք ճիշտ կանխատեսում ենք՝ 10%-ից պակաս սխալով, թե որքան շատ W + մասնիկներ ենք ստանում, քան W- մասնիկները (նկ. 11):

Բրինձ. 11

Վերև անտիկվարկների և ներքև քվարկների հարաբերակցությունը պետք է մոտ լինի 1-ին, բայց վերև քվարկները պետք է ավելի շատ լինեն, քան ներքև քվարկները, հատկապես երբ բարձր էներգիաներ. Նկ. 6, մենք կարող ենք տեսնել, որ ստացված W + և W - մասնիկների հարաբերակցությունը մոտավորապես պետք է տա ​​մեզ վերև քվարկների հարաբերակցությունը, որոնք ներգրավված են W մասնիկների արտադրության մեջ: Նկար 11-ը ցույց է տալիս, որ W + և W - մասնիկների չափված հարաբերակցությունը 3-ից 2-ն է, ոչ թե 2-ը 1-ին: Սա նաև ցույց է տալիս, որ պրոտոնի միամիտ գաղափարը, որը բաղկացած է երկու վերև քվարկներից և մեկ ներքև քվարկից, չափազանց պարզունակ է: 2-ից 1-ի պարզեցված հարաբերակցությունը մշուշոտ է, քանի որ պրոտոնը պարունակում է բազմաթիվ քվարկ-հակակվարկային զույգեր, որոնցից վերին և ստորինները մոտավորապես հավասար են: Լղոզման աստիճանը որոշվում է W մասնիկի զանգվածով 80 ԳեՎ։ Եթե ​​այն ավելի թեթևացնեք, ավելի շատ պղտորում կլինի, իսկ եթե այն ավելի ծանր է, ավելի քիչ լղոզում կլինի, քանի որ պրոտոնի քվարկ-հակակվարկ զույգերի մեծ մասը քիչ էներգիա է կրում:

Ի վերջո, հաստատենք այն փաստը, որ պրոտոնի մասնիկների մեծ մասը գլյուոններ են։

Բրինձ. 12

Դա անելու համար մենք կօգտագործենք այն փաստը, որ վերին քվարկները կարող են ստեղծվել երկու եղանակով՝ քվարկ + հակաքվարկ -> վերին քվարկ + վերին անտիկվարկ, կամ գլյուոն + գլյուոն -> վերին քվարկ + վերին հակաքվարկ (նկ. 12): Մենք գիտենք քվարկների և հակաքվարկների թիվը՝ կախված նրանց կրող էներգիայից՝ հիմնվելով Նկարում պատկերված չափումների վրա։ 9-11։ Դրանից ելնելով, մենք կարող ենք օգտագործել Ստանդարտ մոդելի հավասարումները՝ կանխատեսելու համար, թե քանի վերին քվարկ կստեղծվի միայն քվարկների և հակաքվարկների բախումից: Նախորդ տվյալների հիման վրա մենք նաև հավատում ենք, որ պրոտոնում ավելի շատ գլյուոններ կան, ուստի գլյուոն + գլյուոն -> վերին քվարկ + վերին անտիկվարկ պրոցեսը պետք է տեղի ունենա առնվազն 5 անգամ ավելի հաճախ: Հեշտ է ստուգել՝ արդյոք այնտեղ գլյուոններ կան. եթե դրանք չեն, ապա տվյալները պետք է շատ ցածր լինեն տեսական կանխատեսումներից:
գլյուոններ Ավելացնել պիտակներ

Բոլոր հինգ տառային տարրական մասնիկները թվարկված են ստորև: Յուրաքանչյուր սահմանման համար տրվում է համառոտ նկարագրություն:

Եթե ​​ավելացնելու բան ունեք, ապա ստորև ձեր ծառայության մեջ է մեկնաբանության ձև, որում կարող եք արտահայտել ձեր կարծիքը կամ ավելացնել հոդվածին:

Տարրական մասնիկների ցանկ

Ֆոտոն

Դա էլեկտրամագնիսական ճառագայթման քվանտ է, օրինակ՝ լույս։ Լույսն իր հերթին մի երեւույթ է, որը բաղկացած է լույսի հոսքերից։ Ֆոտոնը տարրական մասնիկ է։ Ֆոտոնն ունի չեզոք լիցք և զրոյական զանգված։ Ֆոտոնի սպին մեկին հավասար. Ֆոտոնը կրում է էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը լիցքավորված մասնիկների միջև: Ֆոտոն տերմինը գալիս է հունարեն phos-ից, որը նշանակում է լույս:

Ֆոնոն

Այն քվազիմասնիկ է, բյուրեղային ցանցի ատոմների և մոլեկուլների առաձգական թրթռումների և հավասարակշռության դիրքից տեղաշարժերի քվանտ։ Բյուրեղային ցանցերում ատոմներն ու մոլեկուլները մշտապես փոխազդում են՝ էներգիան կիսելով միմյանց հետ: Այս առումով գրեթե անհնար է ուսումնասիրել դրանցում առանձին ատոմների թրթիռներին նման երեւույթներ։ Հետևաբար, ատոմների պատահական թրթռումները սովորաբար դիտարկվում են ըստ տարածման տեսակի ձայնային ալիքներ, բյուրեղյա վանդակի ներսում։ Այս ալիքների քվանտները ֆոնոններ են։ Ֆոնոն տերմինը գալիս է հունական հեռախոսից՝ ձայն։

Ֆազոն

Տատանումների ֆազոնը քվազիմասնիկ է, որը գրգռում է համաձուլվածքներում կամ մեկ այլ հետերոֆազային համակարգում՝ ձևավորելով պոտենցիալ հոր (ֆերոմագնիսական շրջան) լիցքավորված մասնիկի շուրջ, ասենք էլեկտրոնի, և գրավելով այն։

Ռոտոն

Այն քվազիմասնիկ է, որը համապատասխանում է գերհեղուկ հելիումի տարրական գրգռմանը, բարձր ազդակների շրջանում, կապված գերհեղուկ հեղուկում հորձանուտային շարժման առաջացման հետ։ Ռոտոն, լատիներենից թարգմանաբար նշանակում է՝ մանում, մանում։ Ռոտոնը հայտնվում է 0,6 Կ-ից բարձր ջերմաստիճաններում և որոշում է ջերմային հզորության ջերմաստիճանից կախված հատկությունները, ինչպիսիք են նորմալ խտության էնտրոպիան և այլն:

Մեզոն

Այն անկայուն ոչ տարրական մասնիկ է։ Մեզոնը ծանր էլեկտրոն է տիեզերական ճառագայթների մեջ:
Մեզոնի զանգվածը մեծ է էլեկտրոնի զանգվածից և փոքր պրոտոնի զանգվածից։

Մեզոններն ունեն զույգ թիվքվարկներ և անտիկվարկեր. Մեզոնները ներառում են Պիոններ, Կաոններ և այլ ծանր մեզոններ։

Քվարկ

Դա նյութի տարրական մասնիկ է, բայց առայժմ միայն հիպոթետիկորեն։ Քվարկները սովորաբար կոչվում են վեց մասնիկներ և դրանց հակամասնիկները (հակակվարկեր), որոնք իրենց հերթին կազմում են հատուկ տարրական մասնիկների հադրոնների խումբ։

Ենթադրվում է, որ մասնիկները, որոնք մասնակցում են ուժեղ փոխազդեցություններին, ինչպիսիք են պրոտոնները, նեյրոնները և որոշ այլ մասնիկներ, բաղկացած են միմյանց հետ սերտորեն կապված քվարկներից: Քվարկները մշտապես գոյություն ունեն տարբեր համակցություններով։ Տեսություն կա, որ քվարկները կարող են ազատ ձևով գոյություն ունենալ Մեծ պայթյունից հետո առաջին պահերին:

Գլյուոն

Տարրական մասնիկ. Համաձայն տեսություններից մեկի՝ գլյուոնները կարծես սոսնձում են քվարկները, որոնք իրենց հերթին ձևավորում են մասնիկներ, ինչպիսիք են պրոտոնները և նեյրոնները։ Ընդհանուր առմամբ, գլյուոնները ամենափոքր մասնիկներն են, որոնք կազմում են նյութ։

Բոզոն

Բոզոն-քվազիմասնիկ կամ Բոզ-մասնիկ: Բոզոնն ունի զրո կամ ամբողջ թվային սպին: Անունը տրվել է ի պատիվ ֆիզիկոս Շատյենդրանաթ Բոզեի։ Բոզոնը տարբերվում է նրանով, որ դրանցից անսահմանափակ թվով կարող է լինել նույն քվանտային վիճակը:

Հադրոն

Հադրոնը տարրական մասնիկ է, որն իսկապես տարրական չէ: Բաղկացած է քվարկներից, անտիկվարկերից և գլյուոններից։ Հադրոնը չունի գունավոր լիցք և մասնակցում է ուժեղ փոխազդեցություններին, այդ թվում՝ միջուկային։ Հադրոն տերմինը հունարեն adros-ից նշանակում է մեծ, զանգվածային:

Ուսումնասիրելով նյութի կառուցվածքը՝ ֆիզիկոսները պարզեցին, թե ինչից են կազմված ատոմները, հասան ատոմի միջուկ և այն բաժանեցին պրոտոնների և նեյտրոնների։ Այս բոլոր քայլերը տրվեցին բավականին հեշտ. պարզապես պետք էր մասնիկները արագացնել մինչև պահանջվող էներգիան, մղել դրանք միմյանց դեմ, իսկ հետո նրանք իրենք կքանդվեին իրենց բաղադրիչ մասերի մեջ:

Սակայն պրոտոնների և նեյտրոնների դեպքում այս հնարքն այլևս չաշխատեց: Չնայած դրանք կոմպոզիտային մասնիկներ են, դրանք չեն կարող «կոտրվել» նույնիսկ ամենակատաղի բախման ժամանակ։ Հետևաբար, ֆիզիկոսներից տասնամյակներ պահանջվեցին պրոտոնի ներսը նայելու, նրա կառուցվածքն ու ձևը տեսնելու տարբեր եղանակներ գտնելու համար: Այսօր պրոտոնի կառուցվածքի ուսումնասիրությունը մասնիկների ֆիզիկայի ամենաակտիվ ոլորտներից է։

Բնությունը հուշումներ է տալիս

Պրոտոնների և նեյտրոնների կառուցվածքի ուսումնասիրության պատմությունը սկսվում է 1930-ական թվականներից։ Երբ, բացի պրոտոններից, հայտնաբերվեցին նեյտրոններ (1932), չափելով դրանց զանգվածը, ֆիզիկոսները զարմացած հայտնաբերեցին, որ այն շատ մոտ է պրոտոնի զանգվածին։ Ավելին, պարզվեց, որ պրոտոններն ու նեյտրոնները ճիշտ նույն կերպ «զգում» են միջուկային փոխազդեցությունը։ Այնքան նույնական, որ միջուկային ուժերի տեսանկյունից պրոտոնը և նեյտրոնը կարելի է համարել նույն մասնիկի երկու դրսևորում` նուկլեոն. պրոտոնը էլեկտրական լիցքավորված նուկլեոն է, իսկ նեյտրոնը չեզոք նուկլեոն է: Փոխանակեք պրոտոնները նեյտրոնների հետ և միջուկային ուժերը (գրեթե) ոչինչ չեն նկատի:

Ֆիզիկոսները բնության այս հատկությունն արտահայտում են որպես սիմետրիա. միջուկային փոխազդեցությունը սիմետրիկ է պրոտոնների նեյտրոններով փոխարինման առումով, ինչպես որ թիթեռը սիմետրիկ է ձախը աջով փոխարինելու առումով: Այս համաչափությունը, բացի միջուկային ֆիզիկայում կարևոր դեր խաղալուց, իրականում առաջին ակնարկն էր, որ նուկլոնները հետաքրքիր ներքին կառուցվածքը. Ճիշտ է, 30-ականներին ֆիզիկոսները չէին գիտակցում այս ակնարկը։

Փոխըմբռնումը եկավ ավելի ուշ: Այն սկսվեց նրանից, որ 1940–50-ական թվականներին, տարբեր տարրերի միջուկների հետ պրոտոնների բախման ռեակցիաների ժամանակ, գիտնականները զարմանում էին, երբ հայտնաբերեցին ավելի ու ավելի շատ նոր մասնիկներ։ Ոչ պրոտոնները, ոչ նեյտրոնները, ոչ այն ժամանակ հայտնաբերված պի-մեզոնները, որոնք միջուկներում պահում են նուկլոններ, այլ որոշ բոլորովին նոր մասնիկներ։ Չնայած իրենց բազմազանությանը, այս նոր մասնիկները երկուսն ունեին ընդհանուր հատկություններ. Նախ, նրանք, ինչպես նուկլոնները, շատ պատրաստակամորեն մասնակցեցին միջուկային փոխազդեցություններին. այժմ այդպիսի մասնիկները կոչվում են հադրոններ: Եվ երկրորդը, նրանք չափազանց անկայուն էին։ Դրանցից ամենաանկայունը քայքայվել է այլ մասնիկների՝ ընդամենը մեկ տրիլիոներորդ նանովայրկյանում՝ չհասցնելով անգամ թռչել ատոմային միջուկի չափով:

Երկար ժամանակ հադրոնային «կենդանաբանական այգին» լրիվ խառնաշփոթ էր։ 1950-ականների վերջին ֆիզիկոսներն արդեն բավականին շատ բան էին սովորել տարբեր տեսակներհադրոններ, սկսեցին համեմատել դրանք միմյանց հետ և հանկարծ տեսան նրանց հատկությունների որոշակի ընդհանուր համաչափություն, նույնիսկ պարբերականություն: Առաջարկվում էր, որ բոլոր հադրոնների (ներառյալ նուկլոնների) ներսում կան մի քանի պարզ առարկաներ, որոնք կոչվում են «քվարկներ»: Քվարկները տարբեր ձևերով միավորելով՝ հնարավոր է ստանալ տարբեր հադրոններ, որոնք ունեն նույն տիպի և նույն հատկությունները, որոնք հայտնաբերվել են փորձի ժամանակ։

Ի՞նչն է պրոտոնը դարձնում պրոտոն:

Այն բանից հետո, երբ ֆիզիկոսները հայտնաբերեցին հադրոնների քվարկային կառուցվածքը և իմացան, որ քվարկները լինում են մի քանի տարբեր տեսակների, պարզ դարձավ, որ շատ տարբեր մասնիկներ կարող են կառուցվել քվարկներից: Այսպիսով, ոչ ոք չզարմացավ, երբ հաջորդ փորձերը շարունակեցին մեկը մյուսի հետևից նոր հադրոններ գտնել: Բայց բոլոր հադրոնների մեջ հայտնաբերվեց մասնիկների մի ամբողջ ընտանիք, որը բաղկացած էր, ինչպես պրոտոնը, ընդամենը երկուսից. u-քվարկներ և մեկ դ- քվարկ. Պրոտոնի մի տեսակ «եղբայր»: Եվ ահա ֆիզիկոսներին անակնկալ էր սպասվում.

Նախ կատարենք մեկ պարզ դիտարկում. Եթե ​​մենք ունենք միևնույն «աղյուսներից» բաղկացած մի քանի առարկա, ապա ավելի ծանր առարկաները պարունակում են ավելի շատ «աղյուսներ», իսկ թեթևները՝ ավելի քիչ։ Սա շատ բնական սկզբունք է, որը կարելի է անվանել համակցման սկզբունք կամ վերնաշենքի սկզբունք, և այն հիանալի գործում է ինչպես առօրյա կյանք, և ֆիզիկայում։ Այն դրսևորվում է նույնիսկ ատոմային միջուկների կառուցվածքում. ի վերջո, ավելի ծանր միջուկները պարզապես բաղկացած են ավելինպրոտոններ և նեյտրոններ.

Այնուամենայնիվ, քվարկների մակարդակում այս սկզբունքը բացարձակապես չի գործում, և, պետք է խոստովանել, որ ֆիզիկոսները դեռ լիովին չեն պարզել, թե ինչու: Պարզվում է, որ պրոտոնի ծանր եղբայրները նույնպես կազմված են նույն քվարկներից, ինչ պրոտոնը, չնայած նրանք մեկուկես կամ նույնիսկ երկու անգամ ծանր են պրոտոնից։ Նրանք տարբերվում են պրոտոնից (և տարբերվում են միմյանցից) ոչ կազմը,և փոխադարձ գտնվելու վայրըքվարկներ՝ ըստ այն վիճակի, որում այս քվարկները հարաբերական են միմյանց նկատմամբ։ Բավական է փոխել քվարկների հարաբերական դիրքը, և պրոտոնից մենք կստանանք մեկ այլ, նկատելիորեն ավելի ծանր մասնիկ։

Ի՞նչ կլինի, եթե դուք դեռ վերցնեք և հավաքեք ավելի քան երեք քվարկ միասին: Կլինի՞ նոր ծանր մասնիկ։ Զարմանալիորեն, դա չի աշխատի. քվարկները կկոտրվեն երեքով և կվերածվեն մի քանի ցրված մասնիկների: Չգիտես ինչու, բնությունը «դուր չի գալիս» շատ քվարկներ միավորել մեկ ամբողջության մեջ: Միայն վերջերս, բառացիորեն ներս վերջին տարիներին, սկսել են ակնարկներ հայտնվել, որ որոշ բազմաքվարկային մասնիկներ իսկապես գոյություն ունեն, բայց դա միայն ընդգծում է, թե որքանով բնությունը չի սիրում դրանք:

Այս կոմբինատորիկայից բխում է մի շատ կարևոր և խորը եզրակացություն՝ հադրոնների զանգվածն ամենևին էլ չի կազմված քվարկների զանգվածից։ Բայց եթե հադրոնի զանգվածը կարելի է մեծացնել կամ նվազեցնել՝ պարզապես նրա բաղկացուցիչ աղյուսները վերահամադրելով, ապա քվարկներն իրենք չեն, որ պատասխանատու են հադրոնների զանգվածի համար։ Եվ իսկապես, հետագա փորձերի ժամանակ հնարավոր եղավ պարզել, որ քվարկների զանգվածն ինքնին պրոտոնի զանգվածի մոտ երկու տոկոսն է, իսկ ձգողականության մնացած մասը առաջանում է ուժային դաշտի (հատուկ մասնիկների՝ գլյուոնների) պատճառով։ միացնել քվարկները միասին: Փոփոխելով քվարկների հարաբերական դիրքը, օրինակ՝ դրանք միմյանցից ավելի հեռու տանելով, մենք դրանով փոխում ենք գլյուոնային ամպը՝ դարձնելով այն ավելի զանգվածային, ինչի պատճառով հադրոնի զանգվածը մեծանում է (նկ. 1):

Ի՞նչ է կատարվում արագ շարժվող պրոտոնի ներսում:

Այն ամենը, ինչ նկարագրված է վերևում, վերաբերում է անշարժ պրոտոնին ֆիզիկոսների լեզվով, սա պրոտոնի կառուցվածքն է իր հանգստի շրջանակում: Սակայն փորձի ժամանակ պրոտոնի կառուցվածքն առաջին անգամ հայտնաբերվել է այլ պայմաններում՝ ներսում արագ թռչումպրոտոն։

1960-ականների վերջին արագացուցիչների մոտ մասնիկների բախումների վերաբերյալ փորձերի ժամանակ նկատվեց, որ լույսի մոտ արագությամբ շարժվող պրոտոններն իրենց պահում էին այնպես, կարծես նրանց ներսում էներգիան հավասարաչափ բաշխված չէր, այլ կենտրոնացած էր առանձին կոմպակտ օբյեկտներում: Հայտնի ֆիզիկոս Ռիչարդ Ֆեյնմանը առաջարկեց նյութի այս կույտերն անվանել պրոտոնների ներսում partons(անգլերենից մաս -Մաս):

Հետագա փորձերը ուսումնասիրեցին պարտոնների շատ հատկություններ, օրինակ՝ նրանց էլեկտրական լիցքը, թիվը և յուրաքանչյուրի կրող պրոտոնային էներգիայի բաժինը։ Պարզվում է, որ լիցքավորված պարտոնները քվարկներ են, իսկ չեզոք պարտոնները՝ գլյուոններ։ Այո, այո, այդ նույն գլյուոնները, որոնք պրոտոնի հանգստի շրջանակում պարզապես «ծառայում էին» քվարկներին՝ ձգելով նրանց միմյանց, այժմ անկախ պարտոններ են և քվարկների հետ միասին կրում են արագ շարժվող պրոտոնի «մատերիան» ու էներգիան։ Փորձերը ցույց են տվել, որ էներգիայի մոտավորապես կեսը պահվում է քվարկներում, իսկ կեսը՝ գլյուոններում։

Պարտոնները առավել հարմար են ուսումնասիրվում պրոտոնների էլեկտրոնների բախման ժամանակ։ Փաստն այն է, որ, ի տարբերություն պրոտոնի, էլեկտրոնը չի մասնակցում ուժեղ միջուկային փոխազդեցություններին, և նրա բախումը պրոտոնի հետ շատ պարզ է թվում. էլեկտրոնը շատ կարճ ժամանակով արձակում է վիրտուալ ֆոտոն, որը բախվում է լիցքավորված պարտոնին և ի վերջո առաջանում է: մեծ թվովմասնիկներ (նկ. 2): Կարելի է ասել, որ էլեկտրոնը հիանալի scalpel է պրոտոնը «բացելու» և այն առանձին մասերի բաժանելու համար, սակայն, միայն շատ կարճ ժամանակով։ Իմանալով, թե որքան հաճախ են նման գործընթացները տեղի ունենում արագացուցիչի մոտ, կարելի է չափել պրոտոնի ներսում գտնվող պարտոնների քանակը և դրանց լիցքերը:

Ովքե՞ր են իրականում Պարտոնները:

Եվ ահա մենք գալիս ենք մեկ այլ զարմանալի հայտնագործության, որը ֆիզիկոսներն արել են՝ ուսումնասիրելով տարրական մասնիկների բախումները բարձր էներգիաներով:

Նորմալ պայմաններում այն ​​հարցը, թե ինչից է բաղկացած այս կամ այն ​​օբյեկտը, ունի ունիվերսալ պատասխան բոլոր տեղեկատու համակարգերի համար։ Օրինակ, ջրի մոլեկուլը բաղկացած է երկու ջրածնի ատոմից և մեկ թթվածնի ատոմից, և կարևոր չէ՝ մենք նայում ենք անշարժ, թե շարժվող մոլեկուլին: Այնուամենայնիվ, այս կանոնը այնքան բնական է թվում: - խախտվում է, եթե մենք խոսում ենքլույսի արագությանը մոտ արագությամբ շարժվող տարրական մասնիկների մասին։ Հղման մի համակարգում բարդ մասնիկը կարող է բաղկացած լինել ենթամասնիկների մի շարքից, իսկ մեկ այլ հղման համակարգում` մյուսից: Պարզվում է, որ կազմը հարաբերական հասկացություն է!

Ինչպե՞ս կարող է սա լինել: Բանալին այստեղ մեկ կարևոր հատկություն է. մեր աշխարհում մասնիկների թիվը ֆիքսված չէ. մասնիկները կարող են ծնվել և անհետանալ: Օրինակ, եթե բավականաչափ բարձր էներգիայով երկու էլեկտրոն իրար մղեք, ապա այս երկու էլեկտրոններից բացի կարող է ծնվել կա՛մ ֆոտոն, կա՛մ էլեկտրոն-պոզիտրոն զույգ, կա՛մ այլ մասնիկներ: Այս ամենը թույլատրված է քվանտային օրենքներով, և դա հենց այն է, ինչ տեղի է ունենում իրական փորձերի ժամանակ։

Բայց մասնիկների այս «չպահպանման օրենքը» գործում է բախումների դեպքումմասնիկներ. Ինչպես է պատահում, որ նույն պրոտոնը հետ տարբեր կետերհայացքից թվում է, թե այն բաղկացած է մասնիկների տարբեր խմբերի՞ց: Բանն այն է, որ պրոտոնը ոչ միայն երեք քվարկ է միասին վերցրած: Քվարկների միջև կա գլյուոնային ուժային դաշտ։ Ընդհանրապես, ուժային դաշտը (օրինակ՝ գրավիտացիոն կամ էլեկտրական դաշտը) մի տեսակ նյութական «սուբյեկտ» է, որը թափանցում է տարածություն և թույլ է տալիս մասնիկներին ուժային ազդեցություն ունենալ միմյանց վրա։ IN քվանտային տեսությունԴաշտը նույնպես բաղկացած է մասնիկներից, թեև հատուկ՝ վիրտուալ։ Այս մասնիկների թիվը ֆիքսված չէ, նրանք անընդհատ «բողբոջում» են քվարկներից և կլանվում են այլ քվարկների կողմից:

ՀանգստանալովՊրոտոնն իսկապես կարելի է պատկերացնել որպես երեք քվարկ, որոնց միջև ցատկոտում են գլյուոններ: Բայց եթե մենք նույն պրոտոնին նայենք այլ հղման համակարգից, կարծես անցնող «ռելատիվիստական ​​գնացքի» պատուհանից, ապա կտեսնենք բոլորովին այլ պատկեր։ Այդ վիրտուալ գլյուոնները, որոնք սոսնձել են քվարկները, ավելի քիչ վիրտուալ, «ավելի իրական» մասնիկներ են թվում: Նրանք, իհարկե, դեռևս ծնվում և կլանվում են քվարկներով, բայց միևնույն ժամանակ նրանք որոշ ժամանակ ապրում են ինքնուրույն՝ թռչելով քվարկների կողքով, ինչպես իրական մասնիկներ։ Այն, ինչ նման է պարզ ուժային դաշտի մի հղման համակարգում, վերածվում է մասնիկների հոսքի մեկ այլ շրջանակում: Նկատի ունեցեք, որ մենք չենք դիպչում հենց պրոտոնին, այլ միայն նրան ենք նայում այլ հղման համակարգից:

Հետագա - ավելին: Որքան մեր «հարաբերական գնացքի» արագությունը մոտ լինի լույսի արագությանը, այնքան ավելի զարմանալի պատկերը կտեսնենք պրոտոնի ներսում: Երբ մոտենում ենք լույսի արագությանը, մենք կնկատենք, որ պրոտոնի ներսում ավելի ու ավելի շատ գլյուոններ կան։ Ավելին, նրանք երբեմն բաժանվում են քվարկ-հակակվարք զույգերի, որոնք նույնպես թռչում են մոտակայքում և նույնպես համարվում են պարտոններ։ Արդյունքում, ուլտրառելյատիվիստական ​​պրոտոնը, այսինքն՝ պրոտոնը, որը մեզ համեմատ շարժվում է լույսի արագությանը շատ մոտ արագությամբ, հայտնվում է քվարկների, անտիկվարկերի և գլյուոնների փոխներթափանցող ամպերի տեսքով, որոնք թռչում են միասին և կարծես թե աջակցում են միմյանց (նկ. . 3).

Հարաբերականության տեսությանը ծանոթ ընթերցողին կարող է մտահոգել: Ամբողջ ֆիզիկան հիմնված է այն սկզբունքի վրա, որ ցանկացած գործընթաց նույն կերպ է ընթանում բոլոր իներցիոն հղման համակարգերում: Բայց պարզվում է, որ պրոտոնի բաղադրությունը կախված է այն հղման համակարգից, որից մենք դիտարկում ենք այն?!

Այո, ճիշտ է, բայց դա ոչ մի կերպ չի խախտում հարաբերականության սկզբունքը։ Ֆիզիկական պրոցեսների արդյունքները, օրինակ, թե որ մասնիկները և քանիսն են առաջանում բախման արդյունքում, պարզվում է, որ անփոփոխ են, թեև պրոտոնի բաղադրությունը կախված է հղման համակարգից:

Այս իրավիճակը, առաջին հայացքից անսովոր, բայց բավարարելով ֆիզիկայի բոլոր օրենքները, սխեմատիկորեն պատկերված է Նկար 4-ում: Այն ցույց է տալիս, թե ինչպես է բարձր էներգիայով երկու պրոտոնների բախումը դիտվում տարբեր հղման շրջանակներում. զանգվածի կենտրոնի շրջանակը, մեկ այլ պրոտոնի մնացած շրջանակում: Պրոտոնների միջև փոխազդեցությունն իրականացվում է բաժանվող գլյուոնների կասկադի միջոցով, բայց միայն մի դեպքում է այս կասկադը համարվում մեկ պրոտոնի «ներսը», մյուս դեպքում այն ​​համարվում է մեկ այլ պրոտոնի մաս, իսկ երրորդում դա պարզապես որոշ է: օբյեկտ, որը փոխանակվում է երկու պրոտոնների միջև։ Այս կասկադը կա, իրական է, բայց գործընթացի որ հատվածին պետք է վերագրել, կախված է հղման շրջանակից:

Պրոտոնի 3D դիմանկար

Բոլոր արդյունքները, որոնց մասին մենք հենց նոր խոսեցինք, հիմնված էին բավականին վաղուց՝ անցյալ դարի 60–70-ական թվականներին կատարված փորձերի վրա։ Թվում էր, որ այդ ժամանակվանից ամեն ինչ պետք է ուսումնասիրված լիներ, և բոլոր հարցերը պետք է գտնեին իրենց պատասխանները։ Բայց ոչ, պրոտոնային սարքը դեռ մնում է ամենաշատերից մեկը հետաքրքիր թեմաներմասնիկների ֆիզիկայում։ Ավելին, վերջին տարիներին դրա նկատմամբ հետաքրքրությունը կրկին աճել է, քանի որ ֆիզիկոսները պարզել են, թե ինչպես կարելի է ստանալ արագ շարժվող պրոտոնի «եռաչափ» դիմանկարը, որը պարզվեց, որ շատ ավելի դժվար է, քան անշարժ պրոտոնի դիմանկարը:

Պրոտոնի բախումների վերաբերյալ դասական փորձերը պատմում են միայն պարտոնների քանակի և դրանց էներգիայի բաշխման մասին։ Նման փորձարկումներում պարտոնները մասնակցում են որպես անկախ առարկաներ, ինչը նշանակում է, որ նրանցից հնարավոր չէ պարզել, թե ինչպես են պարտոնները գտնվում միմյանց համեմատ կամ ինչպես են դրանք գումարվում պրոտոնին: Կարելի է ասել, որ երկար ժամանակ ֆիզիկոսներին հասանելի էր միայն արագ շարժվող պրոտոնի «միաչափ» դիմանկարը։

Պրոտոնի իրական, եռաչափ դիմանկարը կառուցելու և տարածության մեջ պարտոնների բաշխումը պարզելու համար պահանջվում են շատ ավելի նուրբ փորձեր, քան հնարավոր էին 40 տարի առաջ: Ֆիզիկոսները սովորել են նման փորձեր կատարել բոլորովին վերջերս՝ բառացիորեն վերջին տասնամյակում։ Նրանք հասկացան, որ հսկայական թվով տարբեր ռեակցիաների մեջ, որոնք տեղի են ունենում, երբ էլեկտրոնը բախվում է պրոտոնին, կա մեկ հատուկ ռեակցիա. խորը վիրտուալ Compton ցրում, - որը մեզ կարող է պատմել պրոտոնի եռաչափ կառուցվածքի մասին։

Ընդհանուր առմամբ, Կոմպտոնի ցրումը կամ Կոմպտոնի էֆեկտը ֆոտոնի առաձգական բախումն է մասնիկի, օրինակ՝ պրոտոնի հետ։ Կարծես թե ֆոտոն է գալիս, կլանում է պրոտոնը, որը կարճ ժամանակով անցնում է գրգռված վիճակի, այնուհետև վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին՝ ֆոտոն արձակելով ինչ-որ ուղղությամբ։

Սովորական լուսային ֆոտոնների կոմպտոնի ցրումը ոչ մի հետաքրքիր բանի չի հանգեցնում. դա պարզապես պրոտոնից լույսի արտացոլումն է: «Խաղի մեջ մտնելու» համար ներքին կառուցվածքըպրոտոնը և «զգացել» է քվարկների բաշխումը, անհրաժեշտ է շատ օգտագործել ֆոտոններ բարձր էներգիա- միլիարդավոր անգամ ավելի, քան սովորական լույսի ներքո: Եվ հենց այդպիսի ֆոտոնները, թեկուզ վիրտուալ, հեշտությամբ գեներացվում են պատահական էլեկտրոնի կողմից: Եթե ​​հիմա միավորենք մեկը մյուսի հետ, կստանանք խորը վիրտուալ Compton ցրում (նկ. 5):

Այս ռեակցիայի հիմնական առանձնահատկությունն այն է, որ այն չի ոչնչացնում պրոտոնը։ Միջադեպի ֆոտոնը ոչ միայն հարվածում է պրոտոնին, այլ, այսպես ասած, զգուշորեն զգում է այն և հետո թռչում։ Այն ուղղությունը, որով նա հեռանում է, և պրոտոնի էներգիայի որ մասն է վերցնում նրանից, կախված է պրոտոնի կառուցվածքից, նրա ներսում գտնվող պարտոնների հարաբերական դիրքից: Ահա թե ինչու, ուսումնասիրելով այս գործընթացը, հնարավոր է վերականգնել պրոտոնի եռաչափ տեսքը, կարծես «նորաձևել նրա քանդակը»։

Ճիշտ է, դա շատ դժվար է անել փորձարար ֆիզիկոսը։ Պահանջվող գործընթացը բավականին հազվադեպ է տեղի ունենում, և դժվար է այն գրանցել: Այս ռեակցիայի վերաբերյալ առաջին փորձարարական տվյալները ստացվել են միայն 2001 թվականին Համբուրգի գերմանական DESY արագացուցիչային համալիրի HERA արագացուցչում: տվյալների նոր շարքն այժմ մշակվում է փորձարարների կողմից: Այնուամենայնիվ, արդեն այսօր, հիմնվելով առաջին տվյալների վրա, տեսաբանները պրոտոնում գծում են քվարկների և գլյուոնների եռաչափ բաշխումներ։ Ֆիզիկական քանակություն, որի մասին ֆիզիկոսները նախկինում միայն ենթադրություններ էին անում, վերջապես սկսեցին «առաջանալ» փորձից։

Մեզ սպասողներ կա՞ն։ անսպասելի բացահայտումներայս տարածքում? Հավանական է, որ այո։ Պատկերացնելու համար ասենք, որ 2008 թվականի նոյեմբերին հայտնվեց մի հետաքրքիր տեսական հոդված, որտեղ ասվում է, որ արագ շարժվող պրոտոնը չպետք է նմանվի հարթ սկավառակի, այլ երկգոգավոր ոսպնյակի։ Դա տեղի է ունենում այն ​​պատճառով, որ պրոտոնի կենտրոնական հատվածում նստած պարտոններն ավելի ուժեղ են սեղմվում երկայնական ուղղությամբ, քան եզրերին նստած պարտոնները: Շատ հետաքրքիր կլիներ փորձարկել այս տեսական կանխատեսումները։

Ինչո՞ւ է այս ամենը հետաքրքիր ֆիզիկոսների համար:

Ինչո՞ւ են ֆիզիկոսներին անհրաժեշտ նույնիսկ հստակ իմանալ, թե ինչպես է նյութը բաշխված պրոտոնների և նեյտրոնների ներսում:

Նախ՝ դա է պահանջում ֆիզիկայի զարգացման բուն տրամաբանությունը։ Աշխարհում շատ զարմանալի բաներ կան բարդ համակարգեր, որին ժամանակակից տեսական ֆիզիկան դեռ լիովին չի կարողանում հաղթահարել։ Հադրոնները այդպիսի համակարգերից են։ Հասկանալով հադրոնների կառուցվածքը՝ մենք հղկում ենք մեր ունակությունները տեսական ֆիզիկա, որը կարող է պարզվել, որ ունիվերսալ է և, հավանաբար, կօգնի բոլորովին այլ բանում, օրինակ՝ գերհաղորդիչների կամ անսովոր հատկություններով այլ նյութերի ուսումնասիրության մեջ։

Երկրորդ, կա ուղղակի օգուտ միջուկային ֆիզիկա. Չնայած ատոմային միջուկների ուսումնասիրման գրեթե հարյուրամյա պատմությանը, տեսաբանները դեռևս չգիտեն պրոտոնների և նեյտրոնների փոխազդեցության ճշգրիտ օրենքը։

Նրանք պետք է գուշակեն այս օրենքը մասամբ հիմնվելով փորձարարական տվյալների վրա, մասամբ կառուցեն՝ հիմնվելով նուկլոնների կառուցվածքի մասին գիտելիքների վրա: Հենց այստեղ կօգնեն նոր տվյալները նուկլոնների եռաչափ կառուցվածքի վերաբերյալ։

Երրորդ, մի քանի տարի առաջ ֆիզիկոսները կարողացան ստանալ ոչ պակաս, քան նորը ֆիզիկական վիճակնյութեր - քվարկ-գլյուոնային պլազմա: Այս վիճակում քվարկները չեն նստում առանձին պրոտոնների և նեյտրոնների ներսում, այլ ազատորեն քայլում են միջուկային նյութի ողջ զանգվածով: Դրան կարելի է հասնել, օրինակ, այսպես. ծանր միջուկները արագացուցչում արագանում են լույսի արագությանը շատ մոտ արագությամբ, իսկ հետո ճակատ-ճակատի բախվում են: Այս բախման ժամանակ շատ կարճ ժամանակով առաջանում է տրիլիոն աստիճանի ջերմաստիճան, որը միջուկները հալեցնում է քվարկ-գլյուոնային պլազմայի։ Այսպիսով, պարզվում է, որ այս միջուկային հալման տեսական հաշվարկները պահանջում են նուկլոնների եռաչափ կառուցվածքի լավ իմացություն։

Ի վերջո, այս տվյալները շատ անհրաժեշտ են աստղաֆիզիկայի համար։ Երբ ծանր աստղերպայթում են իրենց կյանքի վերջում՝ հաճախ իրենց հետևում թողնելով չափազանց կոմպակտ առարկաներ՝ նեյտրոնային և, հնարավոր է, քվարկ աստղեր: Այս աստղերի միջուկն ամբողջությամբ բաղկացած է նեյտրոններից, և գուցե նույնիսկ սառը քվարկ-գլյուոնային պլազմայից։ Նման աստղերը վաղուց են հայտնաբերվել, սակայն կարելի է միայն կռահել, թե ինչ է կատարվում նրանց ներսում։ Այսպիսով, քվարկների բաշխման լավ ըմբռնումը կարող է հանգեցնել աստղաֆիզիկայի առաջընթացի: