Kompositt del av proton 5 bokstaver scanword. Proton er en elementær partikkel. Andre bevis på en kompleks protonstruktur

• Overføre

Fig. 1: Hydrogenatom. Ikke på skala.

Du vet at den store Hadron Collider hovedsakelig er engasjert i det faktum at protonene kommer over hverandre. Men hva er proton?

Først av alt, den forferdelige og fullstendig forvirringen. Så langt som det stygge og kaotiske, så langt som det elegante, hydrogenatomet.

Men hva er da et hydrogenatom?

den det enkleste eksempelet Det faktum at fysikere kalles en "bundet tilstand". "Status", faktisk betyr en bestemt ting som eksisterer ganske lang, og den "relaterte" betyr at komponentene er forbundet med hverandre, som om ektefeller er gift. Faktisk er et eksempel på et ektepar, hvor en ektefelle er mye vanskeligere enn den andre, passer den veldig bra her. Protonen sitter i midten, knapt beveger seg, og elektronen beveger seg langs objektets kanter, beveger seg raskere enn deg og meg, men mye tregere enn lysets hastighet, universell hastighetsgrense. Fredelig bilde av ekteskap idyll.

Eller det virker så mens vi ikke ser på protonen selv. Siden av protonen selv er mer minner om kommunen, hvor mange idle voksne og barn er tett beliggenhet: rent kaos. Dette er også en relatert tilstand, men det binder ikke noe enkelt, som en proton med en elektron, som i hydrogen, eller i det minste et par dusin elektroner med en atomkjerne, som i mer komplekse atomer av typen gull - men Ukonsekvent mengde (det vil si deres for mye og de forandrer seg for fort, slik at de kan beregnes praktisk talt) lette partikler kalt kvarker, antikviteter og gluoner. Det er umulig å bare beskrive protonens struktur, tegne enkle bilder - det er ekstremt uorganisert. Alle kvarker, gluoner, antikviteter, beveger seg inne med høyest mulig hastighet, nesten i lysets hastighet.

Fig. 2: Protonbilde. Tenk deg at alle kvarker (øvre, nedre, merkelige - U, D, S), Antiquarka (U, D, S med skjermbilder), og Gluons (G) vil falle der og her nesten i lysets hastighet, står overfor hverandre , vises og forsvinner

Du kan høre at protonet består av tre kvarker. Men denne løgnen er god, men fortsatt ganske stor. Faktisk er det en fin mengde gluoner, antikviteter og kvarker i protonen. Standardreduksjonen "Proton består av to øvre kvarker og en lavere quark" foreslår bare at i protonen på de to øvre quarts mer enn de øvre antikvitetene, og en lavere kvark er større enn de nedre antikviteter. For at denne reduksjonen skal være trofast, er det nødvendig å legge til IT "og ytterligere inkonsekvente mengder av gluoner og et par Quark Antiquarian". Uten denne setningen vil ideen om protonet være så forenklet at tanken vil være helt umulig å forstå arbeidet.

Fig. 3: Lite løgner til fordel på et stereotypisk bilde fra Wikipedia

Generelt er atomer i forhold til protoner ligner på Pa-de de i den utsøkte balletten sammenlignet med et diskotek fylt med drukket tenåringer, hopping og masherisme DJ.

Det er derfor, hvis du er en teoretiker som prøver å forstå at en tank vil se i kollisjoner av protoner, vil det være vanskelig for deg. Det er svært vanskelig å forutsi resultatene av kollisjoner av objekter som ikke kan beskrives. enkel måte. Men heldigvis siden 1970-tallet, basert på ideene om Bjerkeren fra 60-tallet, fant teoretikers fysikk relativt enkel og arbeidsteknologi. Men det virker fortsatt til visse grenser, med en nøyaktighet på ca 10%. For dette og andre grunner er påliteligheten av våre beregninger på tanken alltid begrenset.

En annen detalj om protonen - han er liten. Virkelig liten. Hvis du blomstrer hydrogenatomet til størrelsen på soverommet ditt, vil protonen være størrelsen på et så lite støvgripende at det vil være svært vanskelig å legge merke til. Nøyaktig, protonen er så liten, vi kan ignorere kaoset kreativt inne i det, som beskriver hydrogenatomet så enkelt. Nærmere bestemt er protonstørrelsen 100.000 ganger mindre enn størrelsen på hydrogenatomet.

Til sammenligning er solens størrelse bare 3000 ganger mindre enn størrelsen på solsystemet (hvis du teller Neptune Orbit). Dette er akkurat det som er mer tomt i atomet enn i Solsystemet! Husk det når du ser på himmelen om natten.

Men du kan spørre: "Secrets! Hevder du at en stor Hadron Collider på en eller annen måte møter protoner som har 100.000 ganger mindre enn atomet? Hvordan er det mulig? "

Et utmerket spørsmål.

Kollisjoner av protoner mot mini-sammenstøt av kvarker, gluoner og antikviteter

Kollisjonene til protonene på tanken forekommer med en viss energi. Det var 7 TEV \u003d 7000 GEV i 2011, og 8 TEV \u003d 8000 GEV i 2012. Men spesialister i partikler fysikk er hovedsakelig interessante kollisjoner av kvark av en proton med antikviteter i en annen proton, eller kollisjoner av to gluoner etc. - Hva kan føre til fremveksten av et virkelig nytt fysisk fenomen. Disse minikollisjonene har en liten andel av den samlede energien til kollisjonen av protoner. Hvor mye mesteparten av denne energien kan de tolerere, og hvorfor var det nødvendig å øke kollisjonsenergien fra 7 TEV til 8 TEV?

Svaret er i fig. 4. Diagrammet viser antall kollisjoner som er registrert i Atlas Detector. Data fra sommeren 2011 deltar spredning av kvarker, antikviteter og glugoner fra andre kvarker, antikviteter og glugoner. Slike minikollisjoner produserer oftest to jetfly (jets av hadroner, manifestasjoner av høy-energi kvarker, gluoner eller antikviteter, banket ut av foreldreprotoner). Mål energier og anvisninger av Jets, og fra disse dataene bestem mengden energi som burde vært involvert i en minikollisjon. Diagrammet viser antall minikollisjoner av denne typen som en funksjon av energi. Vertikal akse logaritmisk - Hver chestka angir en økning i mengden 10 ganger (10 n betegner 1 og n nuller etter den). For eksempel var antall minikollisjoner observert i rekkevidden av energi fra 1550 til 1650 GEV ca. 10 3 \u003d 1000 (merket med blå linjer). Vær oppmerksom på at timeplanen begynner med energi i 750 GEV, men antall minikollisjoner fortsetter å vokse hvis du lærer Jeta med mindre energier, frem til det øyeblikket når jets blir for svake til å kaste dem.

Fig. 4: Antall kollisjoner som en funksjon av energi (M JJ)

Legg merke til at det totale antallet kollisjoner Proton-proton med energi i 7 TEV \u003d 7000 GEV nærmet seg 100.000.000.000.000. Og fra alle disse sammenstøtene overgikk bare to mini-sammenstøt en 3500 GEV-mark - halvparten av kollisjonsenergien til protoner. Teoretisk sett kan minikollisjonenergien øke til 7000 GEV, men sannsynligheten for dette faller hele tiden. Vi ser sjelden minikollisjonen med energien på 6000 GEV, som er usannsynlig å se energien på 7000 GEV, selv om de samler 100 ganger flere data.

Hva er fordelene med å øke kollisjonsenergien fra 7 TEV i 2010-2011 til 8 TEV i 2012? Tydeligvis, nå hva du kan gjøre på Energy E-nivået, nå kan du gjøre på energinivået i 8/7 E ≈ 1,14 E. Så, hvis du først kunne håpes å se i et slikt antall av disse funksjonene til en viss Type hypotetisk partikkel med veiing 1000 GEV / C 2, nå kan du håpe å oppnå minst 1100 GEV / C 2 med samme datasett. Maskinens muligheter øker - du kan søke etter partikler litt større masse. Og hvis du i 2012 får tre ganger flere data enn i 2011, vil du få et større antall kollisjoner for hvert nivå av energi, og du kan se tegn på en hypotetisk partikkelmasse, innrømme, 1200 GEV / C2.

Men det er ikke alt. Se på de blå og grønne linjene i fig. 4: De viser at de forekommer på energiene på ca 1400 og 1600 GEVs - slik som korrelerte med hverandre, som 7 til 8. På nivået av energikollisjonen av protoner i 7 TEV, antall mini-collies av kvarker med kvarker, kvarker med gluoner, etc. P. Med energien på 1400 GEV mer enn dobbelt så mange kollisjoner med energi i 1600 GEV. Men når maskinen øker energien med 8/7, hva som ble utført for 1400, begynner å bli utført for 1600. Med andre ord, hvis du er interessert i minikollisjoner av fast energi, vokser deres nummer - og mye mer enn 14 % av veksten av kollisjonens energiprotoner! Dette betyr at for enhver prosess med foretrukket energi, la oss si, utseendet på Higgs lette partikler som oppstår på energiene i størrelsesorden 100-200 GEV, får du mer resultat for de samme pengene. Veksten fra 7 til 8 TEV betyr at for samme mengde protoner kollisjoner får du flere Higgs partikler. Produksjonen av Higgs partikler vil øke med ca. 1,5. Antall øvre kvarker og visse typer hypotetiske partikler vil øke litt.

Dette betyr at selv om antallet kollisjoner av protoner i 2012 økte 3 ganger i forhold til 2011, vil det totale antallet Higgs partikler øke nesten 4 ganger rett og slett på grunn av en økning i energi.

Forresten, fig. 4 viser også at protonene ikke bare består av to øvre kvarker og en lavere, som vist i type figurer. 3. Hvis de var slik, ville kvarkene måtte tåle om en tredjedel av protonens energi, og de fleste av mini-sammenstøtene ville passere med energiene i den tredje delen av protonene i samspillet: i Region av 2300 GEV. Men på planen er det klart at i området med 2300 GEV ikke noe spesielt skjer. Med energier mindre enn 2300 GEV, er det mye mer kollisjoner, og den nedre du går ned, jo flere kollisjoner du ser. Alt fordi protonen inneholder et stort antall glugoner, kvarker og antikviteter, som hver overfører den lille delen av protonenergien, men det er så mange av dem at de er involvert i det store antallet mini-sammenstøt. Dette er en protonegenskap og vist i fig. 2 - Selv om antallet lavenergi-gluoner og Quark-antikvarriske paret er mye større enn vist i figuren.

Men dette er hva planen ikke viser, så det er en brøkdel som, med mini-sammenstøt med visse energi, faller på kollisjonen av kvarker med kvarker, kvarker med glugoner, gluoner med glugoner, kvarker med antikviteter, etc. Faktisk, direkte fra forsøkene på tanken til dette og kan ikke sies - Jets fra Quarks, antikviteter og gluoner ser like ut. Fra hvor vi vet at disse fraksjonene er en vanskelig historie, inkluderer den mange forskjellige tidligere eksperimenter og kombinerer deres teori. Og herfra vet vi at mini-sammenstøtene til de høyeste energiene vanligvis oppstår fra kvarker med kvarker og kvarker med glugon. Kollisjoner på lave energier oppstår vanligvis mellom gluoner. Kollisjonene av kvarker og antikviteter forekommer relativt sjelden, men de er svært viktige for visse fysiske prosesser.

Fordeling av partikler inne i protonet

Fig. fem

To grafer som varierer i omfanget av den vertikale aksen, viser den relative sannsynligheten for en kollisjon med en gluon, øvre eller nedre kvark, eller en antikvarisk som bærer propenenergien som er lik x. På små X dominerer gluoner (og kvarker og antikviteter som er likeverdige og mange, selv om de fortsatt er mindre enn gluene), og med gjennomsnittlig X dominerer kvarkene (selv om de er ekstremt små).

Begge grafikkene demonstrerer det samme, bare med en annen skala, så det som er vanskelig å se på en av dem, er lettere å vurdere på den andre. Og de viser hva: Hvis en protonbjelke flyr på deg i en stor Hadron Collider, og du treffer noe i protonen, hvor sannsynlig er at du treffer øvre kvarken, eller lavere kvark eller gluon, eller øvre antikvariske eller lavere antikanske bærer en protonenergi som er lik x? Fra disse grafene kan du gjøre det:

Fra det faktum at alle kurver blir svært raskt voksende i liten x (synlig i det nedre diagrammet), følger det at de fleste partiklene i protonoverføringer mindre enn 10% (x< 0,1) энергии протона, и вероятность столкнуться с частицей, переносящей мало энергии, гораздо больше вероятности столкнуться с частицей, переносящей много. При этом, 10% - не так уж и мало. В 2012 году лучи на БАК достигали энергий в 4 ТэВ, поэтому 10% означало 400 ГэВ. При этом для того, чтобы создать частицу хиггса энергией 124 ГэВ из двух глюонов требуется всего 62 ГэВ на глюон.
Fra det faktum at den gule kurven (bunnen) er mye høyere enn resten, følger det at hvis du opplever noe som bærer mindre enn 10% av protonenergien, så er det mest sannsynlig en gluon; Og faller under 2% av protonenergien, er det lik sannsynligheten for kvarker eller antikvarr.
Fra det faktum at den gråtekurven (øverst) faller under kurvene til kvarker med økende x, følger det at hvis du opplever noe som overfører mer enn 20% (x\u003e 0,2) protonenergien - hva skjer veldig, veldig sjelden - Denne mest sannsynlige kvarken, mens sannsynligheten er at den øvre kvarken er dobbelt så mye mer sannsynlig at den er lavere kvark. Dette er restene av ideen om at "Proton er to toppkvark og en lavere".
Alle kurver med økende x skarpt høst; Det er svært lite sannsynlig at du kommer over noe som bærer mer enn 50% av protonenergien.

Disse observasjonene er uunnværlig reflektert i grafen med fig. 4. Her er et annet par ikke-åpenbare ting om to diagrammer:
Det meste av protonenergien er delt (omtrent det samme) mellom en liten mengde høy-energi kvarker og en stor mengde lavenergi gluoner.
Blant partiklene i form av mengder domineres av lavenergisglogen, og kvarkene og antikmarkene i svært lave energier kommer allerede.

Antall kvarker og antikviteter er stort, men: Det totale antall øvre kvarker minus Det totale antall øvre antikviteter er lik to, og det totale antallet lavere kvarker minus totalt antall lavere antikviteter er lik en. Som vi har sett over, overfører ekstra Quarks håndverket (men ikke den viktigste) delen av protonenergien som flyr på deg. Og bare i denne forstand kan det sies at protonet hovedsakelig består av to øvre kvarker og en lavere.

Forresten ble all denne informasjonen oppnådd fra en spennende kombinasjon av eksperimenter (hovedsakelig av spredning av elektroner eller neutrinos fra protoner eller med atomkjerner av tungt hydrogen-deuterium som inneholdt en proton og en nøytron) samlet sammen med detaljerte ligninger som beskriver elektromagnetisk, sterk nukleare og svake nukleare interaksjoner. Denne lange historien strekker seg fra slutten av 1960-tallet og tidlig på 1970-tallet. Og det fungerer perfekt for prediksjonen av fenomener observert i kolliderer, hvor protoner står overfor protoner og protoner med antiprotoner - som Tevatron og Tank.

Andre bevis på en kompleks protonstruktur

La oss se på noen data som er oppnådd på tanken, og hvordan de bekrefter uttalelsene om protonens struktur (selv om den nåværende forståelsen av protonen allerede har vist seg 3-4 tiår siden, på grunn av de mange eksperimenter).

Tidsplan i fig. 4 mottatt fra observasjoner av kollisjoner, i prosessen som noe som vist på fig. 6: Quark eller antikvarisk eller gluon av en proton står overfor en kvark eller antikvarisk eller gluon av en annen proton, spredt fra den (eller noe mer komplisert for eksempel - for eksempel to gluoner ansikt og blir til en kvark og antikvarisk), noe som resulterer i en kvark og antikvarisk), noe som resulterer i to partikler (kvarker, antikviteter eller gluoner) vekk fra kollisjonspunktet. De to av disse partiklene blir til stråle (stråler). Jetsenergi og retning er observert i partikkeldetektorer som omgir kollisjonspunktet. Denne informasjonen brukes til å forstå hvor mye energi som ble inneholdt i kollisjonen av to innledende kvarker / gluoner / antikvarmer. Nærmere bestemt gir den invariant masse av to jetfly, multiplisert med C 2, en energi av kollisjonen av to innledende kvarker / gluoner / antikviteter.

Fig. 6.

Antall kollisjoner av denne typen, avhengig av energien som er gitt i fig. 4. Det faktum at ved lav energi er antall kollisjoner mye mer, bekrefter det faktum at de fleste partiklene inne i protonet overfører bare en liten andel av sin energi. Dataene begynner med energier på 750 GEV.

Fig. 7: Data for lavere energier tatt fra et mindre datasett. Dijet masse er den samme som M JJ i fig. fire.

Data for fig. 7 Tatt fra CMS-eksperimentet fra 2010, som de bygde et kollisjonskart over kjøtt til 220 GEV energier. En tidsplan er bygget ikke en rekke kollisjoner, men litt vanskeligere: antall kollisjoner for GEV, det vil si antall kollisjoner er delt inn i bredden på histogramkolonnen. Det kan ses at den samme effekten fortsetter å jobbe på hele dataområdet. Kollisjoner som de som er avbildet i fig. 6, ved lave energier, er det mye mer enn høyt. Og denne mengden fortsetter å vokse så lenge det ikke lenger er mulig å skille mellom jets. Protonen inneholder mange lave energikartikler, og få av dem har en konkret andel av sin energi.

Hva med tilstedeværelsen i protonet av antikviteter? Tre av de mest interessante prosessene som ikke ligner kollisjonen som er avbildet i fig. 6, noen ganger foregår på tanken (i en av flere millioner kollisjoner Proton Proton) inkluderer prosessen:

Quark + Antiquarian -\u003e W +, W - eller Z-partikkel.

De er vist i fig. åtte.

Fig. åtte

Tilsvarende data fra CMS er gitt i fig. 9 og 10. Fig. 9 viser at antall kollisjoner som følge av hvilken en elektron eller positron vises (venstre) og noe unødig (sannsynligvis neutrino eller antineutrino), eller muon og antimuon (høyre), forutsatt riktig. Prediksjon er laget av kombinasjon Standard modell (ligninger forutsetter oppførselen til kjente elementære partikler) og protonstrukturene. Store datatoppene oppstår på grunn av utseendet av partikler W og Z. Teorien er perfekt sammenfalt med dataene.

Fig. 9: Svarte prikker - data, gul - spådommer. Antall hendelser er angitt i tusenvis. Til venstre: Den sentrale toppen vises på grunn av neutrinos i partiklene W. LEPTON og antileton som vises til høyre, vises i kollisjonen, og innebærer massen av partikkelen de dukket opp. Peak vises på grunn av de resulterende partiklene Z.

Flere detaljer kan ses i fig. 10, hvor det er vist at teorien i form av ikke bare de angitte, men også mange dimensjoner forbundet med dem - de fleste er forbundet med sammenstøt av kvarker med antikviteter - perfekt sammenfaller med dataene. Dataene (røde prikker) og teorien (blå segmenter) sammenfaller aldri på grunn av statistiske svingninger, av samme grunn til at du, ti ganger kaster en mynt, ikke mottar fem "eagles" og fem "kart". Data-dataene er derfor plassert i "Feilbåndet", vertikale røde striper. Bandets størrelse er at for 30% målinger må feilstripen grense med teorien, og bare for 5% av målingene, må den forsvare teorien i to band. Det kan ses at alt bevis bekrefter at protonet inneholder mange antikviteter. Og vi forstår riktig antall antikviteter som bærer en viss andel av protonenergien.

Fig. 10.

Videre er alt mer komplisert. Vi vet selv hvor mye vi har øvre og nedre kvarker, avhengig av energiportabelen, siden den er ordentlig spådd - med en feil på mindre enn 10% - hvor mye partikler W + oppnås mer enn partikler W - (figur 11).

Fig. elleve

Forholdet mellom øvre antikviteter til den nedre skal være nær 1, men de øvre kvarker skal være større enn det nedre, spesielt ved høye energier. I fig. 6 Det kan ses at forholdet mellom de oppnådde partikler W + og W skal omtrent gi oss forholdet mellom de øvre kvarts og nedre kvarker som er involvert i produksjonen av partikler W. Men i fig. 11 Det kan ses at det målte forholdet mellom partiklene W + til W er 3 til 2, og ikke 2 til 1. Dette viser også at den naive ideen til protonet, som bestående av to toppkvarker og en nedre kvark er for forenklet. Et forenklet forhold på 2 til 1 er uskarpt fordi protonet inneholder et flertall av kvark-antikanske par, hvorav den øvre og nedre er omtrent like likeverdige. Graden av uskarphet er bestemt av massen av partikkelen W i 80 GEV. Hvis det er lettere å gjøre det, vil uskarphet være mer, og hvis det er vanskeligere - mindre, siden de fleste parene Kvark-Anti-Kark i protonen overfører liten energi.

Til slutt, la oss bekrefte det faktum at de fleste partiklene i protonen er fornøyelser.

Fig. 12.

For å gjøre dette, vil vi bruke det faktum at de øvre kvartene kan opprettes på to måter: Quark + Antiquarian -\u003e Upper Quark + Øvre Antikvarianer eller Gluon + Gluon -\u003e Upper Quark + Øvre Antikvarianer (Fig. 12). Vi kjenner antall kvarker og antikviteter avhengig av energibasert energi basert på målinger som er illustrert i fig. 9-11. Basert på dette er det mulig å bruke ligningene til en standard modell for å forutsi hvor mye de øvre kvarkerene vil være fra kollisjoner bare kvarker og antikvarmer. Vi vurderer også på grunnlag av tidligere data som i Logons proton er mer, derfor bør prosessen med gluon + gluon -\u003e den øvre kvarken + den øvre antikvarriske flyte minst 5 ganger oftere. Lett å sjekke om det er gluoner der; Hvis de ikke er, skal dataene ligge mye mer av teoretiske spådommer.
glasioner legger til tagger

Nedenfor er alle grunnleggende partikler på fem bokstaver. Hver av definisjonene gitt en kort beskrivelse.

Hvis du har noe å legge til, så under til din tjeneste - kommentarskjemaet der du kan uttrykke din mening eller supplere artikkelen.

Liste over elementære partikler

Photon.

Det er en kvantum av elektromagnetisk stråling, for eksempel på lys. Lyset er i sin tur et fenomen som består av lyse strømmer. Photon er en elementær partikkel. Photon er en nøytral ladning og null masse. Spin Photon. lik enhet. Foton overfører elektromagnetisk samhandling mellom ladede partikler. Begrepet Photon skjedde fra greske Phos, som betyr lys.

Phonon.

Det er en quasipartikkel, kvantum av elastiske oscillasjoner og forskyvninger av atomer og molekyler av krystallgitteret fra likevektsposisjonen. I krystallinske gitter, interagerer atomer og molekyler stadig, deler med hverandre energi. I denne forbindelse, å studere i dem, er fenomenene som ligner på oscillasjonene til individuelle atomer nesten umulig. Derfor er diskriminerende svingninger i atomer tatt betraktet av typen av fordeling lydbølger, inne i krystallgitteret. Quantas av disse bølgene er fonons. Begrepet Phonon skjedde fra den greske telefonlyden.

Face.

Fluentens fase, det er en quasipartikkel, som er en eksitasjon i legeringer, eller i et annet heterophasesystem, som danner en ladet partikkel, for eksempel en elektron, en potensiell grop (ferromagnetisk område), og fanger det.

Roton.

Det er en quasipartikkel, som tilsvarer den grunnleggende eksitasjonen i Superfluid-heliumet, i området med store impulser forbundet med forekomsten av vortexbevegelsen i superfluid-væsken. Roton, oversatt fra latinske midler - roterende, passform. Rotonen manifesterer seg ved en temperatur på større 0,6k og bestemmer temperaturavhengige egenskaper av varmekapasitet, slik som entropi av normal tetthet og andre.

Meson.

Det er en ustabil ikke-elementær partikkel. Meson er en tung elektron i kosmiske stråler.
Vekten av mesonen er større enn elektronens masse og mindre enn protonens masse.

Mesons har et jevnt antall kvarker og antikviteter. Mesons inkluderer pioner, kyr og andre tunge mesoner.

Kvark

Det er en elementær partikkel av materie, men så langt bare hypotetisk. Quarks er vanlige for å ringe seks partikler og deres antipartikler (antikviteter), som igjen utgjør en gruppe spesielle eleskepartikler av hadroner.

Det antas at partikler som deltar i sterke interaksjoner, som protoner, neuroner og noen andre består av fast blant de tilkoblede kvarkene. Quarks eksisterer stadig i ulike kombinasjoner. Det er en teori som kvarker kan eksistere i en fri form, i de første øyeblikkene etter en stor eksplosjon.

Gluar

Elementær partikkel. Ifølge en av teoriene om glugon, er kvarkene limt sammen, de i sin tur danner slike partikler som protoner og nevroner. Generelt er fornøyelsene de minste partiklene som danner materie.

Boson.

Boson-quasiparticle eller bose partikkel. Bosonen har en null eller heltall spinn verdi. Navnet er gitt til ære for fysikken i Schhenendranata Bose. Bosonen er preget av det faktum at et ubegrenset beløp kan ha samme kvante tilstand.

Herron

Hellron er en elementær partikkel som ikke er virkelig elementær. Den består av kvarker, antikviteter og glugoner. Hellon har ikke fargekostnad, og deltar i sterk samhandling, inkludert atomkraft. Begrepet hei, fra gresk adros - betyr en stor, massiv.

Studere strukturen av stoffet, fysikere lærte av hvilke atomer ble laget, kom til atomkjernen og splittet den på protoner og nøytroner. Alle disse trinnene ble gitt ganske enkelt - det var bare nødvendig å spredte partiklene til ønsket energi, for å presse dem med hverandre, og så fallet de selv fra hverandre.

Men med protoner og nøytroner, passerer et slikt triks ikke lenger. Selv om de er sammensatte partikler, kan de ikke "bryte inn i deler" i noen annen sterk kollisjon. Derfor trengte fysikere tiår for å komme opp med forskjellige måter å se inne i protonet, se enheten og formen. I dag er studiet av protonstrukturen en av de mest aktive områdene i fysikken til elementære partikler.

Naturen gir hint

Historien om å studere strukturen av protoner og nøytroner stammer fra 1930-tallet. Når nøytroner ble oppdaget i tillegg til protoner (1932), da, da, måle deres masse, ble fysikere overrasket over at det var veldig nært til protonens masse. Videre viste det seg at protoner og nøytroner "føler" kjernefysisk interaksjon er nøyaktig på samme måte. Så det samme at proton og nøytron kan betraktes som om to manifestasjoner av samme partikkel - nukleon: protonet er et elektronisk ladet nukleon, og nøytronet er et nøytralt nukleon. Endre protoner på nøytroner - og atomkrefter (nesten) vil ikke legge merke til noe.

Fysikk Denne naturens egenskap er uttrykt som symmetri - kjernefysisk interaksjon symmetrisk i forhold til utskifting av protoner på nøytroner, akkurat som en sommerfuglsymmetrisk om erstatningen av venstre til høyre. Denne symmetrien, bortsett fra at hun spilte en viktig rolle i atomfysikk, var faktisk det første hintet som nukler hadde en interessant indre struktur. Sant, så, i 30-tallet, skjønte fysikken ikke dette hintet.

Forståelsen kom senere. Det begynte med det faktum at i 1940-50-tallet i reaksjonene i kollisjonene av protoner med kjernene av ulike elementer, ble forskere overrasket over alle nye og nye partikler. Ikke-protoner, ikke nøytroner, ikke åpne av tiden Pi-Mesons, som holder nukler i kjerner, og noen helt nye partikler. Med alt sitt mangfold har disse nye partiklene to vanlige egenskaper. Først deltok de, så vel som nukleoner, veldig villig i kjernefysiske interaksjoner - nå kalles slike partikler adrones. Og for det andre var de utelukkende ustabile. Den mest ustabile av dem desintegrerer på andre partikler i bare trillionsandelen av nanosekunder, som ikke har tid til å fly selv til størrelsen på atomkjernen!

I lang tid var "dyrehagen" av hadrons en fullstendig forbønn fra seg selv. På slutten av 1950-tallet lærte fysikken allerede ganske mange forskjellige typer hadroner, de begynte å sammenligne dem med hverandre og så plutselig noen generell symmetri, selv frekvensen av deres egenskaper. Et gjetning ble uttrykt at i alle hadrons (inkludert nukler), sitter noen enkle gjenstander, som ble kalt "Quarks". Kombinere kvarker på forskjellige måter, kan du få forskjellige hadroner, og det er nettopp denne typen som og med slike egenskaper som ble funnet i forsøket.

Hva gjør proton proton?

Etter at fysikere åpnet kvarkenheten av hadroner og lærte at kvarkene er flere forskjellige varianter, ble det klart at mange forskjellige partikler kan bygges fra kvarker. Så ingen ble overrasket da etterfølgende eksperimenter fortsatte en etter en annen å finne nye hadroner. Men blant alle hadrons, en hel familie av partikler som består, akkurat som en proton, bare fra to u.Creamers og en d.- Sveising. Single "counterparter" proton. Og her sov fysikere en overraskelse.

La oss først lage en enkel observasjon. Hvis vi har flere elementer som består av identiske "murstein", inneholder tyngre elementer mer "murstein" og lettere - mindre. Dette er et veldig naturlig prinsipp som kan kalles prinsippet om kombinasjon eller overbygningsprinsippet, og det utføres perfekt som i hverdagenog i fysikk. Det er til og med manifestert i enheten av atomkjerner - tross alt, tyngre kjerner bare består av mer Protoner og nøytroner.

Men på nivået av kvarker, virker dette prinsippet ikke i det hele tatt, og må være tilstilt, fysikere har ennå ikke fullt ut funnet ut hvorfor. Det viser seg at alvorlige proton-kolleger også består av de samme kvarkene som protonen, selv om de er en og en halv, eller enda dobbelt så mye som protonen. De varierer fra protonen (og varierer i hverandre) sammensetningog gjensidig plasseringkvarker, i hvilken tilstand disse kvarkene er i forhold til hverandre. Det er nok å endre den gjensidig posisjonen av kvarker - og vi fra protonet vil vi få en annen, merkbart mer alvorlig, partikkel.

Og hva vil skje hvis de fortsatt tar og samler sammen mer enn tre kvarker? Vil den nye tunge partikkelarbeidet? Overraskende vil det ikke fungere - Quarks vil bryte de tre og bli til flere spredte partikler. Av en eller annen grunn liker naturen "ikke" å kombinere mange kvarker i en hel! Bare ganske nylig, bokstavelig talt i i fjorHintene begynte å vises på det faktum at noen overfylte partikler fortsatt eksisterer, men det understreker bare hvordan naturen ikke liker dem.

Fra denne kombinatorikken følges en svært viktig og dyp konklusjon - massen av bunken danner ikke i det hele tatt fra kvarkens masse. Men hvis masse av adrononen kan økes eller reduseres ved å bare huske komponentene i sine murstein, betyr det at de ikke er i alle kvarkene selv er ansvarlige for hadrons masse. Og i følgende eksperimenter var det mulig å finne ut at kvarkens masse bare er omtrent to prosent av protonens masse, og resten av alvorlighetsgraden oppstår på grunn av kraftfeltet (spesielle partikler samsvarer med IT - GUONS), tilkobling av kvark sammen. Ved å endre den gjensidige plassering av kvarker, for eksempel, flytte dem bort fra hverandre, endrer vi således gluonskyen, vi gjør det mer massivt, noe som øker mengden av adrononet (figur 1).

Hva skjer i en rask flygende proton?

Alt som er beskrevet ovenfor, gjelder en stasjonær proton, på språkens språk - dette er en proton-enhet i restenssystemet. Men i forsøket ble protonstrukturen først oppdaget under andre forhold - inne raskt flyr Proton.

På slutten av 1960-tallet, i forsøkene på kollisjonen av partikler på akseleratorer, ble det observert at protonflygende protoner oppførte seg som om energien i dem ikke ble distribuert jevnt, men konsentrert i separate kompakte gjenstander. Disse bunner av stoffer i protoner berømt fysiker Richard Feynman tilbød å ringe partoner(fra engelsk del -del).

I etterfølgende eksperimenter ble mange av partonsegenskapene studert - for eksempel deres elektriske ladning, deres antall og andel av protonenergien, som hver av dem bærer. Det viser seg at faste parter er kvarker, og nøytrale parotons er gluoner. Ja, de samme glugonene, som i Protons hvile systemet bare "serveres" kvarker, tiltrekker dem til hverandre, er nå uavhengige parter og sammen med kvarker er "substans" og energien til en rask flygende proton. Eksperimenter har vist at omtrent halvparten av energien lagres i kvarker, og halvt i gluoner.

Deler er mest hensiktsmessige å studere i kollisjonen av protoner med elektroner. Faktum er at i motsetning til protonet deltar elektronen ikke i sterke nukleare interaksjoner, og hans kollisjon med en proton ser ganske enkelt ut: elektronen er på kort tid tømmes en virtuell foton som krasjer i en ladet parton og genererer til slutt stort antall Partikler (figur 2). Det kan sies at elektronen er en utmerket skalpell for "åpningen" av protonen og dividere den i separate deler - sannheten er bare i svært kort tid. Å vite hvor ofte slike prosesser på akseleratoren oppstår, kan du måle antall partoner inne i protonen og deres kostnader.

Hvem er partiene egentlig?

Og her kommer vi til en annen slående funn, som gjorde fysikere, studerte kollisjonene av elementære partikler ved høye energier.

Under normale forhold, spørsmålet om hvilke dette eller det elementet er å ha en universell respons for alle referansesystemer. For eksempel består vannmolekylet av to hydrogenatomer og ett oksygenatom - og det spiller ingen rolle om vi ser på et fast eller bevegelig molekyl. Men denne regelen - det virker, så naturlig! - Det er svekket hvis det kommer til elementære partikler som beveger seg med hastigheter i nærheten av lysets hastighet. I ett referansesystem kan den komplekse partikkelen bestå av ett rekrutteringssett, og i et annet referansesystem - fra det andre. Viser seg det sammensetning - konseptet av relativ!

Hvordan kan dette være? Nøkkelen her er en viktig eiendom: Antallet partikler i vår verden er ikke løst - partiklene kan bli født og forsvinne. For eksempel, hvis du går sammen to elektroner med en tilstrekkelig stor energi, så i tillegg til disse to elektronene, enten en foton eller et elektron-positron par, eller andre partikler kan bli født. Alt dette er tillatt av kvantelover, dette er akkurat det som skjer i ekte eksperimenter.

Men denne "loven om avvikelse" av partikler jobber i kollisjonerpartikler. Men hvordan det viser seg at den samme protonen med forskjellige poeng Se ser ut som en annen oppringing av partikler? Faktum er at protonet ikke bare er tre kvarts foldet sammen. Det er et Power Gluon-felt mellom kvarker. Generelt er kraftfeltet (som for eksempel et gravitasjons- eller elektrisk felt) en slags materiale "enhet", som gjennomsyrer plassen og tillater partikler å ha en kraftpåvirkning på hverandre. I kvanteteori Feltet består også av partikler, men fra spesielle - virtuelle. Antallet av disse partiklene er ikke løst, de stadig "budge" fra kvarker og absorberes av andre kvarker.

Hvilerproton kan virkelig forestilles som tre kvarts, mellom hvilke gluene hopper. Men hvis du ser på samme proton fra et annet referansesystem, som om fra vinduet som går forbi "relativistiske toget", så vil vi se et helt annet bilde. De virtuelle glugonene som limte kvarker sammen, vil virke mindre virtuelle, "mer ekte" partikler. Selvfølgelig er de fortsatt født og absorbert av kvarker, men samtidig lever de på seg selv i en stund, de flyr langs kvarkene, som ekte partikler. Det som ser ut som et enkelt strømfelt i ett referansesystem blir til et annet system i en partikkelstrøm! Legg merke til, protonen selv, samtidig som vi ikke berører, men bare se på det fra et annet referansesystem.

Dessuten. Jo nærmere hastigheten på vårt "relativistiske tog" til lysets hastighet, det mer overraskende bildet i protonet vi vil se. Når du nærmer deg lysets hastighet, merker vi at glidelås i protonet blir mer og mer. Dessuten splittes de noen ganger i Quark-anti-coaching par, som også flyr nær og betraktes også som parter. Som et resultat, er den ultrarelativistiske proton, dvs. protonen som beveger seg på oss med en hastighet, svært nær lysets hastighet, vises i form av interpenetrerende skyer av kvarker, antikviteter og gluoner som flyr sammen og som det var støtte hverandre (Fig. 3).

Leseren kjent med relativitetsteorien kan være bekymret. All fysikk er basert på prinsippet om at enhver prosess fortsetter likt i alle inertial referansesystemer. Og her viser det seg at proton-sammensetningen avhenger av referansesystemet som vi observerer det?!

Ja, det er veien, men dette bryter ikke prinsippet om relativitet. Resultatene av fysiske prosesser - for eksempel, hvilke partikler og hvor mange som er født som følge av kollisjonen - er faktisk invariant, selv om proton-sammensetningen avhenger av referansesystemet.

Denne uvanlige ved første øyekast, men å tilfredsstille alle fysikkloven, er situasjonen skjematisk illustrert i figur 4. Her er det vist hvordan kollisjonen av to protoner med høy energi ser på forskjellige referansesystemer: i systemet til en proton, i Systemsentralsystemet, i resten av resten av den andre protonen. Samspillet mellom protonene utføres gjennom kaskaden av splitting av gluoner, men bare i ett tilfelle, denne kaskaden betraktes som "innsiden" av en proton, i et annet tilfelle, en del av en annen proton, og i den tredje er det bare en Enkelte gjenstand som utveksles to protoner. Denne kaskaden eksisterer, det er ekte, men til hvilken del av prosessen må den tilskrives - avhenger av referansesystemet.

Tredimensjonalt portrett av proton

Alle resultater, som vi bare fortalte, var basert på eksperimenter laget i ganske lang tid - på 60-70-tallet i forrige århundre. Det ser ut til at siden da skal alt bli studert og alle spørsmålene skal finne svarene sine. Men nei - protonenheten er fortsatt et av de mest interessante emnene i fysikken til elementære partikler. Videre, de siste årene har interessen i den økt igjen, fordi fysikere forstår hvordan man får et "tredimensjonalt" portrett av en rask bevegelige proton, som viste seg for å være mye vanskeligere enn et portrett av en fast proton.

Klassiske eksperimenter på kollisjonen av protoner blir bare fortalt om antall partoner og deres energidistribusjon. I slike eksperimenter deltar partoner som uavhengige gjenstander, noe som betyr at de ikke kan bli funnet som partoner som er plassert i forhold til hverandre, akkurat hvordan de legger til protonen. Det kan sies at i lang tid hadde fysikerne bare "endimensjonalt" portrett av en rask flygende proton.

For å bygge et ekte, tredimensjonalt, protonportrett og lære partonfordelingen i rommet, kreves mye mer subtile eksperimenter enn de som har vært mulige for 40 år siden. Slike eksperimenter av fysikere har lært å sette ganske nylig, bokstavelig talt i det siste tiåret. De innså at blant de store antallet forskjellige reaksjoner som oppstår når en elektronskollisjon med en proton, er det en spesiell reaksjon - dyp virtuell compton scattering, - som vil kunne fortelle om den tredimensjonale protonstrukturen.

Generelt kalles Compton-spredning, eller effekten av ComponTon, en elastisk kollisjon av en foton med litt partikkel, for eksempel med en proton. Det ser slik ut: Fotonet kommer, absorberes av protonen, som blir en spennende tilstand i en kort stund, og deretter vender tilbake til den opprinnelige tilstanden, og avgir Photon i en eller annen retning.

Compton scattering av vanlige lyse fotoner gjør ikke noe interessant - det er en enkel refleksjon av lys fra protonen. For å "gå inn i spillet" intern struktur Proton og "følte" kvarkfordeling, det er nødvendig å bruke fotoner veldig stor energi - Milliarder av ganger mer enn i det vanlige lyset. Og bare slike fotoner er sanne, virtuelle - genererer lett en spylelektron. Hvis du nå kombinerer en med en annen, så vil det vise seg dype virtuelle datamaskiner, spredning (figur 5).

Hovedfunksjonen i denne reaksjonen er at den ikke ødelegger protonen. Den blomstrende fotonen er ikke bare rammer protonen, og som om de nøler ham forsiktig og så flyr bort. Hvilken måte han flyr og hvilken del av sin energi velger protonet, avhenger av protonenheten, fra partiets gjensidig plassering inne i den. Det er derfor å studere denne prosessen, du kan gjenopprette protonens tredimensjonale utseende, som om å "kutte sin skulptur".

Sann, for fysikk, gjør eksperimentet det veldig vanskelig. Den ønskede prosessen er ganske sjelden, og det er vanskelig å registrere det. De første eksperimentelle dataene i denne reaksjonen ble kun oppnådd i 2001 på Hera-akseleratoren i det tyske akseleratorkomplekset Desy i Hamburg; En ny dataserie er nå behandlet av eksperimenter. Men i dag, på grunnlag av de første dataene, tegner teoretikerne tredimensjonale distribusjoner av kvarker og gluoner i protonen. Fysisk mengde, om hvilke fysikere som brukes til å bygge bare forutsetninger, begynte endelig å "appellere" fra forsøket.

Venter du på uventede funn i dette området? Det er sannsynlig at ja. Som en illustrasjon, la oss si at i november 2008 var det en interessant teoretisk artikkel der det hevdes at en rask flygende proton burde ha form av en ikke-flat disk, men en bynget linse. Så det viser seg at partonene som sitter i det sentrale protonområdet, er sterkere i lengderetningen enn partnene som sitter på kantene. Det ville være veldig interessant å sjekke disse teoretiske spådommene eksperimentelt!

Hvorfor er alt dette interessant for fysikere?

Hvorfor trenger ikke fysikere å vite nøyaktig hvordan stoffet er fordelt inne i protoner og nøytroner?

Først krever dette logikken til fysikk. Det er mange fantastiske i verden komplekse systemerSom moderne teoretisk fysikk ikke kan takle. Hadrons er et av disse systemene. Snakker med enhetens enhet, bruker vi evnen teoretisk fysikkSom kan vel være universell og kan hjelpe til med noe helt i andre, for eksempel når du studerer superledere eller andre materialer med uvanlige egenskaper.

For det andre er det umiddelbar fordel for nuclear Physics.. Til tross for det nesten et århundre studiet av atomkjernene, vet teoretikere fortsatt ikke den nøyaktige loven om samhandling av protoner og nøytroner.

De står for denne loven delvis å gjette, basert på eksperimentelle data, delvis design på grunnlag av kunnskap om nukleons struktur. Dette vil også hjelpe nye data om den tredimensjonale enheten av nukleoner.

For det tredje, for noen år siden klarte fysikere å få ingen ny ny tilstand av aggregering Stoffer - en Quark gluon plasma. I en slik tilstand sitter kvarkene ikke inne i individuelle protoner og nøytroner, og kjernefysisk stoff går fritt gjennom hele gjengen. Det kan for eksempel oppnås, som dette: tunge kjerner akselerere i en akselerator for hastighet, svært nær lysets hastighet, og deretter møte pannen. I denne kollisjonen, på svært kort tid, oppstår en temperatur på trillioner av grader, som smelter kjernen i en Quark Gluon Plasma. Så det viser seg at de teoretiske beregningene i denne kjernefysiske smelten krever god kunnskap om den tredimensjonale enheten av nukler.

Endelig er disse dataene svært nødvendige for astrofysikk. Når tunge stjerner De eksploderer på slutten av livet, forblir de ofte ekstremt kompakte objekter - nøytron og muligens kvarkstjerner. Kjernen i disse stjernene består helt av nøytroner, og kanskje til og med fra et kaldt Quark-gluon plasma. Slike stjerner har lenge vært oppdaget, men hva skjer med dem inni - du kan bare gjette. Så en god forståelse av kvarkfordelinger kan føre til fremgang og astrofysikk.