مكون بروتون لعبة كلمات متقاطعة مكونة من 5 حروف. البروتون هو جسيم أولي. توزيع الجزيئات داخل البروتون

• ترجمة

أرز. 1: ذرة الهيدروجين. لا لتوسيع نطاق.

أنت تعلم أن مصادم الهادرونات الكبير يصطدم بالبروتونات ببعضها البعض. ولكن ما هو البروتون؟

بادئ ذي بدء، إنها فوضى رهيبة وكاملة. قبيحة وفوضوية مثل ذرة الهيدروجين بسيطة وأنيقة.

ولكن ما هي إذن ذرة الهيدروجين؟

هذا هو أبسط مثال على ما يسميه الفيزيائيون "الحالة المقيدة". "الحالة" تعني في الأساس شيئًا كان موجودًا منذ فترة طويلة، و"متصل" يعني أن مكوناته مرتبطة ببعضها البعض، مثل الزوجين في الزواج. في الواقع، مثال الزوجين الذي يكون فيه أحد الزوجين أثقل بكثير من الآخر مناسب جدًا هنا. البروتون يجلس في المركز، بالكاد يتحرك، وعلى حواف الجسم هناك إلكترون يتحرك، يتحرك أسرع مني ومنك، ولكن أبطأ بكثير من سرعة الضوء، الحد الأقصى للسرعة العالمية. صورة سلمية للزواج الشاعري.

أو يبدو الأمر كذلك حتى ننظر إلى البروتون نفسه. إن الجزء الداخلي من البروتون نفسه يشبه إلى حد كبير مجتمعًا، حيث يكتظ العديد من البالغين والأطفال غير المتزوجين بكثافة: فوضى خالصة. هذه أيضًا حالة مرتبطة، لكنها لا تربط شيئًا بسيطًا، مثل البروتون بالإلكترون، كما هو الحال في الهيدروجين، أو على الأقل عدة عشرات من الإلكترونات بنواة ذرية، كما هو الحال في الذرات الأكثر تعقيدًا مثل الذهب - ولكن عددًا لا يحصى من ( أي أن هناك الكثير منها وتتغير بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن عدها عمليًا) وهي جسيمات خفيفة الوزن تسمى الكواركات والكواركات المضادة والغلوونات. من المستحيل وصف بنية البروتون ببساطة ورسم صور بسيطة - فهو غير منظم للغاية. تندفع جميع الكواركات والغلوونات والكواركات المضادة إلى الداخل بأقصى سرعة ممكنة، أي بسرعة الضوء تقريبًا.

أرز. 2: صورة البروتون. تخيل أن جميع الكواركات (أعلى، أسفل، غريب - u,d,s)، والكواركات المضادة (u,d,s مع شرطة)، والغلوونات (g) تتحرك ذهابًا وإيابًا بسرعة الضوء تقريبًا، وتصطدم بكل منها أخرى، تظهر وتختفي

ربما سمعت أن البروتون يتكون من ثلاثة كواركات. لكن هذه كذبة، من أجل الصالح العام، لكنها لا تزال كذبة كبيرة. في الواقع، هناك عدد لا يحصى من الغلوونات والكواركات المضادة والكواركات في البروتون. الاختصار القياسي "البروتون يتكون من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد" يقول ببساطة أن البروتون يحتوي على كواركين علويين أكثر من كواركات علوية وكوارك سفلي واحد أكثر من كواركات سفلية. لكي يكون هذا الاختزال صحيحًا، من الضروري أن نضيف إليه «عددًا لا يحصى من الغلوونات وأزواج الكواركات والكواركات المضادة». وبدون هذه العبارة، ستكون فكرة البروتون مبسطة للغاية بحيث سيكون من المستحيل تمامًا فهم عمل مصادم الهادرونات الكبير (LHC).

أرز. 3: أكاذيب بيضاء صغيرة في صورة ويكيبيديا النمطية

بشكل عام، الذرات مقارنة بالبروتونات تشبه رقصة الباليه المتقنة مقارنة بقاعة ديسكو مليئة بالمراهقين المخمورين الذين يقفزون لأعلى ولأسفل ويلوحون لمنسق الموسيقى.

ولهذا السبب، إذا كنت منظّرًا تحاول فهم ما سيراه LHC في تصادمات البروتونات، فسوف تجد صعوبة في ذلك. ومن الصعب جداً التنبؤ بنتائج الاصطدامات بين الأجسام التي لا يمكن وصفها بطريقة بسيطة. لكن لحسن الحظ، منذ سبعينيات القرن الماضي، واستنادًا إلى أفكار بيوركين من الستينيات، وجد علماء الفيزياء النظرية تقنية بسيطة وفعالة نسبيًا. لكنها لا تزال تعمل ضمن حدود معينة، بدقة تصل إلى حوالي 10%. ولهذا السبب ولبعض الأسباب الأخرى، تكون موثوقية حساباتنا في LHC محدودة دائمًا.

شيء آخر عن البروتون هو أنه صغير الحجم. صغيرة حقا. إذا قمت بتفجير ذرة هيدروجين بحجم غرفة نومك، فسيكون البروتون بحجم حبة غبار صغيرة جدًا بحيث يصعب جدًا ملاحظتها. ولأن البروتون صغير جدًا، يمكننا تجاهل الفوضى التي تحدث داخله، ووصف ذرة الهيدروجين بأنها بسيطة. وبشكل أكثر دقة، فإن حجم البروتون أصغر بمقدار 100000 مرة من حجم ذرة الهيدروجين.

وللمقارنة، فإن حجم الشمس أصغر بمقدار 3000 مرة فقط من حجم النظام الشمسي (مقاسًا بمدار نبتون). هذا صحيح - الذرة فارغة أكثر من النظام الشمسي! تذكر هذا عندما تنظر إلى السماء ليلاً.

ولكن قد تسأل: "انتظر لحظة! هل تقصد أن مصادم الهادرونات الكبير يصطدم بطريقة ما بروتونات أصغر من الذرة بـ 100 ألف مرة؟ كيف يكون هذا ممكن حتى؟

سؤال عظيم.

اصطدامات البروتون مقابل الاصطدامات الصغيرة للكواركات والغلوونات والكواركات المضادة

تحدث تصادمات البروتونات في LHC مع طاقة معينة. وكانت 7 تيرا إلكترون فولت = 7000 جيجا إلكترون فولت في عام 2011، و8 تيرا إلكترون فولت = 8000 جيجا إلكترون فولت في عام 2012. لكن علماء فيزياء الجسيمات مهتمون بشكل رئيسي بتصادمات كوارك بروتون مع الكوارك المضاد لبروتون آخر، أو تصادمات اثنين من الجلونات، وما إلى ذلك. - شيء يمكن أن يؤدي إلى ظهور ظاهرة فيزيائية جديدة حقًا. تحمل هذه الاصطدامات الصغيرة جزءًا صغيرًا من إجمالي طاقة اصطدام البروتونات. ما مقدار هذه الطاقة التي يمكنها حملها، ولماذا كان من الضروري زيادة طاقة الاصطدام من 7 تيرا إلكترون فولت إلى 8 تيرا إلكترون فولت؟

الجواب في الشكل. 4. يوضح الرسم البياني عدد الاصطدامات التي اكتشفها كاشف ATLAS. تتضمن بيانات صيف عام 2011 تشتت الكواركات والكواركات المضادة والجلونات من الكواركات والكواركات المضادة والجلونات الأخرى. غالبًا ما تنتج مثل هذه التصادمات الصغيرة نفاثتين (نفاثة من الهادرونات، أو مظاهر الكواركات عالية الطاقة، أو الغلوونات أو الكواركات المضادة التي تم طردها من البروتونات الأم). ويتم قياس طاقات واتجاهات النفاثات، ومن هذه البيانات يتم تحديد كمية الطاقة التي كان ينبغي أن تشارك في الاصطدام الصغير. ويوضح الرسم البياني عدد الاصطدامات الصغيرة من هذا النوع كدالة للطاقة. المحور الرأسي لوغاريتمي - يشير كل سطر إلى زيادة في الكمية بمقدار 10 أضعاف (10 n يشير إلى 1 وn صفر بعده). على سبيل المثال، كان عدد التصادمات الصغيرة التي لوحظت في فترة الطاقة من 1550 إلى 1650 جيجا إلكترون فولت حوالي 10 3 = 1000 (مميزة بالخطوط الزرقاء). لاحظ أن الرسم البياني يبدأ عند 750 جيجا إلكترون فولت، لكن عدد الاصطدامات الصغيرة يستمر في الزيادة أثناء دراسة الدفقات ذات الطاقة المنخفضة، حتى النقطة التي تصبح فيها الدفقات أضعف من أن يتم اكتشافها.

أرز. 4: عدد الاصطدامات كدالة للطاقة (m jj)

ولنفترض أن إجمالي عدد تصادمات بروتون بروتون بطاقة 7 تيرا إلكترون فولت = 7000 جيجا إلكترون فولت يقترب من 100.000.000.000.000. ومن بين كل هذه الاصطدامات، تجاوز تصادمان صغيران فقط 3500 جيجا إلكترون فولت - أي نصف طاقة اصطدام بروتون. من الناحية النظرية، يمكن أن تزيد طاقة الاصطدام الصغير إلى 7000 جيجا إلكترون فولت، لكن احتمال ذلك يتناقص باستمرار. نحن نرى تصادمات صغيرة بقوة 6000 جيجا إلكترون فولت نادرًا جدًا، لذا فمن غير المرجح أن نرى 7000 جيجا إلكترون فولت حتى لو قمنا بجمع بيانات أكثر بـ 100 مرة.

ما هي مزايا زيادة طاقة الاصطدام من 7 تيرا إلكترون فولت عام 2010-2011 إلى 8 تيرا إلكترون فولت عام 2012؟ من الواضح أن ما يمكنك فعله عند مستوى الطاقة E، يمكنك فعله الآن عند مستوى الطاقة 8/7 E ≈ 1.14 E. لذلك، إذا كنت تأمل من قبل في رؤية الكثير من علامات البيانات لنوع معين من الجسيمات الافتراضية مع كتلة تبلغ 1000 GeV/c2، يمكننا الآن أن نأمل في تحقيق ما لا يقل عن 1100 GeV/c2 بنفس مجموعة البيانات. تتزايد إمكانيات الآلة - يمكنك البحث عن جزيئات ذات كتلة أكبر قليلاً. وإذا قمت بجمع بيانات أكثر بثلاث مرات في عام 2012 مقارنة بعام 2011، فسوف تحصل على المزيد من الاصطدامات لكل مستوى من مستويات الطاقة، وسوف تكون قادرًا على رؤية توقيع جسيم افتراضي كتلته، على سبيل المثال، 1200 جيجا إلكترون فولت/ثانية 2 .

ولكن هذا ليس كل شيء. انظر إلى الخطوط الزرقاء والخضراء في الشكل. 4: تظهر أنها تحدث عند طاقات تتراوح بين 1400 و1600 جيجا إلكترون فولت - بحيث ترتبط مع بعضها البعض مثل 7 إلى 8. عند مستوى طاقة اصطدام البروتونات البالغ 7 تيرا إلكترون فولت، يكون عدد الاصطدامات الصغيرة للكواركات مع الكواركات ، الكواركات مع الغلوونات، الخ. بطاقة 1400 جيجا إلكترون فولت هو أكثر من ضعف عدد الاصطدامات بطاقة 1600 جيجا إلكترون فولت. ولكن عندما تزيد الآلة الطاقة بمقدار 8/7، فإن ما نجح في 1400 يبدأ في العمل لـ 1600. بمعنى آخر، إذا كنت مهتمًا بالتصادمات الصغيرة للطاقة الثابتة، فإن عددها يزداد - وأكثر بكثير من الزيادة البالغة 14% في طاقة اصطدام البروتونات! هذا يعني أنه بالنسبة لأي عملية ذات طاقة مفضلة، مثل ظهور جسيمات هيغز خفيفة الوزن، والتي تحدث عند طاقات تتراوح بين 100-200 جيجا إلكترون فولت، فإنك تحصل على المزيد من النتائج بنفس المبلغ. الانتقال من 7 إلى 8 تيرا إلكترون فولت يعني أنه مقابل نفس العدد من تصادمات البروتونات، ستحصل على المزيد من جسيمات هيغز. سيزيد إنتاج جسيمات هيغز بحوالي 1.5. سوف يزداد عدد الكواركات وأنواع معينة من الجسيمات الافتراضية أكثر قليلاً.

وهذا يعني أنه على الرغم من أن عدد اصطدامات البروتونات في عام 2012 أعلى بثلاث مرات مما كان عليه في عام 2011، إلا أن العدد الإجمالي لجسيمات هيغز المنتجة سيزيد بما يقرب من 4 مرات بسبب الزيادة في الطاقة.

بالمناسبة، الشكل. ويثبت الشكل 4 أيضًا أن البروتونات لا تتكون ببساطة من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد، كما هو موضح في رسومات مثل الشكل 4. 3. إذا كان الأمر كذلك، فسيتعين على الكواركات أن تنقل حوالي ثلث طاقة البروتونات، وستحدث معظم الاصطدامات الصغيرة عند طاقات تبلغ حوالي ثلث طاقة اصطدام البروتونات: حوالي 2300 جيجا إلكترون فولت. لكن الرسم البياني يوضح أنه لا شيء مميز يحدث في منطقة 2300 جيجا إلكترون فولت. عند الطاقات الأقل من 2300 جيجا إلكترون فولت، يكون هناك الكثير من الاصطدامات، وكلما خفضت مستوى الطاقة، زادت عدد الاصطدامات التي تراها. وذلك لأن البروتون يحتوي على عدد هائل من الغلوونات والكواركات والكواركات المضادة، كل منها ينقل جزءًا صغيرًا من طاقة البروتون، ولكن هناك الكثير منها لدرجة أنها تشارك في عدد كبير من التصادمات الصغيرة. تظهر خاصية البروتون في الشكل. 2 – على الرغم من أن عدد الغلوونات منخفضة الطاقة وأزواج الكواركات والكواركات المضادة أكبر بكثير مما هو موضح في الشكل.

لكن ما لا يظهره الرسم البياني هو الجزء الذي، في التصادمات الصغيرة مع طاقة معينة، يسقط نتيجة تصادم الكواركات مع الكواركات، والكواركات مع الغلوونات، والغلوونات مع الغلوونات، والكواركات مع الكواركات المضادة، وما إلى ذلك. في الواقع، لا يمكن قول ذلك مباشرة من التجارب التي أجريت في LHC، فالنفاثات من الكواركات والكواركات المضادة والغلوونات تبدو متشابهة. إن كيفية معرفة هذه الأسهم هي قصة معقدة، تتضمن العديد من التجارب السابقة المختلفة والنظرية التي تجمعها. ومن هذا نعلم أن التصادمات الصغيرة الأعلى طاقة تحدث عادة بين الكواركات والكواركات وبين الكواركات والجلونات. عادة ما تحدث تصادمات منخفضة الطاقة بين الجلونات. تعتبر التصادمات بين الكواركات والكواركات المضادة نادرة نسبيًا، ولكنها مهمة جدًا لبعض العمليات الفيزيائية.

توزيع الجزيئات داخل البروتون

أرز. 5

يظهر رسمان بيانيان، يختلفان في مقياس المحور الرأسي، الاحتمال النسبي للاصطدام مع غلوون، أو كوارك علوي أو سفلي، أو كوارك مضاد يحمل جزءًا من طاقة البروتون يساوي x. عند x الصغيرة، تهيمن الغلوونات (وتصبح الكواركات والكواركات المضادة متساوية ومتعددة، على الرغم من أن عددها لا يزال أقل من الغلوونات)، وفي x المتوسطة، تهيمن الكواركات (على الرغم من أنها تصبح قليلة للغاية من حيث العدد).

يظهر كلا الرسمين البيانيين نفس الشيء، ولكن بمقياس مختلف، لذا فإن ما يصعب رؤيته على أحدهما يسهل رؤيته على الآخر. ما يظهرونه هو هذا: إذا جاءت شعاع البروتون نحوك في مصادم الهادرونات الكبير، واصطدمت بشيء داخل البروتون، فما مدى احتمالية اصطدامك بكوارك علوي، أو كوارك سفلي، أو غلوون، أو كوارك مضاد علوي أم كوارك سفلي، كوارك مضاد يحمل جزءًا من طاقة البروتون يساوي x؟ ومن هذه الرسوم البيانية يمكن استنتاج ما يلي:

من حقيقة أن جميع المنحنيات تنمو بسرعة كبيرة عند x صغير (كما هو موضح في الرسم البياني السفلي)، يترتب على ذلك أن معظم الجسيمات في البروتون تنقل أقل من 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.
نظرًا لأن المنحنى الأصفر (أدناه) أعلى بكثير من المنحنى الآخر، فإنه يعني أنه إذا واجهت شيئًا يحمل أقل من 10% من طاقة البروتون، فمن المرجح أن يكون غلوون؛ وإذا كانت أقل من 2% من طاقة البروتون، فمن المرجح أيضًا أن تكون كواركات أو كواركات مضادة.
نظرًا لأن منحنى الغلوون (الأعلى) ينخفض ​​أسفل منحنيات الكوارك مع زيادة x، فإنه يترتب على ذلك أنه إذا واجهت أي شيء يحمل أكثر من 20% (x > 0.2) من طاقة البروتون - وهو أمر نادر جدًا - فمن المرجح أنه كوارك، واحتمال أن يكون كواركًا علويًا هو ضعف احتمال أن يكون كواركًا سفليًا. هذه هي بقايا فكرة أن "البروتون عبارة عن كواركين علويين وكوارك سفلي واحد".
تنخفض جميع المنحنيات بشكل حاد مع زيادة x؛ ومن المستبعد جدًا أن تصادف أي شيء يحمل أكثر من 50% من طاقة البروتون.

تنعكس هذه الملاحظات بشكل غير مباشر في الرسم البياني في الشكل. 4. فيما يلي بعض الأشياء غير الواضحة حول الرسمين البيانيين:
تنقسم معظم طاقة البروتون (بالتساوي تقريبًا) بين عدد صغير من الكواركات عالية الطاقة وعدد كبير من الجلونات منخفضة الطاقة.
من بين الجسيمات، تسود الغلوونات منخفضة الطاقة من حيث العدد، تليها الكواركات والكواركات المضادة ذات الطاقات المنخفضة جدًا.

عدد الكواركات والكواركات المضادة ضخم، لكن: العدد الإجمالي للكواركات العلوية ناقص العدد الإجمالي للكواركات المضادة العلوية هو اثنان، والعدد الإجمالي للكواركات السفلية ناقص العدد الإجمالي للكواركات المضادة السفلية هو واحد. كما رأينا أعلاه، تحمل الكواركات الإضافية جزءًا كبيرًا (ولكن ليس الأغلبية) من طاقة البروتون الذي يطير نحوك. وبهذا المعنى فقط يمكننا القول أن البروتون يتكون أساسًا من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد.

بالمناسبة، تم الحصول على كل هذه المعلومات من خلال مجموعة رائعة من التجارب (خاصة حول تشتت الإلكترونات أو النيوترينوات من البروتونات أو من النوى الذرية للهيدروجين الثقيل - الديوتيريوم، الذي يحتوي على بروتون واحد ونيوترون واحد)، تم تجميعها باستخدام معادلات مفصلة وصف التفاعلات النووية الكهرومغناطيسية والنووية القوية والضعيفة. تعود هذه القصة الطويلة إلى أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات. وهو يعمل بشكل رائع للتنبؤ بالظواهر التي يتم ملاحظتها في المصادمات حيث تصطدم البروتونات بالبروتونات والبروتونات بالبروتونات المضادة، مثل تيفاترون ومصادم الهادرونات الكبير.

أدلة أخرى على البنية المعقدة للبروتون

دعونا نلقي نظرة على بعض البيانات التي تم الحصول عليها في LHC وكيف أنها تدعم الادعاءات حول بنية البروتون (على الرغم من أن الفهم الحالي للبروتون يعود إلى 3-4 عقود، وذلك بفضل العديد من التجارب).

الرسم البياني في الشكل. يتم الحصول على الشكل 4 من ملاحظات الاصطدامات التي يحدث خلالها شيء مثل ذلك الموضح في الشكل 1. 6: كوارك أو كوارك مضاد أو غلوون من بروتون واحد يصطدم بكوارك أو كوارك مضاد أو غلوون من بروتون آخر، وينتشر منه (أو يحدث شيء أكثر تعقيدًا - على سبيل المثال، يصطدم اثنان من الغلوونات ويتحولان إلى كوارك وكوارك مضاد)، مما ينتج عنه في جزيئين (كواركات، كواركات مضادة أو غلوونات) يطيران بعيدًا عن نقطة الاصطدام. يتحول هذان الجسيمان إلى نفاثات (نفاثات هادرون). يتم ملاحظة طاقة واتجاه النفاثات في أجهزة كشف الجسيمات المحيطة بنقطة التأثير. تُستخدم هذه المعلومات لفهم مقدار الطاقة الموجودة في اصطدام الكواركات/الغلونات/الكواركات المضادة الأصلية. بتعبير أدق، الكتلة الثابتة للنفثتين، مضروبة في c 2، تعطي طاقة تصادم الكواركات/الغلونات/الكواركات المضادة الأصلية.

أرز. 6

ويظهر في الشكل عدد الاصطدامات من هذا النوع حسب الطاقة. 4. حقيقة أن عدد الاصطدامات أكبر بكثير عند الطاقات المنخفضة يتم تأكيده من خلال حقيقة أن معظم الجسيمات الموجودة داخل البروتون تنقل جزءًا صغيرًا فقط من طاقتها. تبدأ البيانات عند طاقات تبلغ 750 جيجا إلكترون فولت.

أرز. 7: بيانات الطاقات المنخفضة مأخوذة من مجموعة بيانات أصغر. كتلة Dijet – نفس كتلة m jj في الشكل 1. 4.

بيانات الشكل. تم أخذ الشكل 7 من تجربة CMS من عام 2010، حيث قاموا برسم تصادمات اللحم تصل إلى طاقات تصل إلى 220 جيجا إلكترون فولت. الرسم البياني هنا ليس عدد الاصطدامات، ولكنه أكثر تعقيدًا بعض الشيء: عدد الاصطدامات لكل GeV، أي عدد الاصطدامات مقسومًا على عرض عمود الرسم البياني. ويمكن ملاحظة أن نفس التأثير يستمر في العمل عبر نطاق البيانات بأكمله. الاصطدامات مثل تلك الموضحة في الشكل. 6، يحدث الكثير عند الطاقات المنخفضة مقارنة بالطاقات العالية. ويستمر هذا العدد في النمو حتى لم يعد من الممكن التمييز بين النفاثات. يحتوي البروتون على الكثير من الجسيمات منخفضة الطاقة، وقليل منها يحمل جزءًا كبيرًا من طاقته.

ماذا عن وجود الكواركات المضادة في البروتون؟ ثلاث من العمليات الأكثر إثارة للاهتمام والتي لا تشبه الاصطدام الموضح في الشكل. 6، التي تحدث أحيانًا في مصادم الهادرونات الكبير (في واحدة من عدة ملايين من تصادمات بروتون-بروتون) تتضمن العملية التالية:

كوارك + كوارك مضاد -> جسيم W + أو W - أو Z.

تظهر في الشكل. 8.

أرز. 8

وترد البيانات المقابلة من CMS في الشكل. 9 و 10. الشكل. يوضح الشكل 9 أنه تم التنبؤ بشكل صحيح بعدد الاصطدامات التي تنتج إلكترونًا أو بوزيترونًا (يسارًا) وشيئًا غير قابل للاكتشاف (ربما نيوترينو أو مضاد نيوترينو)، أو ميون ومضاد ميون (يمين). يتم التنبؤ من خلال الجمع بين النموذج القياسي (المعادلات التي تتنبأ بسلوك الجسيمات الأولية المعروفة) وبنية البروتون. ترجع القمم الكبيرة في البيانات إلى ظهور جسيمات W و Z. النظرية تناسب البيانات تمامًا.

أرز. 9: النقاط السوداء – البيانات، الصفراء – التوقعات. يشار إلى عدد الأحداث بالآلاف. على اليسار: الذروة المركزية ناتجة عن النيوترينوات الموجودة في الجسيمات W. على اليمين، يتم دمج اللبتون والليبتون المضاد الناتجين عن الاصطدام ويتم تحديد كتلة الجسيم الذي أتوا منه ضمنيًا. تظهر الذروة بسبب جزيئات Z الناتجة.

ويمكن رؤية المزيد من التفاصيل في الشكل. 10، حيث يظهر أن النظرية، ليس فقط من حيث عدد هذه القياسات، ولكن أيضًا العديد من القياسات المرتبطة بها - والتي يرتبط معظمها بتصادمات الكواركات مع الكواركات المضادة - تتطابق تمامًا مع البيانات. البيانات (النقاط الحمراء) والنظرية (الأشرطة الزرقاء) لا تتطابق تمامًا أبدًا بسبب التقلبات الإحصائية، لنفس السبب الذي يجعلك إذا قمت بقلب عملة معدنية عشر مرات فلن تحصل بالضرورة على خمسة صور وخمسة كتابة. ولذلك، يتم وضع نقاط البيانات ضمن "شريط الخطأ"، وهو الشريط الأحمر العمودي. حجم النطاق هو أنه بالنسبة لـ 30% من القياسات يجب أن يكون نطاق الخطأ على حدود النظرية، وبالنسبة لـ 5% فقط من القياسات يجب أن يكون نطاقين بعيدًا عن النظرية. ويمكن ملاحظة أن جميع الأدلة تؤكد أن البروتون يحتوي على العديد من الكواركات المضادة. ونحن نفهم بشكل صحيح عدد الكواركات المضادة التي تحمل جزءًا معينًا من طاقة البروتون.

أرز. 10

ثم كل شيء أكثر تعقيدًا بعض الشيء. حتى أننا نعرف عدد الكواركات العلوية والسفلية التي لدينا اعتمادًا على الطاقة التي تحملها، لأننا نتوقع بشكل صحيح - مع وجود خطأ أقل من 10٪ - مقدار جسيمات W + التي نحصل عليها أكثر من جسيمات W (الشكل 11).

أرز. أحد عشر

يجب أن تكون نسبة الكواركات العلوية إلى الكواركات السفلية قريبة من 1، ولكن يجب أن يكون هناك كواركات علوية أكثر من الكواركات السفلية، خاصة في الطاقات العالية. في التين. في الشكل 6، يمكننا أن نرى أن نسبة جسيمات W + وW الناتجة يجب أن تعطينا تقريبًا نسبة الكواركات العلوية والكواركات السفلية المشاركة في إنتاج جسيمات W. ولكن في الشكل 6. يوضح الشكل 11 أن النسبة المقاسة للجسيمات W + إلى W هي 3 إلى 2، وليس 2 إلى 1. وهذا يوضح أيضًا أن الفكرة الساذجة للبروتون على أنه يتكون من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد هي فكرة مبسطة للغاية. النسبة المبسطة 2 إلى 1 غير واضحة، نظرًا لأن البروتون يحتوي على العديد من أزواج الكواركات والكواركات المضادة، والتي تكون الأزواج العلوية والسفلية منها متساوية تقريبًا. يتم تحديد درجة التمويه من خلال كتلة جسيم W الذي يبلغ 80 GeV. إذا جعلته أخف وزنًا، سيكون هناك المزيد من التمويه، وإذا كان أثقل، سيكون هناك ضبابية أقل، نظرًا لأن معظم أزواج الكواركات والكواركات المضادة في البروتون تحمل القليل من الطاقة.

وأخيرا، دعونا نؤكد حقيقة أن معظم الجسيمات الموجودة في البروتون هي غلوونات.

أرز. 12

للقيام بذلك، سوف نستخدم حقيقة أنه يمكن إنشاء الكواركات العلوية بطريقتين: كوارك + كوارك ضديد -> كوارك قمة + كوارك ضديد قمة، أو جلوون + جلوون -> كوارك قمة + كوارك ضديد قمة (الشكل 12). نحن نعرف عدد الكواركات والكواركات المضادة اعتمادًا على الطاقة التي تحملها بناءً على القياسات الموضحة في الشكل. 9-11. ومن هذا المنطلق، يمكننا استخدام معادلات النموذج القياسي للتنبؤ بعدد الكواركات العليا التي سيتم إنتاجها من اصطدامات الكواركات والكواركات المضادة فقط. نعتقد أيضًا، استنادًا إلى البيانات السابقة، أن هناك غلوونات أكثر في البروتون، وبالتالي فإن عملية غلوون + غلوون -> الكوارك العلوي + الكوارك المضاد العلوي يجب أن تحدث 5 مرات على الأقل. من السهل التحقق مما إذا كانت هناك غلوونات هناك؛ وإذا لم يكن الأمر كذلك، فيجب أن تكون البيانات أقل بكثير من التوقعات النظرية.
غلوونات إضافة العلامات

ستجد في هذه المقالة معلومات عن البروتون، باعتباره جسيمًا أوليًا يشكل أساس الكون مع عناصره الأخرى، ويستخدم في الكيمياء والفيزياء. وسيتم تحديد خصائص البروتون وخصائصه الكيميائية وثباته.

ما هو البروتون

البروتون هو أحد ممثلي الجسيمات الأولية، والتي تصنف على أنها باريون، على سبيل المثال. تتفاعل فيها الفرميونات بقوة، ويتكون الجسيم نفسه من 3 كواركات. البروتون جسيم مستقر وله زخم شخصي - دوران ½. التعيين المادي للبروتون هو ص(أو ص +)

البروتون هو جسيم أولي يشارك في العمليات النووية الحرارية. وهذا النوع من التفاعل هو في الأساس المصدر الرئيسي للطاقة التي تولدها النجوم في جميع أنحاء الكون. تقريبًا كامل كمية الطاقة الصادرة عن الشمس موجودة فقط بسبب اندماج 4 بروتونات في نواة هيليوم واحدة مع تكوين نيوترون واحد من بروتونين.

الخصائص الكامنة في البروتون

البروتون هو أحد ممثلي الباريونات. إنها حقيقة. شحنة وكتلة البروتون هي كميات ثابتة. البروتون مشحون كهربائيًا +1، ويتم تحديد كتلته بوحدات قياس مختلفة وهي بـ MeV 938.272 0813(58)، بالكيلو جرام من البروتون الوزن بالأرقام 1.672 621 898 (21) 10 −27 كجم، بوحدات الكتلة الذرية يكون وزن البروتون 1.007276466879(91) أ. م، وبالنسبة لكتلة الإلكترون، فإن وزن البروتون هو 1836.152 673 89 (17) بالنسبة إلى الإلكترون.

البروتون، الذي سبق تعريفه أعلاه، من وجهة نظر الفيزياء، هو جسيم أولي بإسقاط إيزوسبين +½، والفيزياء النووية ترى هذا الجسيم بعلامة معاكسة. البروتون نفسه عبارة عن نيوكليون، ويتكون من 3 كواركات (اثنان من كواركات u وكوارك واحد من نوع d).

تمت دراسة بنية البروتون تجريبيًا بواسطة عالم الفيزياء النووية من الولايات المتحدة الأمريكية - روبرت هوفستادتر. ولتحقيق هذا الهدف، قام الفيزيائي بتصادم البروتونات مع الإلكترونات عالية الطاقة، وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء عن وصفه.

يحتوي البروتون على نواة (نواة ثقيلة)، تحتوي على حوالي خمسة وثلاثين بالمائة من طاقة الشحنة الكهربائية للبروتون ولها كثافة عالية إلى حد ما. يتم تفريغ القشرة المحيطة بالنواة نسبيًا. تتكون القشرة أساسًا من الميزونات الافتراضية من النوع و p وتحمل حوالي خمسين بالمائة من الجهد الكهربائي للبروتون وتقع على مسافة 0.25*1013 تقريبًا إلى 1.4*1013 . علاوة على ذلك، على مسافة حوالي 2.5 * 10 13 سنتيمترًا، يتكون الغلاف من الميزونات الافتراضية ويحتوي تقريبًا على نسبة الخمسة عشر بالمائة المتبقية من الشحنة الكهربائية للبروتون.

استقرار البروتون والاستقرار

في الحالة الحرة، لا تظهر على البروتون أي علامات اضمحلال، مما يدل على استقراره. يتم تحديد الحالة المستقرة للبروتون، باعتباره أخف ممثل للباريونات، من خلال قانون حفظ عدد الباريونات. دون انتهاك قانون SBC، تكون البروتونات قادرة على التحلل إلى نيوترينوات وبوزيترونات وجسيمات أولية أخف وزنًا.

يتمتع بروتون نواة الذرات بالقدرة على التقاط أنواع معينة من الإلكترونات ذات الأغلفة الذرية K وL وM. يتحول البروتون، بعد الانتهاء من التقاط الإلكترون، إلى نيوترون ونتيجة لذلك يطلق نيوترينو، ويتم ملء "الثقب" الناتج عن التقاط الإلكترون بالإلكترونات من فوق الطبقات الذرية الأساسية.

في الأطر المرجعية غير القصورية، يجب أن تكتسب البروتونات عمرًا محدودًا يمكن حسابه؛ ويرجع ذلك إلى تأثير أونروه (الإشعاع)، والذي يتنبأ في نظرية المجال الكمي بإمكانية التأمل في الإشعاع الحراري في إطار مرجعي يتم تسريعه في غياب هذا النوع من الإشعاع. وبالتالي، فإن البروتون، إذا كان له عمر محدود، يمكن أن يخضع لاضمحلال بيتا إلى بوزيترون أو نيوترون أو نيوترينو، على الرغم من حقيقة أن عملية هذا الاضمحلال نفسها محظورة بواسطة ZSE.

استخدام البروتونات في الكيمياء

البروتون هو ذرة H مبنية من بروتون واحد ولا يحتوي على إلكترون، لذلك بالمعنى الكيميائي، البروتون هو نواة واحدة من ذرة H. يقترن النيوترون بالبروتون ويشكل نواة الذرة. في PTCE لديمتري إيفانوفيتش مندلييف، يشير رقم العنصر إلى عدد البروتونات في ذرة عنصر معين، ويتم تحديد رقم العنصر بواسطة الشحنة الذرية.

كاتيونات الهيدروجين هي متقبلات قوية للإلكترون. في الكيمياء، يتم الحصول على البروتونات بشكل رئيسي من الأحماض العضوية والمعدنية. التأين هو طريقة لإنتاج البروتونات في المراحل الغازية.

ومن خلال دراسة بنية المادة، اكتشف الفيزيائيون المادة التي تتكون منها الذرات، ووصلوا إلى النواة الذرية وقسموها إلى بروتونات ونيوترونات. تم تنفيذ كل هذه الخطوات بسهولة تامة - كان عليك فقط تسريع الجزيئات إلى الطاقة المطلوبة، ودفعها ضد بعضها البعض، ثم تتفكك إلى الأجزاء المكونة لها.

لكن مع البروتونات والنيوترونات، لم تعد هذه الحيلة فعالة. وعلى الرغم من أنها جسيمات مركبة، إلا أنها لا يمكن أن "تنقسم إلى أجزاء" حتى في أعنف الاصطدامات. لذلك، استغرق الأمر من الفيزيائيين عقودًا من الزمن للتوصل إلى طرق مختلفة للنظر داخل البروتون، ورؤية بنيته وشكله. اليوم، تعد دراسة بنية البروتون واحدة من أكثر المجالات نشاطًا في فيزياء الجسيمات.

الطبيعة تعطي تلميحات

يعود تاريخ دراسة بنية البروتونات والنيوترونات إلى ثلاثينيات القرن العشرين. عندما تم اكتشاف النيوترونات (1932) بالإضافة إلى البروتونات، بعد قياس كتلتها، تفاجأ الفيزيائيون عندما اكتشفوا أنها كانت قريبة جدًا من كتلة البروتون. علاوة على ذلك، اتضح أن البروتونات والنيوترونات "تشعر" بالتفاعل النووي بنفس الطريقة تمامًا. متطابقان جدًا، من وجهة نظر القوى النووية، يمكن اعتبار البروتون والنيوترون مظهرين لنفس الجسيم - النيوكليون: البروتون هو نيوكليون مشحون كهربائيًا، والنيوترون هو نيوكليون محايد. إن مبادلة البروتونات بالنيوترونات والقوى النووية لن تلاحظ شيئًا (تقريبًا).

ويعبر الفيزيائيون عن هذه الخاصية الطبيعية بالتناظر، فالتفاعل النووي متناظر فيما يتعلق باستبدال البروتونات بالنيوترونات، تمامًا كما تكون الفراشة متناظرة فيما يتعلق باستبدال اليمين باليسار. هذا التناظر، بالإضافة إلى لعبه دورًا مهمًا في الفيزياء النووية، كان في الواقع أول إشارة إلى أن النيوكليونات لديها بنية داخلية مثيرة للاهتمام. صحيح، إذن، في الثلاثينيات، لم يدرك الفيزيائيون هذا التلميح.

وجاء التفاهم في وقت لاحق. بدأ الأمر بحقيقة أنه في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي، في تفاعلات تصادم البروتونات مع نوى العناصر المختلفة، فوجئ العلماء باكتشاف المزيد والمزيد من الجسيمات الجديدة. ليست البروتونات، ولا النيوترونات، ولا البيميزونات المكتشفة في ذلك الوقت، والتي تحمل النيوكليونات في النواة، ولكن بعض الجسيمات الجديدة تمامًا. وعلى الرغم من تنوعها، فإن هذه الجسيمات الجديدة لها خاصيتان مشتركتان. أولاً، شاركوا، مثل النيوكليونات، عن طيب خاطر في التفاعلات النووية - والآن تسمى هذه الجزيئات بالهادرونات. وثانيا، كانوا غير مستقرين للغاية. لقد اضمحلت أكثرها غير مستقرة إلى جزيئات أخرى في جزء من تريليون جزء من النانو ثانية فقط، ولم يكن لديها حتى الوقت الكافي للطيران بحجم نواة ذرية!

لفترة طويلة، كانت "حديقة حيوان" الهادرون في حالة من الفوضى الكاملة. في نهاية الخمسينيات من القرن الماضي، تعلم الفيزيائيون بالفعل الكثير من أنواع الهادرونات المختلفة، وبدأوا في مقارنتها مع بعضهم البعض، وفجأة رأوا تناظرًا عامًا معينًا في خصائصها، وحتى دورية. وقد اقترح أنه داخل جميع الهادرونات (بما في ذلك النيوكليونات) هناك بعض الأجسام البسيطة تسمى "الكواركات". من خلال الجمع بين الكواركات بطرق مختلفة، من الممكن الحصول على هادرونات مختلفة، ومن نفس النوع تمامًا وبنفس الخصائص التي تم اكتشافها في التجربة.

ما الذي يجعل البروتون بروتونًا؟

بعد أن اكتشف الفيزيائيون بنية الكوارك للهادرونات وعلموا أن الكواركات تأتي في عدة أنواع مختلفة، أصبح من الواضح أن العديد من الجسيمات المختلفة يمكن بناؤها من الكواركات. لذلك لم يتفاجأ أحد عندما استمرت التجارب اللاحقة في العثور على هادرونات جديدة الواحدة تلو الأخرى. ولكن من بين جميع الهادرونات، تم اكتشاف عائلة كاملة من الجسيمات، تتكون، مثل البروتون، من اثنين فقط ش-الكواركات وواحد د-كوارك. نوع من "أخ" البروتون. وهنا كان الفيزيائيون في انتظار مفاجأة.

دعونا أولا نبدي ملاحظة بسيطة. إذا كان لدينا عدة أشياء تتكون من نفس "الطوب"، فإن الأجسام الأثقل تحتوي على "طوب" أكثر، والأشياء الأخف تحتوي على عدد أقل. هذا مبدأ طبيعي للغاية، والذي يمكن أن يسمى مبدأ الجمع أو مبدأ البنية الفوقية، وهو يعمل بشكل مثالي في الحياة اليومية وفي الفيزياء. حتى أنه يتجلى في بنية النوى الذرية - بعد كل شيء، تتكون النوى الأثقل ببساطة من عدد أكبر من البروتونات والنيوترونات.

ومع ذلك، على مستوى الكواركات، لا يعمل هذا المبدأ على الإطلاق، ومن المسلم به أن الفيزيائيين لم يفهموا السبب بشكل كامل بعد. اتضح أن إخوة البروتون الثقيل يتكونون أيضًا من نفس الكواركات مثل البروتون، على الرغم من أنهم أثقل بمقدار مرة ونصف أو حتى مرتين من البروتون. وهي تختلف عن البروتون (وتختلف عن بعضها البعض) لا تعبير،والمتبادلة موقعالكواركات، حسب الحالة التي تكون فيها هذه الكواركات نسبة لبعضها البعض. يكفي تغيير الموقع النسبي للكواركات - ومن البروتون سنحصل على جسيم آخر أثقل بشكل ملحوظ.

ماذا سيحدث إذا كنت لا تزال تأخذ وتجمع أكثر من ثلاثة كواركات معًا؟ هل سيكون هناك جسيم ثقيل جديد؟ والمثير للدهشة أن هذا لن ينجح - فالكواركات سوف تنقسم إلى ثلاثات وتتحول إلى عدة جسيمات متناثرة. لسبب ما، الطبيعة "لا تحب" دمج العديد من الكواركات في كل واحد! في الآونة الأخيرة فقط، حرفيًا في السنوات الأخيرة، بدأت تظهر تلميحات تشير إلى وجود بعض الجسيمات متعددة الكواركات، لكن هذا يؤكد فقط مدى عدم حب الطبيعة لها.

يتبع هذا الاستنتاج المهم والعميق للغاية - كتلة الهادرونات لا تتكون على الإطلاق من كتلة الكواركات. ولكن إذا كان من الممكن زيادة أو تقليل كتلة الهادرونات بمجرد إعادة تجميع الوحدات المكونة لها، فإن الكواركات نفسها ليست هي المسؤولة عن كتلة الهادرونات. وبالفعل أمكن في التجارب اللاحقة اكتشاف أن كتلة الكواركات نفسها لا تتجاوز حوالي اثنين بالمئة من كتلة البروتون، أما بقية الجاذبية فتنشأ بسبب مجال القوة (الجسيمات الخاصة – الغلوونات) التي ربط الكواركات معًا. من خلال تغيير الموقع النسبي للكواركات، على سبيل المثال، بتحريكها بعيدًا عن بعضها البعض، فإننا بذلك نغير سحابة الغلونات، مما يجعلها أكثر ضخامة، وهذا هو سبب زيادة كتلة الهادرونات (الشكل 1).

ماذا يحدث داخل البروتون سريع الحركة؟

كل ما تم وصفه أعلاه يتعلق ببروتون ثابت، في لغة الفيزيائيين، هذا هو هيكل البروتون في إطاره الساكن. ومع ذلك، في التجربة، تم اكتشاف بنية البروتون لأول مرة في ظل ظروف أخرى - في الداخل الطيران السريعبروتون.

في أواخر الستينيات، في التجارب على تصادمات الجسيمات في المسرعات، لوحظ أن البروتونات التي تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء تتصرف كما لو أن الطاقة الموجودة بداخلها لم يتم توزيعها بالتساوي، ولكنها كانت مركزة في أجسام فردية مدمجة. اقترح الفيزيائي الشهير ريتشارد فاينمان تسمية هذه الكتل من المادة بالبروتونات com.partons(من الانجليزية جزء -جزء).

قامت التجارب اللاحقة بفحص العديد من خصائص البارتونات، على سبيل المثال، شحنتها الكهربائية، وعددها، وجزء طاقة البروتون الذي يحمله كل منها. اتضح أن الأجزاء المشحونة هي كواركات، والأجزاء المحايدة هي غلوونات. نعم، تلك الجلونات نفسها، التي في إطار سكون البروتون "تخدم" الكواركات ببساطة، وتجذبها إلى بعضها البعض، أصبحت الآن جزءًا مستقلاً، وتحمل، جنبًا إلى جنب مع الكواركات، "مادة" وطاقة بروتون سريع الحركة. أظهرت التجارب أن ما يقرب من نصف الطاقة يتم تخزينها في الكواركات، ونصفها الآخر في الغلوونات.

تتم دراسة الأجزاء بشكل أكثر ملاءمة في تصادمات البروتونات مع الإلكترونات. والحقيقة هي أنه، على عكس البروتون، لا يشارك الإلكترون في التفاعلات النووية القوية، ويبدو اصطدامه بالبروتون بسيطًا للغاية: يصدر الإلكترون فوتونًا افتراضيًا لفترة قصيرة جدًا، والذي يصطدم ببارتون مشحون ويولد في النهاية فوتونًا افتراضيًا. عدد كبير من الجزيئات ( الشكل 2). يمكننا أن نقول أن الإلكترون هو مشرط ممتاز "لفتح" البروتون وتقسيمه إلى أجزاء منفصلة - ولكن لفترة قصيرة جدًا فقط. وبمعرفة عدد المرات التي تحدث فيها مثل هذه العمليات في المسرع، يمكن قياس عدد الأجزاء داخل البروتون وشحناتها.

من هم البارتون حقا؟

وهنا نأتي إلى اكتشاف مذهل آخر توصل إليه الفيزيائيون أثناء دراسة تصادمات الجسيمات الأولية عند الطاقات العالية.

في ظل الظروف العادية، فإن السؤال عما يتكون منه هذا الكائن أو ذاك له إجابة عالمية لجميع الأنظمة المرجعية. على سبيل المثال، يتكون جزيء الماء من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة - ولا يهم ما إذا كنا ننظر إلى جزيء ثابت أو متحرك. ومع ذلك، تبدو هذه القاعدة طبيعية جدًا! - ينتهك إذا كنا نتحدث عن جسيمات أولية تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء. في أحد الإطارات المرجعية، قد يتكون الجسيم المعقد من مجموعة من الجسيمات الفرعية، وفي إطار مرجعي آخر من مجموعة أخرى. لقد أتضح أن التكوين هو مفهوم نسبي!

كيف يمكن أن يكون هذا؟ المفتاح هنا هو خاصية مهمة: عدد الجزيئات في عالمنا ليس ثابتا - يمكن أن تولد الجزيئات وتختفي. على سبيل المثال، إذا قمت بجمع إلكترونين مع طاقة عالية بما فيه الكفاية، فبالإضافة إلى هذين الإلكترونين، يمكن أن يولد إما فوتون، أو زوج إلكترون-بوزيترون، أو بعض الجزيئات الأخرى. كل هذا تسمح به قوانين الكم، وهذا بالضبط ما يحدث في التجارب الحقيقية.

لكن "قانون عدم حفظ" الجسيمات هذا يعمل في حالة الاصطداماتحبيبات. كيف يحدث أن يبدو نفس البروتون من وجهات نظر مختلفة وكأنه يتكون من مجموعة مختلفة من الجسيمات؟ النقطة المهمة هي أن البروتون ليس مجرد ثلاثة كواركات مجتمعة. يوجد مجال قوة غلوون بين الكواركات. بشكل عام، مجال القوة (مثل مجال الجاذبية أو المجال الكهربائي) هو نوع من "الكيان" المادي الذي يتخلل الفضاء ويسمح للجسيمات بممارسة تأثير قوي على بعضها البعض. في نظرية الكم، يتكون الحقل أيضًا من جزيئات، وإن كانت خاصة - جزيئات افتراضية. وعدد هذه الجسيمات ليس ثابتا، فهي تنبثق باستمرار من الكواركات ويتم امتصاصها من قبل الكواركات الأخرى.

يستريحيمكن اعتبار البروتون بمثابة ثلاثة كواركات مع غلوونات تقفز فيما بينها. لكن إذا نظرنا إلى نفس البروتون من إطار مرجعي مختلف، كما لو نظرنا من نافذة "القطار النسبي" الذي يمر، فسنرى صورة مختلفة تمامًا. تلك الغلونات الافتراضية التي ألصقت الكواركات معًا ستبدو أقل افتراضية، وجسيمات "أكثر واقعية". إنهم، بالطبع، لا يزالون يولدون ويستوعبون الكواركات، لكنهم في الوقت نفسه يعيشون بمفردهم لبعض الوقت، ويطيرون بجانب الكواركات، مثل الجزيئات الحقيقية. ما يبدو وكأنه مجال قوة بسيط في إطار مرجعي واحد يتحول إلى تيار من الجسيمات في إطار آخر! لاحظ أننا لا نلمس البروتون نفسه، بل ننظر إليه فقط من إطار مرجعي مختلف.

بالإضافة إلى. كلما اقتربت سرعة "قطارنا النسبي" من سرعة الضوء، كلما كانت الصورة التي سنراها داخل البروتون أكثر روعة. ومع اقترابنا من سرعة الضوء، سنلاحظ وجود المزيد والمزيد من الجلونات داخل البروتون. علاوة على ذلك، فإنها تنقسم أحيانًا إلى أزواج من الكواركات والكواركات المضادة، والتي تطير أيضًا في مكان قريب وتُعتبر أيضًا جزءًا من الجسيمات. ونتيجة لذلك، يظهر بروتون فائق النسبية، أي بروتون يتحرك بالنسبة إلينا بسرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء، على شكل سحب متداخلة من الكواركات والكواركات المضادة والغلوونات التي تطير معًا ويبدو أنها تدعم بعضها البعض (الشكل 1). .3).

ربما يشعر القارئ المطلع على النظرية النسبية بالقلق. تعتمد كل الفيزياء على مبدأ أن أي عملية تتم بنفس الطريقة في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. ولكن تبين أن تركيب البروتون يعتمد على الإطار المرجعي الذي نرصده منه؟!

نعم، بالضبط، ولكن هذا لا ينتهك بأي حال من الأحوال مبدأ النسبية. إن نتائج العمليات الفيزيائية - على سبيل المثال، ما هي الجسيمات وكم عددها الناتجة نتيجة الاصطدام - تبين أنها ثابتة، على الرغم من أن تكوين البروتون يعتمد على الإطار المرجعي.

هذا الوضع، الذي يبدو غير عادي للوهلة الأولى، ولكنه يرضي جميع قوانين الفيزياء، موضح بشكل تخطيطي في الشكل 4. فهو يوضح كيف يبدو اصطدام بروتونين ذوي طاقة عالية في أطر مرجعية مختلفة: في الإطار الباقي لبروتون واحد، في مركز الإطار الكتلي، في الإطار الباقي لبروتون آخر. يتم التفاعل بين البروتونات من خلال سلسلة من الجلونات المنقسمة، ولكن في حالة واحدة فقط تعتبر هذه السلسلة "الداخل" لبروتون واحد، وفي حالة أخرى تعتبر جزءًا من بروتون آخر، وفي الحالة الثالثة تكون ببساطة بعضًا من البروتونات. الجسم الذي يتم تبادله بين بروتونين. هذه السلسلة موجودة، وهي حقيقية، ولكن أي جزء من العملية يجب أن يُنسب إليها يعتمد على الإطار المرجعي.

صورة ثلاثية الأبعاد للبروتون

استندت جميع النتائج التي تحدثنا عنها للتو إلى تجارب أجريت منذ فترة طويلة - في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي. يبدو أنه منذ ذلك الحين كان ينبغي دراسة كل شيء ويجب أن تجد جميع الأسئلة إجاباتها. لكن لا، فبنية البروتون لا تزال واحدة من أكثر المواضيع إثارة للاهتمام في فيزياء الجسيمات. علاوة على ذلك، زاد الاهتمام بها مرة أخرى في السنوات الأخيرة لأن الفيزيائيين اكتشفوا كيفية الحصول على صورة "ثلاثية الأبعاد" لبروتون سريع الحركة، والتي تبين أنها أصعب بكثير من صورة بروتون ثابت.

تخبرنا التجارب الكلاسيكية حول تصادمات البروتونات فقط عن عدد الأجزاء وتوزيع الطاقة فيها. في مثل هذه التجارب، تشارك الجسيمات كأشياء مستقلة، مما يعني أنه من المستحيل أن نعرف منها كيفية تحديد موقع الجسيمات بالنسبة لبعضها البعض، أو كيف تضيف ما يصل إلى البروتون بالضبط. يمكننا القول أنه لفترة طويلة فقط كانت الصورة "أحادية البعد" للبروتون سريع الحركة متاحة للفيزيائيين.

من أجل بناء صورة حقيقية ثلاثية الأبعاد للبروتون ومعرفة توزيع البارتونات في الفضاء، هناك حاجة إلى تجارب أكثر دقة بكثير من تلك التي كانت ممكنة قبل 40 عامًا. لقد تعلم الفيزيائيون إجراء مثل هذه التجارب مؤخرًا، حرفيًا في العقد الماضي. لقد أدركوا أنه من بين العدد الهائل من التفاعلات المختلفة التي تحدث عندما يصطدم الإلكترون بالبروتون، هناك تفاعل خاص واحد - تشتت كومبتون الظاهري العميق, - والتي يمكن أن تخبرنا عن البنية ثلاثية الأبعاد للبروتون.

بشكل عام، تشتت كومبتون، أو تأثير كومبتون، هو الاصطدام المرن للفوتون بجسيم، على سبيل المثال البروتون. يبدو الأمر كما يلي: يصل الفوتون، ويمتصه البروتون، ويدخل في حالة مثارة لفترة قصيرة، ثم يعود إلى حالته الأصلية، ويصدر فوتونًا في اتجاه ما.

لا يؤدي تشتت كومبتون لفوتونات الضوء العادية إلى أي شيء مثير للاهتمام، بل هو ببساطة انعكاس للضوء من البروتون. لكي يتم "تفعيل" البنية الداخلية للبروتون و"الشعور" بتوزيع الكواركات، من الضروري استخدام فوتونات ذات طاقة عالية جدًا - أكثر بمليارات المرات من الضوء العادي. ومثل هذه الفوتونات - وإن كانت افتراضية - يتم توليدها بسهولة بواسطة الإلكترون الساقط. إذا قمنا الآن بدمج أحدهما مع الآخر، فسنحصل على تشتت كومبتون الافتراضي العميق (الشكل 5).

السمة الرئيسية لهذا التفاعل هو أنه لا يدمر البروتون. لا يصطدم الفوتون الساقط بالبروتون فحسب، بل يتحسسه بعناية ثم يطير بعيدًا. يعتمد الاتجاه الذي يطير فيه بعيدًا وجزء الطاقة الذي يأخذه البروتون منه على بنية البروتون، وعلى الترتيب النسبي للأجزاء الموجودة بداخله. ولهذا السبب، من خلال دراسة هذه العملية، من الممكن استعادة المظهر الثلاثي الأبعاد للبروتون، كما لو كان "نحت منحوتته".

صحيح أن هذا أمر يصعب على الفيزيائي التجريبي القيام به. نادرًا ما تحدث العملية المطلوبة ومن الصعب تسجيلها. تم الحصول على البيانات التجريبية الأولى حول هذا التفاعل فقط في عام 2001 في مسرع HERA في مجمع المسرعات الألماني DESY في هامبورغ؛ تتم الآن معالجة سلسلة جديدة من البيانات بواسطة المجربين. ومع ذلك، اليوم بالفعل، استنادًا إلى البيانات الأولى، يرسم المنظرون توزيعات ثلاثية الأبعاد للكواركات والجلونات في البروتون. بدأت الكمية الفيزيائية، التي كان الفيزيائيون قد وضعوا افتراضات بشأنها في السابق، في الظهور أخيرًا من التجربة.

فهل هناك اكتشافات غير متوقعة تنتظرنا في هذا المجال؟ ومن المرجح أن نعم. للتوضيح، لنفترض أنه في نوفمبر 2008 ظهر مقال نظري مثير للاهتمام، ينص على أن البروتون سريع الحركة لا ينبغي أن يبدو كقرص مسطح، بل كعدسة ثنائية التقعر. يحدث هذا لأن البارتونات الموجودة في المنطقة الوسطى من البروتون يتم ضغطها بقوة أكبر في الاتجاه الطولي من البارتونات الموجودة عند الحواف. سيكون من المثير جدًا اختبار هذه التوقعات النظرية تجريبيًا!

لماذا كل هذا مثير للاهتمام للفيزيائيين؟

لماذا يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة كيفية توزيع المادة داخل البروتونات والنيوترونات؟

أولا، هذا مطلوب بمنطق تطور الفيزياء. هناك العديد من الأنظمة المعقدة بشكل مثير للدهشة في العالم والتي لا تستطيع الفيزياء النظرية الحديثة التعامل معها بشكل كامل. الهادرونات هي أحد هذه الأنظمة. من خلال فهم بنية الهادرونات، فإننا نعمل على صقل قدرات الفيزياء النظرية، والتي قد تكون عالمية وربما تساعد في شيء مختلف تمامًا، على سبيل المثال، في دراسة الموصلات الفائقة أو غيرها من المواد ذات الخصائص غير العادية.

ثانياً، هناك فائدة مباشرة للفيزياء النووية. على الرغم من تاريخ دراسة النوى الذرية الذي دام قرنًا تقريبًا، إلا أن المنظرين ما زالوا لا يعرفون القانون الدقيق للتفاعل بين البروتونات والنيوترونات.

عليهم أن يخمنوا هذا القانون جزئيًا بناءً على البيانات التجريبية، وأن يبنوه جزئيًا بناءً على المعرفة حول بنية النيوكليونات. هذا هو المكان الذي ستساعد فيه البيانات الجديدة حول البنية ثلاثية الأبعاد للنيوكليونات.

ثالثا، منذ عدة سنوات، تمكن الفيزيائيون من الحصول على ما لا يقل عن حالة إجمالية جديدة للمادة - بلازما كوارك غلوون. في هذه الحالة، لا تستقر الكواركات داخل البروتونات والنيوترونات الفردية، ولكنها تتحرك بحرية عبر كتلة المادة النووية بأكملها. يمكن تحقيق ذلك، على سبيل المثال، بهذه الطريقة: يتم تسريع النوى الثقيلة في المسرع إلى سرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء، ثم تصطدم وجهاً لوجه. في هذا الاصطدام، تنشأ درجات حرارة تصل إلى تريليونات الدرجات لفترة قصيرة جدًا، مما يؤدي إلى إذابة النوى إلى بلازما كوارك-جلون. لذا، فقد تبين أن الحسابات النظرية لهذا الانصهار النووي تتطلب معرفة جيدة بالبنية الثلاثية الأبعاد للنيوكليونات.

وأخيرًا، هذه البيانات ضرورية جدًا للفيزياء الفلكية. عندما تنفجر النجوم الثقيلة في نهاية حياتها، فإنها غالبًا ما تترك وراءها أجسامًا مضغوطة للغاية - نجوم نيوترونية وربما نجوم كواركية. يتكون قلب هذه النجوم بالكامل من النيوترونات، وربما حتى بلازما كوارك-غلوون الباردة. لقد تم اكتشاف مثل هذه النجوم منذ فترة طويلة، ولكن لا يسع المرء إلا أن يخمن ما يحدث بداخلها. لذا فإن الفهم الجيد لتوزيعات الكواركات يمكن أن يؤدي إلى تقدم في الفيزياء الفلكية.