Складова частина протона 5 букв сканворд. Протон - це елементарна частинка. Інші докази складної структури протона

• Переклад

Мал. 1: атом водню. Без зміни масштабу.

Ви знаєте, що Великий адронний коллайдер в основному займається тим, що зіштовхує один з одним протони. Але що таке протон?

В першу чергу - жахлива і повна плутанина. Настільки ж потворна і хаотична, наскільки простий і елегантний атом водню.

Але що тоді таке атом водню?

це найпростіший приклад того, що фізики називають «пов'язаним станом». «Стан», по суті, означає якусь штуку, існуючу досить довгий час, а «пов'язане» означає, що її компоненти пов'язані один з одним, ніби подружжя у шлюбі. Насправді, приклад подружньої пари, в якій один чоловік набагато важче іншого, сюди дуже добре підходить. Протон сидить в центрі, ледь рухаючись, а по краях об'єкта рухається електрон, рухається швидше, ніж ви і я, але набагато повільніше швидкості світла, загального швидкісного обмеження. Мирний образ шлюбної ідилії.

Або він здається таким, поки ми не заглянемо в сам протон. Нутрощі самого протона більше нагадують комуну, де щільно розташовано безліч неодружених дорослих і дітей: чистий хаос. Це теж пов'язане стан, але пов'язує воно не щось просте, на зразок протона з електроном, як у водні, або хоча б кілька десятків електронів з атомним ядром, як в більш складних атомах типу золота - але незліченна кількість (тобто, їх занадто багато і вони занадто швидко змінюються, щоб їх можна було підрахувати практично) легковажних частинок під назвою кварки, антикварки і глюони. Неможливо просто описати структуру протона, намалювати прості малюнки - він надзвичайно дезорганізований. Всі кварки, глюони, антикварки, метушаться всередині з максимально можливою швидкістю, майже зі швидкістю світла.

Мал. 2: Зображення протона. Уявіть, що всі кварки (верхній, нижній, дивний - u, d, s), антикварки (u, d, s з рискою), і глюони (g) снують туди-сюди майже зі швидкістю світла, стикаються один з одним, з'являються і зникають

Ви могли чути, що протон складається з трьох кварків. Але це брехня - на благо, але все ж досить велика. Насправді в протоні існує незліченна кількість глюонів, антикварків і кварків. Стандартне скорочення «протон складається з двох верхніх кварків і одного нижнього кварка» просто говорить про те, що в протоні на два верхніх кварка більше, ніж верхніх антикварків, і на один нижній кварк більше, ніж нижніх антикварків. Щоб це скорочення стало вірним, необхідно додавати до нього «і ще незліченні кількості глюонів і пар кварк-антікварк». Без цієї фрази уявлення про протоні буде настільки спрощеним, що зрозуміти роботу ВАК буде абсолютно неможливо.

Мал. 3: Маленька брехня на благо на стереотипному зображенні з Вікіпедії

Загалом, атоми в порівнянні з протонами схожі на па-де-де у вишуканому балеті в порівнянні з дискотекою, заповненої п'яними підлітками, стрибучими і махають діджею.

Саме тому, якщо ви - теоретик, який намагається зрозуміти, що побачить БАК в зіткненнях протонів, вам буде складно. Дуже складно прогнозувати результати зіткнень об'єктів, які не можна описати простим способом. Але, на щастя, з 1970-х років, на основі ідей Бьyoркена з 60-х, фізики-теоретики знайшли відносно просту і робочу технологію. Але вона все ж працює до певних меж, з точністю близько 10%. З цієї та деяких інших причин надійність наших підрахунків на БАК завжди обмежена.

Ще одна деталь з приводу протона - він крихітний. Реально крихітний. Якщо роздути атом водню до розмірів вашої спальні, протон буде розміром з таку маленьку крихту пилу, що її буде дуже важко помітити. Саме тому, що протон настільки малий, ми можемо ігнорувати діється всередині нього хаос, описуючи атом водню як простий. Точніше, розмір протона в 100000 разів менше розміру атома водню.

Для порівняння, розмір Сонця всього в 3000 разів менше розміру Сонячної системи (якщо вважати по орбіті Нептуна). Саме так - в атомі більш порожньо, ніж в сонячній системі! Згадуйте про це, коли дивитеся на небо вночі.

Але ви можете запитати: «Секундочку! Ви стверджуєте, що Великий адронний коллайдер якось зіштовхує протони, що мають в 100000 разів менші розміри, ніж атом? Так як це взагалі можливо? »

Відмінний питання.

Зіткнення протонів проти міні-зіткнень кварків, глюонів і антикварків

Зіткнення протонів на ВАК відбуваються з певною енергією. Це було 7 ТеВ \u003d 7000 ГеВ в 2011 році, і 8 ТеВ \u003d 8000 ГеВ в 2012-му. Але фахівцям з фізики частинок в основному цікаві зіткнення кварка одного протона з антікварком іншого протона, або зіткненнях двох глюонів, і т.п. - то, що може привести до появи по-справжньому нового фізичного явища. Ці міні-зіткнення несуть в собі малу частку загальної енергії зіткнення протонів. Наскільки велику частину цієї енергії вони можуть переносити, і навіщо потрібно було збільшувати енергію зіткнень з 7 ТеВ до 8 ТеВ?

Відповідь - на рис. 4. На графіку показано кількість зіткнень, зафіксованих в детекторі ATLAS. В даних від літа 2011 року беруть участь розсіювання кварків, антикварків і глюонів з інших кварків, антикварків і глюонів. Такі міні-зіткнення найчастіше виробляють два джета (струменя адронів, прояви високоенергетичних кварків, глюонів або антикварків, вибитих з батьківських протонів). Вимірюють енергії і напрямки джетів, і з цих даних визначають кількість енергії, яке повинно було брати участь в міні-зіткненні. На графіку показано кількість міні-зіткнень такого типу у вигляді функції енергії. Вертикальна вісь логарифмічна - кожна рисочка позначає збільшення кількості в 10 разів (10 n позначає 1 і n нулів після нього). Наприклад, кількість міні-зіткнень спостережуваних в проміжку енергій від 1550 до 1650 ГеВ дорівнювало близько 10 3 \u003d 1000 (відзначено блакитними лініями). Врахуйте, що графік починається з енергії в 750 ГеВ, але кількість міні-зіткнень продовжує рости, якщо ви вивчаєте джети з меншими енергіями, аж до моменту, коли джети стають занадто слабкими, щоб їх засікти.

Мал. 4: кількість зіткнень як функція енергії (m jj)

Врахуйте, що загальна кількість зіткнень протон-протон з енергією в 7 ТеВ \u003d 7000 ГеВ наблизилася до 100 000 000 000 000. І з усіх цих зіткнень тільки два міні-зіткнення перевищили оцінку 3500 ГеВ - половину енергії зіткнення протонів. Теоретично енергія міні-зіткнення може зрости до 7000 ГеВ, але ймовірність цього весь час падає. Ми настільки рідко бачимо міні-зіткнення з енергією 6000 ГеВ, що навряд чи побачимо енергію в 7000 ГеВ, навіть якщо зберемо в 100 разів більше даних.

У чому ж переваги підвищення енергії зіткнення від 7 ТеВ в 2010-2011 роках до 8 ТеВ в 2012-му? Очевидно, що тепер те, що ви могли робити на рівні енергії E, тепер ви можете зробити на рівні енергії в 8/7 E ≈ 1.14 E. Так що, якщо раніше можна було сподіватися побачити в такій кількості даних ознаки певного типу гіпотетичної частинки з масою в 1000 ГеВ / с 2, то тепер можна сподіватися досягти як мінімум 1100 ГеВ / с 2 з тим же набором даних. Можливості машини зростають - можна шукати частки трохи більшої маси. А якщо в 2012 році ви наберете в три рази більше даних, ніж в 2011-му, ви отримаєте більше число зіткнень для кожного рівня енергії, і зможете побачити ознаки гіпотетичної частинки масою, припустимо, 1200 ГеВ / с 2.

Але це ще не все. Подивіться на блакитну і зелену лінії на рис. 4: вони показують, що відбуваються на енергіях близько 1400 і 1600 ГеВ - таких, що співвідносяться один з одним, як 7 до 8. На рівні енергії зіткнення протонів в 7 ТеВ кількість міні-зіткнень кварків з кварками, кварків з глюонами і т. п. з енергією 1400 ГеВ більш ніж в два рази перевищує кількість зіткнень з енергією в 1600 ГеВ. Але коли машина збільшує енергію на 8/7, то, що виконувалося для 1400, починає виконуватися для 1600. Інакше кажучи, якщо вас цікавлять міні-зіткнення фіксованою енергії, їх кількість зростає - і набагато більше, ніж 14% зростання енергії зіткнення протонів! Це означає, що для будь-якого процесу з кращою енергією, припустимо, появи легких частинок Хіггса, яке відбувається на енергіях близько 100-200 ГеВ, ви отримуєте більше результату за ті ж гроші. Зростання з 7 до 8 ТеВ означає, що для того ж кількості зіткнень протонів ви отримуєте більше частинок Хіггса. Виробництво частинок Хіггса збільшиться приблизно на 1,5. Кількість верхніх кварків і певних типів гіпотетичних частинок збільшиться трохи сильніше.

Це означає, що хоча в 2012 році кількість зіткнень протонів збільшено в 3 рази в порівнянні з 2011-м, загальна кількість отриманих частинок Хіггса збільшиться майже в 4 рази просто через збільшення енергії.

До речі, рис. 4 також доводить, що протони не перебувають просто з двох верхніх кварків і одного нижнього, як зображують на малюнках типу рис. 3. Якби вони були такими, тоді кварки повинні були б переносити близько третини енергії протонів, і велика частина міні-зіткнень проходила б з енергіями близько третини від енергії зіткнення протонів: в районі 2300 ГеВ. Але на графіку видно, що в районі 2300 ГеВ нічого особливого не відбувається. З енергіями менше 2300 ГеВ відбувається набагато більше зіткнень, і чим нижче ви спускаєтеся, тим більше зіткнень бачите. Все через те, що в протоні міститься величезна кількість глюонів, кварків і антикварків, кожен з яких переносить малу частину енергії протона, але їх так багато, що вони беруть участь у величезній кількості міні-зіткнень. Це властивість протона і показано на рис. 2 - хоча насправді кількість низькоенергетичних глюонів і пар кварк-антікварк набагато більше, ніж зображено на малюнку.

Але ось чого графік не показує, так це частки, які при міні-зіткненнях з певною енергією припадають на зіткнення кварків з кварками, кварків з глюонами, глюонів з глюонами, кварків з антикварки, і т.д. Насправді, безпосередньо з експериментів на ВАК цього і не можна сказати - джети від кварків, антикварків і глюонів виглядають однаково. Звідки нам відомі ці частки - це історія складна, в неї входять безліч різних минулих експериментів і комбінує їх теорія. І звідси нам відомо, що міні-зіткнення найвищих енергій зазвичай відбуваються у кварків з кварками і у кварків з глюонами. Зіткнення на низьких енергіях зазвичай відбуваються між глюонами. Зіткнення кварків і антикварків відбуваються відносно рідко, але вони дуже важливі для певних фізичних процесів.

Розподіл часток всередині протона

Мал. 5

Два графіка, що відрізняються масштабом вертикальної осі, показують відносну ймовірність зіткнення з глюонів, верхнім або нижнім кварком, або антікварком, переносить частку енергії протона, що дорівнює x. При малих x домінують глюони (а кварки і антикварки стають рівноімовірними і численними, хоча їх все одно менше, ніж глюонів), а при середніх x домінують кварки (хоча їх стає вкрай мало).

Обидва графіка демонструють одне і те ж, просто з різним масштабом, тому те, що складно побачити на одному з них, простіше розглянути на іншому. А показують вони ось що: якщо у Великому адронному колайдері на вас летить протонний промінь, і ви вдаряє по чому-небудь всередині протона, наскільки ймовірним є те, що ви вдарите верхній кварк, або нижній кварк, або глюон, або верхній антікварк, або нижній антікварк, що переносить частку енергії протона, що дорівнює x? З цих графіків можна винести, що:

З того, що всі криві дуже швидко ростуть при малих x (видно на нижньому графіку), випливає, що велика частина часток в протоні переносить менше 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.
З того, що жовта крива (знизу) набагато вище за інших, слід, що якщо ви зіткнулися з чимось, що переносить менше 10% енергії протона, то це, швидше за все, глюон; а опустившись нижче 2% енергії протона це з однаковою ймовірністю будуть кварки або антикварки.
З того, що крива глюони (вгорі) опускається нижче кривих кварків при збільшенні х, слід, що якщо ви зіткнулися з чимось, що переносить більше 20% (x\u003e 0,2) енергії протона - що буває дуже, дуже рідко - це , швидше за все, кварк, при цьому ймовірність того, що це верхній кварк, в два рази більше ймовірності, що це нижній кварк. Це залишки ідеї, що «протон - це два верхніх кварка і один нижній».
Всі криві зі збільшенням х різко падають; дуже малоймовірно, що ви зіткнетеся з чим-небудь, що переносить більше 50% енергії протона.

Ці спостереження непрямим чином відображаються на графіку з рис. 4. Ось ще пара неочевидних речей з приводу двох графіків:
Велика частина енергії протона ділиться (приблизно однаково) між невеликою кількістю високоенергетичних кварків і величезною кількістю низькоенергетичних глюонів.
Серед частинок за кількістю переважають низькоенергетичні глюони, а за ними вже йдуть кварки і антикварки дуже низьких енергій.

Кількість кварків і антикварків величезне, але: загальна кількість верхніх кварків за вирахуванням загальної кількості верхніх антикварків дорівнює двом, а загальна кількість нижніх кварків за вирахуванням загальної кількості нижніх антикварків, дорівнює одному. Як ми бачили вище, зайві кварки переносять відчутну (але не основну) частина енергії протона, що летить на вас. І тільки в цьому сенсі можна сказати, що протон в основному складається з двох верхніх кварків і одного нижнього.

До речі, вся ця інформація була отримана з захоплюючою комбінації експериментів (в основному з розсіювання електронів або нейтрино з протонів або з атомних ядер важкого водню - дейтерію, що містить один протон і один нейтрон), зібраних разом за допомогою докладних рівнянь, що описують електромагнітні, сильні ядерні і слабкі ядерні взаємодії. Ця довга історія тягнеться з кінця 1960-х і початку 1970-х. І вона прекрасно працює для передбачення явищ, які спостерігаються в коллайдерах, де стикаються протони з протонами і протони з антипротонами - таких, як Теватрон і БАК.

Інші докази складної структури протона

Давайте подивимося на деякі дані, отримані на ВАК, і то, як вони підтверджують твердження про будову протона (хоча поточне розуміння протона з'явилося вже 3-4 десятиліття тому, завдяки безлічі експериментів).

Графік на рис. 4 отримано з спостережень за зіткненнями, в процесі яких відбувається щось на зразок зображеного на рис. 6: кварк або антікварк або глюон одного протона стикаються з кварком або антікварком або глюонів іншого протона, розсіюються з нього (або відбувається щось більш складне - наприклад, два глюони стикаються і перетворюються в кварк і антикварк), в результаті чого дві частинки (кварки, антикварки або глюони) розлітаються від точки зіткнення. Дві цих частки перетворюються в джети (струменя адронів). Енергія і напрямок джетів спостерігаються в детекторах часток, що оточують точку зіткнення. Ця інформація використовується, щоб зрозуміти, скільки енергії містилося в зіткненні двох початкових кварків / глюонів / антикварків. Точніше кажучи, інваріантна маса двох джетів, помножена на c 2, дає енергію зіткнення двох початкових кварків / глюонів / антикварків.

Мал. 6

Кількість зіткнень такого типу в залежності від енергії дано на рис. 4. Те, що на низьких енергіях кількість зіткнень набагато більше, підтверджує той факт, що більша частина частинок усередині протона переносить тільки малу частку його енергії. Дані починаються з енергій в 750 ГеВ.

Мал. 7: дані для більш низьких енергій, взяті з меншого набору даних. Dijet mass - то ж, що m jj на рис. 4.

Дані для рис. 7 взяті з експерименту CMS від 2010 року, на якому вони будували графік зіткнень плоть до енергій в 220 ГеВ. Тут побудований графік не кількості зіткнень, а трохи складніше: кількості зіткнень на ГеВ, тобто кількість зіткнень поділено на ширинустовпця гістограми. Видно, що той же самий ефект продовжує працювати на всьому діапазоні даних. Зіткнень типу тих, що зображені на рис. 6, при низьких енергіях відбувається набагато більше, ніж при високих. І ця кількість продовжує зростати до тих пір, поки вже неможливо стає розрізняти джети. У протоні міститься дуже багато низькоенергетичних частинок, і мало які з них переносять відчутну частку його енергії.

Що щодо наявності в протоні антикварків? Три з найцікавіших процесів, не схожих на зіткнення, зображене на рис. 6, іноді відбуваються на БАК (в одному з декількох мільйонів зіткнень протон-протон) включають процес:

Кварк + антікварк -\u003e W +, W - або Z-частинка.

Вони показані на рис. 8.

Мал. 8

Відповідні дані з CMS дані на рис. 9 і 10. Рис. 9 показує, що кількість зіткнень, в результаті яких з'являється електрон або позитрон (зліва) і щось невиявний (ймовірно, нейтрино або антинейтрино), або ж мюон і антимюонів (праворуч), передбачено правильно. Передбачення робиться комбінуванням стандартної Моделі (Рівнянь, які пророкують поведінку відомих елементарних частинок) і структури протона. Великі піки даних виникають через появу частинок W і Z. Теорія прекрасно збігається з даними.

Мал. 9: чорні точки - дані, жовте - передбачення. Кількість подій зазначено в тисячах. Зліва: центральний пік з'являється через нейтрино в частинках W. Справа комбінуються лептон і антілептон, що з'являються в зіткненні, і мається на увазі маса частинки, з якої вони з'явилися. Пік з'являється через які утворюються частинок Z.

Ще більше деталей можна бачити на рис. 10, де показано, що теорія за кількістю не лише зазначених, а й багатьох пов'язаних з ними вимірювань - більшість з яких пов'язані із зіткненнями кварків з антикварки - прекрасно збігається з даними. Дані (червоні точки) і теорія (сині відрізки) ніколи не збігаються точно через статистичних флуктуацій, з тієї ж причини, по якій ви, десять раз підкинувши монету, не отримаєте обов'язково п'ять «орлів» і п'ять «решек». Тому точки-дані розміщуються в межах «смуги помилки», вертикальної червоної смужки. Розмір смуги такої, що для 30% вимірів смуга помилки повинна межувати з теорією, і всього для 5% вимірів вона повинна відстояти від теорії на дві смуги. Видно, що всі свідчення підтверджують, що в протоні міститься безліч антикварків. І ми правильно розуміємо кількість антикварків, що переносять певну частку енергії протона.

Мал. 10

Далі все трохи складніше. Ми знаємо навіть, скільки у нас є верхніх і нижніх кварків в залежності від яку переносять ними енергії, оскільки правильно передбачаємо - з похибкою менш 10% - наскільки частинок W + виходить більше, ніж частинок W - (рис. 11).

Мал. 11

Співвідношення верхніх антикварків до нижніх має бути близько до 1, але верхніх кварків повинно бути більше, ніж нижніх, особливо при високих енергіях. На рис. 6 можна бачити, що співвідношення виходять частинок W + і W - має приблизно давати нам співвідношення верхніх кварків і нижніх кварків, що беруть участь у виробництві частинок W. Але на рис. 11 видно, що виміряний відношення частинок W + до W - дорівнює 3 до 2, а не 2 до 1. Це теж показує, що наївне уявлення про протоні, як про що складається з двох верхніх кварків і одного нижнього кварка занадто спрощено. Спрощене співвідношення 2 до 1 розмивається, оскільки в протоні міститься безліч пар кварк-антікварк, з яких верхніх і нижніх виходить приблизно порівну. Ступінь розмиття визначається масою частки W в 80 ГеВ. Якщо зробити її легше, розмиття буде більше, а якщо важче - менше, оскільки велика частина пар кварк-антікварк в протоні переносить мало енергії.

Нарешті, давайте підтвердимо той факт, що більша частина частинок в протоні - це глюони.

Мал. 12

Для цього ми будемо використовувати той факт, що верхні кварки можна створити двома способами: кварк + антікварк -\u003e верхній кварк + верхній антікварк, або глюон + глюон -\u003e верхній кварк + верхній антікварк (рис. 12). Ми знаємо кількість кварків і антикварків в залежності від яку переносять ними енергії на основі вимірів, проілюстрованих на рис. 9-11. Виходячи з цього, можна використовувати рівняння Стандартної Моделі для передбачення того, скільки верхніх кварків вийде із зіткнень тільки кварків і антикварків. Також ми вважаємо, на підставі попередніх даних, що в протоні глюонів більше, тому процес глюон + глюон -\u003e верхній кварк + верхній антікварк повинен протікати не менше, ніж в 5 разів частіше. Легко перевірити, чи є там глюони; якщо їх немає, дані повинні лежати набагато нижче теоретичних передбачень.
глюони Додати мітки

Нижче перераховані всі елементарні частинки з п'яти букв. До кожного з визначень дано короткий опис.

Якщо вам є що додати, то нижче до ваших послуг - форма коментування, в якій ви можете висловити свою думку або доповнити статтю.

Список елементарних частинок

Фотон

Являє собою квант електромагнітного випромінювання, наприклад світла. Світло, в свою чергу, це явище, яке складається з потоків світла. Фотон це елементарна частинка. У фотона нейтральний заряд і нульова маса. спін \u200b\u200bфотона дорівнює одиниці. Фотон переносить електромагнітне взаємодія між зарядженими частинками. Термін фотон походить від грецького phos, що означає світло.

фонон

Є квазічастинкою, квантом пружних коливань і зсувів атомів і молекул кристалічної решітки з положення рівноваги. У кристалічних решітках атоми і молекули постійно взаємодіють, ділячись один з одним енергією. У зв'язку з цим, вивчити в них явища, подібні до коливань окремих атомів, практично неможливо. Тому безладні коливання атомів, прийнято розглядають, по типу поширення звукових хвиль, Всередині кристалічної решітки. Квантами цих хвиль і є фонони. Термін фонон походить від грецького phone-звук.

фазон

Фазон флуктуон, це квазічастинки, яка вдає із себе збудження в сплавах, або в інший гетерофазной системі, утворює навколо зарядженої частинки, припустимо електрона, потенційну яму (феромагнітну область), і захоплює його.

Ротон

Є квазічастинкою, яка відповідає елементарному порушення в сверхтекучем гелії, в області великих імпульсів, пов'язане з виникненням вихрового руху в надплинності. Ротон, в перекладі з латинської означає - обертаюся, кручуся. Ротон проявляється при температурі більшій 0,6К і обумовлюють експоненціально залежать від температури властивості теплоємності, такі як ентропія нормальної щільності та інші.

Мезон

Є нестійкою НЕ-елементарною частинкою. Мезон є важким електроном в космічних променях.
Маса мезона більше ніж маса електрона і менше маси протона.

Мезони мають парне число кварків і антикварків. До мезонів відносять Півонії, каонов і інші важкі мезони.

кварк

Є елементарною частинкою матерії, але поки тільки гіпотетично. Кварками прийнято називати шість частинок і їх античастинок (антикварків), які в свою чергу складають групу особливих елементарних частинок адронів.

Вважається, що частинки, які беруть участь в сильних взаємодіях, такі як протони, нейрони і деякі інші складаються з міцно між собою з'єднаних кварків. Кварки постійно існують в різних поєднаннях. Є теорія, що кварки могли існувати у вільному вигляді, в перші моменти після великого вибуху.

глюон

Елементарна частинка. За однією з теорій глюони ніби склеюють кварки, ті в свою чергу утворюють такі частинки як протони і нейрони. У загальному глюони є дрібними частинками, які утворюють матерію.

бозон

Бозон-квазічастинка або бозе-частинок. Бозон має нульове або ціле значення спін. Назва дана на честь фізика Шатьендраната Бозе. Бозон відрізняється тим, що величезна кількість їх можуть мати один і той же квантовий стан.

Адрон

Адрон-це елементарна частинка, яка не є істинно елементарною. Складається з кварків, антикварків і глюонів. Адрон не має колірного заряду, і бере участь в сильній взаємодії, в тому числі і ядерному. Термін Адрон, від грецького adros - означає великий, масивний.

Вивчаючи будову речовини, фізики дізналися, з чого зроблені атоми, дісталися до атомного ядра і розщепили його на протони і нейтрони. Всі ці кроки давалися досить легко - треба було лише розігнати частинки до потрібної енергії, зіштовхнути їх один з одним, і тоді вони самі розвалювалися на складові частини.

А ось з протонами і нейтронами такий трюк уже не пройшов. Хоча вони і є складовими частками, їх не вдається «розламати на частини» ні в якому навіть найсильнішому зіткненні. Тому фізикам потрібно десятиліття для того, щоб придумати різні способи зазирнути всередину протона, побачити його пристрій і форму. В наші дні вивчення структури протона - одна з найактивніших областей фізики елементарних частинок.

Природа дає натяки

Історія вивчення структури протонів і нейтронів бере свій початок з 1930-х років. Коли на додаток до протонів були відкриті нейтрони (1932), то, вимірявши їх масу, фізики з подивом виявили, що вона дуже близька до маси протона. Більш того, виявилося, що протони і нейтрони «відчувають» ядерна взаємодія абсолютно однаковим чином. Настільки однаковим, що, з точки зору ядерних сил, протон і нейтрон можна вважати як би двома проявами однієї і тієї ж частинки - нуклона: протон - це електрично заряджений нуклон, а нейтрон - нейтральний нуклон. Поміняйте протони на нейтрони - і ядерні сили (майже) нічого не помітять.

Фізики це властивість природи висловлюють як симетрію - ядерна взаємодія симетрично щодо заміни протонів на нейтрони, подібно до того як метелик симетрична щодо заміни лівого на праве. Ця симетрія, крім того що вона зіграла важливу роль в ядерній фізиці, була насправді першим натяком на те, що у нуклонів є цікаве внутрішню будову. Правда, тоді, в 30-і роки, фізики цей натяк не усвідомили.

Розуміння прийшло пізніше. Почалося з того, що в 1940-50-і роки в реакціях зіткнення протонів з ядрами різних елементів вчені з подивом виявляли все нові і нові частинки. Чи не протони, які не нейтрони, які не відкриті на той час пі-мезони, які утримують нуклони в ядрах, а якісь зовсім нові частинки. При всьому своєму розмаїтті ці нові частинки володіли двома загальними властивостями. По-перше, вони, так само як і нуклони, дуже охоче брали участь в ядерних взаємодіях - зараз такі частинки називають адронів. А по-друге, вони були виключно нестабільними. Найбільш нестійкі з них розпадалися на інші частинки всього за трильйонну частку наносекунди, не встигнувши пролетіти навіть на розмір атомного ядра!

Довгий час «зоопарк» адронів вдавав із себе повну мішанину. В кінці 1950-х років фізики дізналися вже досить багато різних видів адронів, почали порівнювати їх один з одним і раптом побачили якусь загальну симетричність, навіть періодичність їх властивостей. Була висловлена \u200b\u200bгіпотеза, що всередині всіх адронів (в тому числі і нуклонів) сидять якісь прості об'єкти, які отримали назву «кварки». Комбінуючи кварки різними способами, можна отримувати різні адрони, причому саме такого типу і з такими властивостями, які виявлялися в експерименті.

Що робить протон протоном?

Після того як фізики відкрили кваркову пристрій адронів і дізналися, що кварки бувають декількох різних сортів, стало зрозуміло, що з кварків можна сконструювати багато різних частинок. Так що вже нікого не дивувало, коли наступні експерименти продовжували один за іншим знаходити нові адрони. Але серед усіх адронів виявилося ціле сімейство частинок, що складаються, точно так само як і протон, тільки з двох uкварка і одного dкварка. Такі собі «побратими» протона. І ось тут фізиків підстерігав сюрприз.

Давайте спочатку зробимо одне просте спостереження. Якщо у нас є кілька предметів, що складаються з однакових «цеглинок», то більш важкі предмети містять більше «цеглинок», а більш легкі - менше. Це дуже природний принцип, який можна називати принципом комбінування або принципом надбудови, і він прекрасно виконується як в повсякденному житті, Так і у фізиці. Він проявляється навіть у влаштуванні атомних ядер - адже більш важкі ядра просто складаються з більшого числа протонів і нейтронів.

Однак на рівні кварків цей принцип не працює взагалі, і, треба зізнатися, фізики ще не до кінця розібралися, чому. Виявляється, важкі побратими протона теж складаються з тих же самих кварків, що і протон, хоча вони в півтора, а то і в два рази важче протона. Вони відрізняються від протона (і розрізняються між собою) НЕ складом,а взаємним розташуваннямкварків, тим, в якому стані відносно один одного ці кварки перебувають. Досить змінити взаємне положення кварків - і ми з протона отримаємо іншу, помітно більш важку, частку.

А що буде, якщо все-таки взяти і зібрати разом більше трьох кварків? Чи вийде нова важка частинка? Дивно, але не вийде - кварки розіб'ються по троє і перетворяться в кілька розрізнених часток. Чомусь природа «не любить» об'єднувати багато кварків в одне ціле! Лише зовсім недавно, буквально в останні роки, Стали з'являтися натяки на те, що деякі многокварковие частки все ж існують, але це лише підкреслює, наскільки природа їх не любить.

З цієї комбінаторики слід дуже важливий і глибокий висновок - маса адронів зовсім не складається з маси кварків. Але якщо масу адрону можна збільшити або зменшити простим перекомбінірованієм складових його цеглинок, значить, зовсім не самі кварки відповідальні за масу адронів. І дійсно, в наступних експериментах вдалося дізнатися, що маса самих кварків становить лише близько двох відсотків від маси протона, а вся інша тяжкість виникає за рахунок силового поля (йому відповідають спеціальні частинки - глюони), який зв'язує кварки разом. Змінюючи взаємне розташування кварків, наприклад відсуваючи їх подалі один від одного, ми тим самим змінюємо глюонної хмара, робимо його більш потужним, через що і зростає маса адрону (рис. 1).

Що твориться всередині швидко летить протона?

Все описане вище стосується нерухомого протона, на мові фізиків - це пристрій протона в його системі спокою. Однак в експерименті структура протона була вперше виявлена \u200b\u200bв інших умовах - всередині швидко летить протона.

В кінці 1960-х років в експериментах по зіткненню часток на прискорювачах було помічено, що летять зі швидкістю, близькою протони вели себе так, немов енергія всередині них не розподілена рівномірно, а сконцентрована в окремих компактних об'єктах. Ці згустки речовини всередині протонів знаменитий фізик Річард Фейнман запропонував називати партон(Від англійського part -частина).

У наступних експериментах були вивчені багато властивостей партонов - наприклад, їх електричний заряд, їх кількість і частка енергії протона, яку кожен з них несе. Виявляється, заряджені Партон - це кварки, а нейтральні Партон - це глюони. Так-так, ті самі глюони, які в системі спокою протона просто «прислуговували» кварків, притягаючи їх один до одного, тепер є самостійними Партон і поряд з кварками несуть «речовина» і енергію швидко летить протона. Досліди показали, що приблизно половина енергії запасена в кварках, а половина - в глюонів.

Партон найзручніше вивчати в зіткненні протонів з електронами. Справа в тому, що, на відміну від протона, електрон не бере участі в сильних ядерних взаємодіях і його зіткнення з протоном виглядає вельми просто: електрон на дуже короткий час випускає віртуальний фотон, який врізається в заряджений Партон і породжує в кінці кінців велике число частинок (рис. 2). Можна сказати, що електрон є відмінним скальпелем для «розтину» протона і поділу його на окремі частини - правда, лише на дуже короткий час. Знаючи, як часто відбуваються такі процеси на прискорювачі, можна виміряти кількість партонов всередині протона і їх заряди.

Хто такі Партон насправді?

І тут ми підходимо до ще одного вражаючого відкриття, яке зробили фізики, вивчаючи зіткнення елементарних частинок при високих енергіях.

У звичайних умовах питання про те, з чого складається той чи інший предмет, має універсальну відповідь для всіх систем відліку. Наприклад, молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню - і не важливо, чи ми на нерухому або на рухому молекулу. Однак це правило - здавалося б, таке природне! - порушується, якщо мова йде про елементарні частинки, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. В одній системі відліку складна частка може складатися з одного набору субчастиц, а в іншій системі відліку - з іншого. Виходить що склад - поняття відносне!

Як таке може бути? Ключовим тут є одна важлива властивість: кількість частинок в нашому світі не фіксоване - частинки можуть народжуватися і зникати. Наприклад, якщо зіштовхнути разом два електрона з досить великою енергією, то на додаток до цих двох електронів може народитися або фотон, або електрон-позитронна пара, або ще якісь частинки. Все це дозволено квантовими законами, саме так і відбувається в реальних експериментах.

Але цей «закон незбереження» частинок працює при зіткненняхчастинок. А як же виходить, що один і той же протон з різних точок зору виглядає що складається з різного набору частинок? Справа в тому, що протон - це не просто три кварка, складені разом. Між кварками існує силове глюонної поле. Взагалі, силове поле (як, наприклад, гравітаційне або електричне поле) - це якась матеріальна «сутність», яка пронизує простір і дозволяє частинкам чинити силовий вплив один на одного. В квантової теорії поле теж складається з частинок, правда з особливих - віртуальних. Кількість цих частинок не фіксоване, вони постійно «відокремлюються» від кварків і поглинаються іншими кварками.

спочиваютьпротон дійсно можна уявити собі як три кварка, між якими перескакують глюони. Але якщо поглянути на той же протон з іншої системи відліку, немов з вікна проїжджаючого повз «релятивистского поїзда», то ми побачимо зовсім іншу картину. Ті віртуальні глюони, які склеювали кварки разом, здадуться вже менш віртуальними, «більш справжніми» частинками. Вони, звичайно, як і раніше народжуються і поглинаються кварками, але при цьому якийсь час живуть самі по собі, летять поруч з кварками, немов справжні частинки. Те, що виглядає простим силовим полем в одній системі відліку, перетворюється в іншій системі в потік частинок! Зауважте, сам протон ми при цьому не чіпаємо, а тільки дивимося на нього з іншої системи відліку.

Далі більше. Чим ближче швидкість нашого «релятивистского поїзда» до швидкості світла, тим більше дивовижну картину всередині протона ми побачимо. У міру наближення до швидкості світла ми зауважимо, що глюонів всередині протона стає все більше і більше. Більш того, вони іноді розщеплюються на кварк-антикваркових пари, які теж летять поруч і теж вважаються Партон. В результаті ультрарелятивістських протон, т. Е. Протон, що рухається щодо нас зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла, постає у вигляді взаимопроникающих хмарок кварків, антикварків і глюонів, які летять разом і як би підтримують один одного (рис. 3).

Читач, знайомий з теорією відносності, може затурбуватися. Вся фізика заснована на тому принципі, що будь-який процес протікає однаково у всіх інерціальних системах відліку. А тут виходить, що склад протона залежить від системи відліку, з якої ми його спостерігаємо ?!

Так, саме так, але це ніяк не порушує принцип відносності. Результати фізичних процесів - наприклад, які частки і скільки народжуються в результаті зіткнення - дійсно виявляються інваріантними, хоча склад протона залежить від системи відліку.

Ця незвичайна на перший погляд, але задовольняє всім законам фізики ситуація схематично проілюстрована на малюнку 4. Тут показано, як зіткнення двох протонів з великою енергією виглядає в різних системах відліку: в системі спокою одного протона, в системі центру мас, в системі спокою іншого протона . Взаємодія між протонами здійснюється через каскад матеріалів, що розщеплюються глюонів, але тільки в одному випадку цей каскад вважається «начинкою» одного протона, в іншому випадку - частиною іншого протона, а в третьому - це просто якийсь об'єкт, яким обмінюються два протона. Цей каскад існує, він реальний, але до якої частини процесу його треба відносити - залежить від системи відліку.

Тривимірний портрет протона

Всі результати, про які ми тільки що розповіли, базувалися на експериментах, виконаних досить давно - в 60-70-х роках минулого століття. Здавалося б, з тих пір все вже повинно бути вивчено і всі питання повинні знайти свої відповіді. Але немає - пристрій протона і раніше залишається однією з найбільш цікавих тем в фізиці елементарних частинок. Більш того, в останні роки інтерес до неї знову зріс, тому що фізики зрозуміли, як отримати «тривимірний» портрет швидко рухається протона, який виявився набагато складніше портрета нерухомого протона.

Класичні експерименти із зіткнення протонів розповідають лише про кількість партонов і їх розподіл по енергії. У таких експериментах Партон беруть участь як незалежні об'єкти, а значить, з них не можна дізнатися, як Партон розташовані один щодо одного, як саме вони складаються в протон. Можна сказати, що довгий час фізикам був доступний лише «одновимірний» портрет швидко летить протона.

Для того щоб побудувати справжній, тривимірний, портрет протона і дізнатися розподіл партонов в просторі, потрібні набагато більш тонкі експерименти, ніж ті, які були можливі 40 років тому. Такі експерименти фізики навчилися ставити зовсім недавно, буквально в останнє десятиліття. Вони зрозуміли, що серед величезної кількості різних реакцій, які відбуваються при зіткненні електрона з протоном, є одна особлива реакція - глибоко-віртуальне комптонівське розсіювання, - яка і зможе розповісти про тривимірну структуру протона.

Взагалі, комптонівським розсіюванням, або ефектом Комптона, називають пружне зіткнення фотона з якою-небудь часткою, наприклад з протоном. Виглядає воно так: прилітає фотон, поглинається протоном, який на короткий час переходить в збуджений стан, а потім повертається в початковий стан, випускаючи фотон в будь-якому напрямку.

Комптонівське розсіювання звичайних світлових фотонів не призводить ні до чого цікавого - це просте відбиття світла від протона. Для того щоб «вступила в гру» внутрішня структура протона і «почулися» розподілу кварків, треба використовувати фотони дуже великий енергії - в мільярди разів більше, ніж в звичайному світлі. А як раз такі фотони - правда, віртуальні - легко породжує налетающий електрон. Якщо тепер об'єднати одне з іншим, то і вийде глибоко-віртуальне комптонівське розсіювання (рис. 5).

Головна особливість цієї реакції полягає в тому, що вона не руйнує протон. Налетающий фотон не просто б'є по протону, а як би ретельно його обмацує і потім відлітає геть. Те, в який бік він відлітає і яку частину енергії у нього відбирає протон, залежить від пристрою протона, від взаємного розташування партонов всередині нього. Саме тому, вивчаючи цей процес, можна відновити тривимірний вигляд протона, як би «виліпити його скульптуру».

Правда, для фізика-експериментатора зробити це дуже непросто. Потрібний процес відбувається досить рідко, і зареєструвати його важко. Перші експериментальні дані про цю реакції були отримані лише в 2001 році на прискорювачі HERA в німецькому ускорительном комплексі DESY в Гамбурзі; нова серія даних зараз обробляється експериментаторами. Втім, вже сьогодні, на підставі перших даних, теоретики малюють тривимірні розподілу кварків і глюонів в протоні. Фізична величина, Про яку фізики раніше будували лише припущення, нарешті стала «проступати» з експерименту.

Чи чекають нас якісь несподівані відкриття в цій галузі? Цілком ймовірно, що так. В якості ілюстрації скажімо, що в листопаді 2008 року з'явилася цікава теоретична стаття, в якій стверджується, що швидко летить протон повинен мати вигляд не плоского диска, а двояковогнутой лінзи. Так виходить тому, що Партон, що сидять в центральній області протона, сильніше стискаються в поздовжньому напрямку, ніж Партон, що сидять на краях. Було б дуже цікаво перевірити ці теоретичні передбачення експериментально!

Чому все це цікаво фізикам?

Навіщо взагалі фізикам треба знати, як саме розподілено речовина всередині протонів і нейтронів?

По-перше, цього вимагає сама логіка розвитку фізики. У світі є багато разюче складних систем, З якими сучасна теоретична фізика поки не може повністю впоратися. Адрони - одна з таких систем. Розбираючись з пристроєм адронів, ми вигострюємо здатності теоретичної фізики, Які цілком можуть виявитися універсальними і, можливо, допоможуть у чомусь зовсім іншому, наприклад при вивченні надпровідників або інших матеріалів з незвичайними властивостями.

По-друге, тут є безпосередня користь для ядерної фізики. Незважаючи на майже вікову історію вивчення атомних ядер, теоретики досі не знають точний закон взаємодії протонів і нейтронів.

Їм доводиться цей закон частково вгадувати, виходячи з експериментальних даних, частково конструювати на основі знань про структуру нуклонів. Тут-то і допоможуть нові дані про тривимірному пристрої нуклонів.

По-третє, кілька років тому фізики зуміли отримати ні багато ні мало нове агрегатний стан речовини - кварк-глюонну плазму. В такому стані кварки не сидять усередині окремих протонів і нейтронів, а вільно гуляють по всьому потоку ядерного речовини. Досягти його можна, наприклад, так: важкі ядра розганяються в прискорювачі до швидкості, дуже близькою до швидкості світла, і потім стикаються лоб в лоб. У цьому зіткненні на дуже короткий час виникає температура в трильйони градусів, яка і розплавляє ядра в кварк-глюонну плазму. Так ось, виявляється, що теоретичні розрахунки цього ядерного плавлення вимагають доброго знання тривимірного пристрою нуклонів.

Нарешті, ці дані дуже потрібні для астрофізики. коли важкі зірки вибухають наприкінці свого життя, від них часто залишаються надзвичайно компактні об'єкти - нейтронні і, можливо, кваркові зірки. Серцевина цих зірок цілком складається з нейтронів, а може бути навіть і з холодною кварк-глюонної плазми. Такі зірки вже давно виявлені, але що відбувається у них всередині - можна тільки здогадуватися. Так що краще розуміння кваркових розподілів може привести до прогресу і в астрофізиці.