ev » Dam

Protonun komponenti 5 hərfdən ibarət krossvord tapmacası. Proton elementar hissəcikdir. Proton daxilində hissəciklərin paylanması


  • Tərcümə

düyü. 1: hidrogen atomu. Ölçmək üçün deyil.

Bilirsiniz ki, Böyük Adron Kollayderi əsasən protonları bir-birinə vurur. Bəs proton nədir?

Əvvəla, bu, dəhşətli və tam bir qarışıqlıqdır. Hidrogen atomu sadə və zərif olduğu qədər çirkin və xaotikdir.

Bəs onda hidrogen atomu nədir?

Bu, fiziklərin “bağlı vəziyyət” adlandırdıqlarının ən sadə nümunəsidir. “Dövlət” mahiyyət etibarı ilə kifayət qədər uzun müddətdir mövcud olan bir şey deməkdir, “əlaqəli” isə nikahdakı həyat yoldaşları kimi onun komponentlərinin bir-biri ilə əlaqəli olması deməkdir. Əslində, bir həyat yoldaşının digərindən qat-qat ağır olduğu evli cütlük nümunəsi buraya çox uyğun gəlir. Proton mərkəzdə oturur, çətinliklə hərəkət edir və cismin kənarlarında sizdən və məndən daha sürətli, lakin işıq sürətindən, universal sürət həddindən çox yavaş hərəkət edən bir elektron var. Evlilik idilinin dinc görüntüsü.

Və ya protonun özünə baxana qədər belə görünür. Protonun daxili hissəsi daha çox tək böyüklərin və uşaqların sıx şəkildə yığıldığı bir kommunaya bənzəyir: saf xaos. Bu da bağlı vəziyyətdir, lakin o, hidrogendə olduğu kimi protonu elektronla və ya qızıl kimi daha mürəkkəb atomlarda olduğu kimi atom nüvəsi olan ən azı bir neçə onlarla elektron kimi sadə bir şeyi bağlamır - lakin saysız-hesabsız sayda ( yəni onların sayı həddən artıq çoxdur və onlar praktiki olaraq hesablana bilməyəcək qədər tez dəyişir) kvarklar, antikvarklar və qluonlar adlanan yüngül hissəciklər. Protonun quruluşunu sadəcə təsvir etmək, sadə şəkillər çəkmək mümkün deyil - o, son dərəcə nizamsızdır. Bütün kvarklar, qluonlar, antikvarklar mümkün olan maksimum sürətlə, demək olar ki, işıq sürəti ilə içəridə dolaşır.


düyü. 2: Protonun şəkli. Təsəvvür edin ki, bütün kvarklar (yuxarı, aşağı, qəribə - u,d,s), antikvarklar (tire ilə u,d,s) və qlüonlar (g) demək olar ki, işıq sürəti ilə irəli-geri fırlanır, hər biri ilə toqquşur. başqa, görünür və yox olur

Protonun üç kvarkdan ibarət olduğunu eşitmiş ola bilərsiniz. Ancaq bu yalandır - daha böyük xeyir üçün, amma yenə də olduqca böyükdür. Əslində, bir protonda saysız-hesabsız qluon, antikvark və kvark var. Standart abbreviatura “proton iki yuxarı kvarkdan və bir aşağı kvarkdan ibarətdir” sadəcə olaraq deyir ki, protonda yuxarı kvarklardan iki yuxarı kvark və aşağı kvarklardan bir daha aşağı kvark var. Bu azalmanın doğru olması üçün ona “və saysız-hesabsız daha çox qluon və kvark-antikvark cütlərini” əlavə etmək lazımdır. Bu ifadə olmadan bir proton ideyası o qədər sadələşəcək ki, LHC-nin işini başa düşmək tamamilə qeyri-mümkün olacaq.


düyü. 3: Stereotipik Vikipediya Şəkilində Kiçik Ağ Yalan

Ümumiyyətlə, protonlarla müqayisədə atomlar sərxoş yeniyetmələrin yuxarı-aşağı tullanaraq DJ-ə yellədiyi diskotekaya nisbətən mürəkkəb baletdəki pas de deux kimidir.

Buna görə də, LHC-nin proton toqquşmalarında nə görəcəyini anlamağa çalışan bir nəzəriyyəçisinizsə, çətin anlar yaşayacaqsınız. Sadə şəkildə təsvir edilə bilməyən obyektlər arasında toqquşmaların nəticələrini proqnozlaşdırmaq çox çətindir. Amma xoşbəxtlikdən, 1970-ci illərdən Byorkenin 60-cı illərdəki ideyalarına əsaslanaraq, nəzəri fiziklər nisbətən sadə və işləyən texnologiya tapdılar. Ancaq yenə də müəyyən hədlərə qədər işləyir, dəqiqliklə təxminən 10%. Bu və bəzi digər səbəblərə görə, LHC-də hesablamalarımızın etibarlılığı həmişə məhduddur.

Protonun başqa bir cəhəti onun kiçik olmasıdır. Həqiqətən kiçik. Yataq otağınızın ölçüsündə bir hidrogen atomunu partlatsanız, proton o qədər kiçik bir toz dənəciyi böyüklüyündə olacaq ki, bunu fərq etmək çox çətin olacaq. Məhz proton o qədər kiçik olduğu üçün onun daxilində baş verən xaosu görməzlikdən gələ, hidrogen atomunu sadə adlandıra bilərik. Daha dəqiq desək, protonun ölçüsü hidrogen atomunun ölçüsündən 100.000 dəfə kiçikdir.

Müqayisə üçün qeyd edək ki, Günəşin ölçüsü Günəş sisteminin ölçüsündən (Neptunun orbiti ilə ölçülür) cəmi 3000 dəfə kiçikdir. Doğrudur - atom Günəş sistemindən daha boşdur! Gecələr səmaya baxanda bunu xatırla.

Ancaq soruşa bilərsiniz: “Bir saniyə gözləyin! Siz deyirsiniz ki, Böyük Adron Kollayderi atomdan 100.000 dəfə kiçik olan protonları bir növ toqquşdurur? Bu necə mümkündür?

Əla sual.

Protonların toqquşması kvarkların, qluonların və antikvarkların mini toqquşmalarına qarşı

LHC-də protonların toqquşması müəyyən bir enerji ilə baş verir. 2011-ci ildə 7 TeV = 7000 GeV, 2012-ci ildə isə 8 TeV = 8000 GeV olmuşdur. Lakin hissəcik fiziklərini əsasən bir protonun kvarkının digər protonun antikvarkı ilə toqquşması və ya iki qlüonun toqquşması və s. – həqiqətən yeni bir fiziki hadisənin yaranmasına səbəb ola biləcək bir şey. Bu mini toqquşmalar ümumi proton toqquşma enerjisinin kiçik bir hissəsini daşıyır. Bu enerjinin nə qədərini daşıya bilərlər və nə üçün toqquşma enerjisini 7 TeV-dən 8 TeV-ə qədər artırmaq lazım idi?

Cavab Şek. 4. Qrafikdə ATLAS detektoru tərəfindən aşkar edilən toqquşmaların sayı göstərilir. 2011-ci ilin yayından əldə edilən məlumatlar kvarkların, antikvarkların və qlüonların digər kvarklardan, antikvarklardan və qlüonlardan səpilməsini əhatə edir. Belə mini-toqquşmalar ən çox iki reaktiv (hadronların reaktivi, yüksək enerjili kvarkların təzahürləri, qluonlar və ya ana protonlardan çıxarılan antikvarklar) istehsal edir. Təyyarələrin enerjiləri və istiqamətləri ölçülür və bu məlumatlardan mini-toqquşmaya cəlb edilməli olan enerjinin miqdarı müəyyən edilir. Qrafik enerjinin funksiyası olaraq bu tip mini toqquşmaların sayını göstərir. Şaquli ox loqarifmikdir - hər bir sətir kəmiyyətin 10 qat artımını bildirir (10 n 1-i və ondan sonra n sıfırları bildirir). Məsələn, 1550-dən 1650 GeV-ə qədər enerji intervalında müşahidə edilən mini-toqquşmaların sayı təxminən 10 3 = 1000 (mavi xətlərlə işarələnmiş) olmuşdur. Qeyd edək ki, qrafik 750 GeV-dən başlayır, lakin siz daha aşağı enerjili reaktivləri öyrəndikcə mini-toqquşmaların sayı artmağa davam edir, o yerə qədər ki, reaktivlər aşkar etmək üçün çox zəif olur.


düyü. 4: enerjidən asılı olaraq toqquşmaların sayı (m jj)

Nəzərə alın ki, enerjisi 7 TeV = 7000 GeV olan proton-proton toqquşmalarının ümumi sayı 100.000.000.000.000-a yaxınlaşdı.Və bütün bu toqquşmalardan yalnız iki mini toqquşma 3500 GeV-i keçdi - proton toqquşmasının enerjisinin yarısı. Nəzəri olaraq, mini toqquşmanın enerjisi 7000 GeV-ə qədər arta bilər, lakin bunun ehtimalı hər zaman azalır. Biz 6000 GeV mini-toqquşmalarını o qədər nadir hallarda görürük ki, 100 dəfə çox məlumat toplasaq belə, çətin ki, 7000 GeV görə bilək.

2010-2011-ci illərdə toqquşma enerjisini 7 TeV-dən 2012-ci ildə 8 TeV-ə yüksəltməyin üstünlükləri hansılardır? Aydındır ki, E enerji səviyyəsində nə edə bilərdinizsə, indi 8/7 E ≈ 1.14 E enerji səviyyəsində edə bilərsiniz. Beləliklə, əgər əvvəllər müəyyən bir hipotetik hissəcik növünə aid bu qədər çox məlumatda əlamətləri görməyə ümid edə bilsəniz, kütləsi 1000 GeV/c 2, onda biz indi eyni məlumat dəsti ilə ən azı 1100 GeV/c 2-yə nail olacağımıza ümid edə bilərik. Maşının imkanları artır - siz bir qədər böyük kütlənin hissəciklərini axtara bilərsiniz. Və 2012-ci ildə 2011-ci ilə nisbətən üç dəfə çox məlumat toplasanız, hər bir enerji səviyyəsi üçün daha çox toqquşma əldə edəcəksiniz və məsələn, 1200 GeV/s 2 kütləsi olan hipotetik hissəciyin imzasını görə biləcəksiniz.

Ancaq bu hamısı deyil. Şəkildəki mavi və yaşıl xətlərə baxın. 4: onlar göstərirlər ki, onlar 1400 və 1600 GeV nizamlı enerjilərdə baş verirlər - elə bir şəkildə bir-biri ilə 7-dən 8-ə qədər korrelyasiya edirlər. 7 TeV proton toqquşma enerjisi səviyyəsində kvarkların kvarklarla mini toqquşmalarının sayı , qluonlu kvarklar və s. P. 1400 GeV enerjisi ilə 1600 GeV enerji ilə toqquşmaların sayından iki dəfə çoxdur. Amma maşın enerjini 8/7 artırdıqda, 1400 üçün işləyən 1600 üçün işləməyə başlayır. Başqa sözlə, sabit enerjinin mini toqquşması ilə maraqlanırsınızsa, onların sayı artır - və 14% artımdan çox daha çox. proton toqquşma enerjisində! Bu o deməkdir ki, üstünlük verilən enerji ilə istənilən proses üçün, deyək ki, 100-200 GeV enerjilərində baş verən yüngül Higgs hissəciklərinin görünüşü, eyni pula daha çox nəticə əldə edirsiniz. 7-dən 8 TeV-ə keçmək o deməkdir ki, eyni sayda proton toqquşması üçün daha çox Higgs hissəcikləri əldə edirsiniz. Higgs hissəciklərinin istehsalı təxminən 1,5 artacaq. Yuxarı kvarkların və bəzi hipotetik hissəciklərin sayı bir qədər çox artacaq.

Bu o deməkdir ki, 2012-ci ildə proton toqquşmalarının sayı 2011-ci illə müqayisədə 3 dəfə çox olsa da, istehsal olunan Higgs hissəciklərinin ümumi sayı sadəcə olaraq enerji artımı hesabına təxminən 4 dəfə artacaq.

Yeri gəlmişkən, şək. Şəkil 4 də sübut edir ki, protonlar sadəcə olaraq iki yuxarı və bir aşağı kvarkdan ibarət deyil. 3. Əgər onlar olsaydı, o zaman kvarklar protonların enerjisinin təxminən üçdə birini ötürməli olardılar və əksər mini-toqquşmalar proton toqquşma enerjisinin təxminən üçdə bir enerjisində baş verərdi: təxminən 2300 GeV. Lakin qrafik göstərir ki, 2300 GeV bölgəsində xüsusi heç nə baş vermir. 2300 GeV-dən aşağı olan enerjilərdə daha çox toqquşma olur və nə qədər aşağı düşsəniz, bir o qədər çox toqquşma görürsünüz. Bunun səbəbi, protonun hər biri protonun enerjisinin kiçik bir hissəsini ötürən çoxlu sayda qluon, kvark və antikvarklardan ibarət olmasıdır, lakin onların çoxu var ki, çox sayda mini toqquşmalarda iştirak edirlər. Protonun bu xüsusiyyəti Şəkildə göstərilmişdir. 2 – baxmayaraq ki, əslində aşağı enerjili qluonların və kvark-antikvark cütlərinin sayı şəkildə göstərildiyindən qat-qat çoxdur.

Lakin qrafikin göstərmədiyi kəsirdir ki, müəyyən enerji ilə mini toqquşmalarda kvarkların kvarklarla, kvarkların qluonlarla, qluonların qluonlarla, kvarkların antikvarklarla və s. toqquşmalarına düşür. Əslində, bunu LHC-də aparılan təcrübələrdən birbaşa söyləmək olmaz - kvarklardan, antikvarklardan və qluonlardan olan reaktivlər eyni görünür. Bu paylaşımları necə bildiyimiz çoxlu müxtəlif keçmiş təcrübələri və onları birləşdirən nəzəriyyəni əhatə edən mürəkkəb bir hekayədir. Və buradan bilirik ki, ən yüksək enerjili mini toqquşmalar adətən kvarklar və kvarklar arasında və kvarklar və qluonlar arasında baş verir. Aşağı enerjili toqquşmalar adətən qluonlar arasında baş verir. Kvarklar və antikvarklar arasında toqquşmalar nisbətən nadirdir, lakin müəyyən fiziki proseslər üçün çox vacibdir.

Proton daxilində hissəciklərin paylanması


düyü. 5

Şaquli oxun miqyasında fərqlənən iki qrafik proton enerjisinin x-ə bərabər hissəsini daşıyan qlüon, yuxarı və ya aşağı kvark və ya antikvarkla toqquşma ehtimalını göstərir. Kiçik x-də qlüonlar üstünlük təşkil edir (və kvarklar və antikvarklar eyni dərəcədə ehtimallı olur və çoxalır, baxmayaraq ki, onların sayı hələ də qlüonlardan azdır), orta x-də isə kvarklar üstünlük təşkil edir (baxmayaraq ki, onların sayı olduqca az olur).

Hər iki qrafik eyni şeyi, sadəcə olaraq fərqli miqyasda göstərir, ona görə də onlardan birində çətin olanı digərində görmək daha asandır. Onların göstərdikləri budur: Böyük Adron Kollayderində sizə bir proton şüası gəlirsə və siz protonun içərisində bir şeyə dəysəniz, yuxarı kvarka, aşağı kvarka, qlüona və ya bir qlüona dəymə ehtimalınız nə qədərdir? yuxarı antikvark, yoxsa aşağı kvark?proton enerjisinin x-ə bərabər bir hissəsini daşıyan antikvark? Bu qrafiklərdən belə nəticəyə gəlmək olar:

Bütün əyrilərin kiçik x-də çox sürətlə böyüməsindən (aşağı qrafikdə görünür) belə çıxır ki, protondakı hissəciklərin çoxu 10%-dən az (x) ötürür.< 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.
Sarı əyri (aşağıda) digərlərindən çox yüksək olduğundan, protonun enerjisinin 10% -dən azını daşıyan bir şeylə qarşılaşsanız, bu, çox güman ki, bir gluondur; və proton enerjisinin 2%-dən aşağı düşəndə ​​onun kvark və ya antikvark olma ehtimalı eynidir.
X artdıqca qlüon əyrisi (yuxarı) kvark əyrilərinin altına düşdüyündən belə nəticə çıxır ki, əgər siz proton enerjisinin 20%-dən çoxunu (x > 0,2) daşıyan hər hansı bir şeylə qarşılaşsanız - bu çox, çox nadirdir - bu, çox güman ki, a kvark və onun yuxarı kvark olma ehtimalı onun aşağı kvark olma ehtimalından iki dəfə çoxdur. Bu, “proton iki yuxarı kvark və bir aşağı kvarkdır” fikrinin qalığıdır.
Bütün əyrilər x artdıqca kəskin şəkildə aşağı düşür; Protonun enerjisinin 50%-dən çoxunu daşıyan hər hansı bir şeylə qarşılaşmağınız ehtimalı çox azdır.

Bu müşahidələr dolayı yolla şəkildəki qrafikdə əks olunub. 4. İki qrafiklə bağlı daha bir neçə qeyri-aşkar şey var:
Protonun enerjisinin böyük hissəsi (təxminən bərabər) az sayda yüksək enerjili kvarklar və çoxlu sayda aşağı enerjili qluonlar arasında bölünür.
Hissəciklər arasında sayca az enerjili qlüonlar üstünlük təşkil edir, ondan sonra çox aşağı enerjili kvarklar və antikvarklar gəlir.

Kvarkların və antikvarkların sayı çox böyükdür, lakin: yuxarı kvarkların ümumi sayından yuxarı antikvarkların ümumi sayı ikidir və aşağı kvarkların ümumi sayından aşağı antikvarkların ümumi sayı birdir. Yuxarıda gördüyümüz kimi, əlavə kvarklar sizə doğru uçan protonun enerjisinin əhəmiyyətli bir hissəsini (ancaq əksəriyyətini deyil) daşıyır. Və yalnız bu mənada deyə bilərik ki, proton əsasən iki yuxarı və bir aşağı kvarkdan ibarətdir.

Yeri gəlmişkən, bütün bu məlumatlar maraqlı təcrübə birləşməsindən (əsasən elektronların və ya neytrinoların protonlardan və ya ağır hidrogenin atom nüvələrindən - bir proton və bir neytron olan deyteriumdan) səpilməsi, ətraflı tənliklərdən istifadə etməklə əldə edilmişdir. elektromaqnit, güclü nüvə və zəif nüvə qarşılıqlı təsirlərini təsvir edir. Bu uzun hekayə 1960-cı illərin sonu və 1970-ci illərin əvvəllərinə qədər uzanır. Və o, protonların protonlarla, protonların isə antiprotonlarla toqquşduğu, məsələn, Tevatron və LHC kimi toqquşdurucularda müşahidə olunan hadisələri proqnozlaşdırmaq üçün əla işləyir.

Protonun mürəkkəb quruluşuna dair digər sübutlar

LHC-də əldə edilən bəzi məlumatlara və onun protonun strukturu ilə bağlı iddiaları necə dəstəklədiyinə baxaq (baxmayaraq ki, proton haqqında mövcud anlayış çoxlu təcrübələr sayəsində 3-4 onilliklərə gedib çıxır).

Şəkildəki qrafik. 4, Şəkil 1-də göstərilən kimi bir şeyin baş verdiyi toqquşmaların müşahidələrindən əldə edilir. 6: bir protonun kvarkı və ya antikvarkı və ya qlyonu digər protonun kvarkı və ya antikvarkı və ya qlyonu ilə toqquşur, ondan səpilir (yaxud daha mürəkkəb bir şey baş verir - məsələn, iki qluon toqquşaraq kvarka və antikvarka çevrilir), nəticədə iki hissəcikdə (kvarklar, antikvarklar və ya qluonlar) toqquşma nöqtəsindən uçurlar. Bu iki hissəcik reaktivlərə (hadron jetlərinə) çevrilir. Təyyarələrin enerjisi və istiqaməti təsir nöqtəsini əhatə edən hissəcik detektorlarında müşahidə edilir. Bu məlumat iki orijinal kvark/qluon/antikvarkın toqquşması zamanı nə qədər enerjinin olduğunu anlamaq üçün istifadə olunur. Daha dəqiq desək, iki reaktivin invariant kütləsi c 2-yə vurulduqda iki orijinal kvark/qluon/antikvarkın toqquşmasının enerjisini verir.


düyü. 6

Enerjidən asılı olaraq bu tip toqquşmaların sayı Şəkildə göstərilmişdir. 4. Aşağı enerjilərdə toqquşmaların sayının daha çox olması faktı təsdiq edir ki, protonun içindəki hissəciklərin çoxu onun enerjisinin yalnız kiçik bir hissəsini köçürür. Məlumat 750 GeV enerji ilə başlayır.


düyü. 7: Daha kiçik bir məlumat dəstindən götürülmüş aşağı enerjilər üçün məlumatlar. Dijet kütləsi - şəkildəki m jj ilə eynidir. 4.

Şəkil üçün məlumatlar. 7-si 2010-cu ildə CMS təcrübəsindən götürülmüşdür, bu təcrübədə onlar 220 GeV enerjiyə qədər ət toqquşmalarını tərtib etmişlər. Buradakı qrafik toqquşmaların sayı deyil, bir az daha mürəkkəbdir: hər GeV-ə düşən toqquşmaların sayı, yəni toqquşmaların histoqram sütununun eninə bölünməsi. Görünür ki, eyni təsir bütün məlumat diapazonunda işləməyə davam edir. Şəkildə göstərildiyi kimi toqquşmalar. 6, yüksək enerjilərlə müqayisədə aşağı enerjilərdə daha çox olur. Və bu rəqəm reaktivləri ayırd etmək mümkün olmayana qədər artmağa davam edir. Protonda çoxlu aşağı enerjili hissəciklər var və onlardan bir neçəsi enerjisinin əhəmiyyətli bir hissəsini daşıyır.

Bəs protonda antikvarkların olması haqqında nə demək olar? Şəkildə təsvir olunan toqquşmaya bənzəməyən ən maraqlı üç proses. 6, bəzən LHC-də baş verən (bir neçə milyon proton-proton toqquşmasından birində) prosesi əhatə edir:

Kvark + antikvark -> W + , W - və ya Z hissəciyi.

Onlar Şəkildə göstərilmişdir. 8.


düyü. 8

CMS-dən müvafiq məlumatlar Şəkildə verilmişdir. 9 və 10. Şek. Şəkil 9 göstərir ki, elektron və ya pozitron (solda) və aşkar edilməyən bir şey (ehtimal ki, neytrino və ya antineytrino) və ya muon və antimuon (sağda) yaradan toqquşmaların sayı düzgün proqnozlaşdırılır. Proqnoz Standart Modeli (məlum elementar hissəciklərin davranışını proqnozlaşdıran tənliklər) və protonun strukturunu birləşdirməklə həyata keçirilir. Məlumatlardakı böyük zirvələr W və Z hissəciklərinin görünüşü ilə əlaqədardır.Nəzəriyyə verilənlərə mükəmməl uyğun gəlir.


düyü. 9: qara nöqtələr – məlumat, sarı – proqnozlar. Hadisələrin sayı minlərlə göstərilir. Solda: Mərkəzi zirvə W hissəciklərindəki neytrinolardan qaynaqlanır.Sağda toqquşma zamanı yaranan lepton və antilepton birləşir və onların gəldiyi hissəciyin kütləsi nəzərdə tutulur. Zirvə meydana gələn Z hissəcikləri səbəbindən görünür.

Daha çox təfərrüatları Şəkildə görmək olar. 10, burada göstərilir ki, nəzəriyyə təkcə bunların deyil, həm də bir çox əlaqəli ölçmələrin sayı baxımından - əksəriyyəti kvarkların antikvarklarla toqquşması ilə əlaqələndirilir - məlumatlara mükəmməl uyğun gəlir. Məlumatlar (qırmızı nöqtələr) və nəzəriyyə (mavi çubuqlar) statistik dalğalanmalara görə heç vaxt tam uyğun gəlmir, eyni səbəbdən bir sikkəni on dəfə çevirsəniz, mütləq beş baş və beş quyruq əldə etməyəcəksiniz. Buna görə də, məlumat nöqtələri "səhv çubuğu", şaquli qırmızı zolaqda yerləşdirilir. Zolağın ölçüsü elədir ki, ölçmələrin 30%-i üçün xəta zolağı nəzəriyyə ilə həmsərhəd olmalıdır və ölçmələrin yalnız 5%-i üçün nəzəriyyədən iki zolaq uzaqda olmalıdır. Görünür ki, bütün dəlillər protonun tərkibində çoxlu antikvark olduğunu təsdiqləyir. Və biz proton enerjisinin müəyyən bir hissəsini daşıyan antikvarkların sayını düzgün başa düşürük.


düyü. 10

Sonra hər şey bir az daha mürəkkəbdir. Biz hətta onların daşıdığı enerjidən asılı olaraq nə qədər yuxarı və aşağı kvarklarımız olduğunu bilirik, çünki düzgün proqnozlaşdırdığımız üçün - 10%-dən az səhvlə - W - hissəciklərdən nə qədər çox W + hissəcikləri alırıq (şək. 11).


düyü. on bir

Yuxarı antikvarkların aşağı kvarklara nisbəti 1-ə yaxın olmalıdır, lakin xüsusilə yüksək enerjilərdə aşağı kvarklardan daha çox yuxarı kvark olmalıdır. Şəkildə. 6-da görə bilərik ki, yaranan W + və W - hissəciklərinin nisbəti bizə təxminən W hissəciklərinin istehsalında iştirak edən yuxarı və aşağı kvarkların nisbətini verməlidir.Lakin Şek. Şəkil 11 göstərir ki, W + W - hissəciklərinin ölçülmüş nisbəti 2 ilə 1 deyil, 3 ilə 2 arasındadır. Bu da göstərir ki, protonun iki yuxarı və bir aşağı kvarkdan ibarət olması haqqında sadəlövh fikir çox sadədir. Sadələşdirilmiş 2 ilə 1 nisbəti bulanıqdır, çünki bir protonda yuxarı və aşağı olanlar təxminən bərabər olan çoxlu kvark-antikvark cütləri var. Bulanıqlaşma dərəcəsi 80 GeV olan W hissəciyinin kütləsi ilə müəyyən edilir. Əgər onu yüngülləşdirsəniz, daha çox bulanıqlıq olacaq, daha ağırdırsa, daha az bulanıqlıq olacaq, çünki protondakı kvark-antikvark cütlərinin çoxu az enerji daşıyır.

Nəhayət, protondakı hissəciklərin çoxunun qluon olması faktını təsdiq edək.


düyü. 12

Bunun üçün üst kvarkların iki yolla yaradıla biləcəyindən istifadə edəcəyik: kvark + antikvark -> üst kvark + üst antikvark və ya gluon + qluon -> üst kvark + üst antikvark (şək. 12). Kvarkların və antikvarkların sayını Şəkil 1-də göstərilən ölçmələrə əsasən daşıdıqları enerjidən asılı olaraq bilirik. 9-11. Bundan, yalnız kvarkların və antikvarkların toqquşmalarından nə qədər üst kvarkın yaranacağını proqnozlaşdırmaq üçün Standart Modelin tənliklərindən istifadə edə bilərik. Biz həmçinin əvvəlki məlumatlara əsasən inanırıq ki, bir protonda daha çox qluon var, ona görə də qluon + qluon -> üst kvark + üst antikvark prosesi ən azı 5 dəfə daha çox baş verməlidir. Orada gluonların olub olmadığını yoxlamaq asandır; deyilsə, məlumatlar nəzəri proqnozlardan xeyli aşağı olmalıdır.
gluons Teqlər əlavə edin

Bu yazıda siz digər elementləri ilə birlikdə kainatın əsasını təşkil edən elementar hissəcik kimi kimya və fizikada istifadə edilən proton haqqında məlumat tapa bilərsiniz. Protonun xassələri, kimyadakı xüsusiyyətləri və sabitliyi müəyyən ediləcək.

Proton nədir

Proton elementar hissəciklərin nümayəndələrindən biridir, barion kimi təsnif edilir, məs. burada fermionlar güclü qarşılıqlı təsir göstərir və hissəcik özü 3 kvarkdan ibarətdir. Proton sabit hissəcikdir və şəxsi impulsuna malikdir - spin ½. Proton üçün fiziki təyinatdır səh(və ya səh +)

Proton termonüvə tipli proseslərdə iştirak edən elementar hissəcikdir. Məhz bu reaksiya növü bütün kainatda ulduzların yaratdığı əsas enerji mənbəyidir. Günəşin buraxdığı enerjinin demək olar ki, bütün miqdarı yalnız 4 protonun bir helium nüvəsində birləşməsi və iki protondan bir neytron meydana gəlməsi səbəbindən mövcuddur.

Protona xas olan xüsusiyyətlər

Proton barionların nümayəndələrindən biridir. Bu bir faktdır. Protonun yükü və kütləsi sabit kəmiyyətlərdir. Proton +1 elektrik yüklüdür və onun kütləsi müxtəlif ölçü vahidlərində müəyyən edilir və MeV 938,272 0813(58), protonun kiloqramında çəkisi 1,672 621 898(21) 10 −27 kq rəqəmlərindədir, atom kütlələrinin vahidlərində protonun çəkisi 1,007 276 466 879(91) a. e.m. və elektronun kütləsinə nisbətdə protonun çəkisi elektrona nisbətdə 1836,152 673 89 (17) təşkil edir.

Fizika baxımından yuxarıda tərifi verilmiş bir proton izospin +½ proyeksiyasına malik elementar hissəcikdir və nüvə fizikası bu hissəciyi əks işarə ilə qəbul edir. Protonun özü nuklondur və 3 kvarkdan (iki u kvark və bir d kvark) ibarətdir.

Protonun quruluşu eksperimental olaraq Amerika Birləşmiş Ştatlarından olan nüvə fiziki Robert Hofstadter tərəfindən tədqiq edilmişdir. Bu məqsədə çatmaq üçün fizik protonları yüksək enerjili elektronlarla toqquşdurdu və təsvirinə görə fizika üzrə Nobel mükafatına layiq görüldü.

Protonda protonun elektrik yükünün enerjisinin təxminən otuz beş faizini ehtiva edən və kifayət qədər yüksək sıxlığa malik nüvə (ağır nüvə) var. Nüvəni əhatə edən qabıq nisbətən boşaldılır. Qabıq əsasən və p tipli virtual mezonlardan ibarətdir və protonun elektrik potensialının təxminən əlli faizini daşıyır və təxminən 0,25 * 10 13 ilə 1,4 * 10 13 məsafədə yerləşir. Daha da irəlidə, təxminən 2,5 * 10 13 santimetr məsafədə, qabıq və w virtual mezonlardan ibarətdir və protonun elektrik yükünün təxminən qalan on beş faizini ehtiva edir.

Proton Sabitliyi və Sabitliyi

Sərbəst vəziyyətdə proton heç bir çürümə əlaməti göstərmir, bu da onun sabitliyini göstərir. Barionların ən yüngül nümayəndəsi kimi protonun sabit vəziyyəti barionların sayının qorunma qanunu ilə müəyyən edilir. SBC qanununu pozmadan protonlar neytrinolara, pozitronlara və digər daha yüngül elementar hissəciklərə parçalanmağa qadirdir.

Atom nüvəsinin protonu K, L, M atom qabıqlarına malik olan müəyyən növ elektronları tutmaq qabiliyyətinə malikdir. Elektron tutulmasını tamamlayan proton neytrona çevrilir və nəticədə neytrino buraxır və elektron tutma nəticəsində əmələ gələn “deşik” atom təbəqələrinin üstündəki elektronlarla doldurulur.

Qeyri-inertial istinad sistemlərində, protonlar hesablana bilən məhdud bir ömür əldə etməlidirlər; bu, kvant sahəsi nəzəriyyəsində istilik şüalanmasının sürətləndirilmiş bir istinad sistemində mümkün təfəkkürünü proqnozlaşdıran Unruh effekti (radiasiya) ilə bağlıdır. bu növ radiasiyanın olmaması. Beləliklə, bir proton, əgər məhdud bir ömrü varsa, belə parçalanma prosesinin özünün ZSE tərəfindən qadağan edilməsinə baxmayaraq, pozitron, neytron və ya neytrinoya beta parçalanmasına məruz qala bilər.

Protonların kimyada istifadəsi

Proton tək protondan qurulmuş H atomudur və elektronu yoxdur, ona görə də kimyəvi mənada proton H atomunun bir nüvəsidir.Protonla qoşalaşmış neytron atomun nüvəsini yaradır. Dmitri İvanoviç Mendeleyevin PTCE-də element nömrəsi müəyyən bir elementin atomundaki protonların sayını göstərir və element nömrəsi atom yükü ilə müəyyən edilir.

Hidrogen kationları çox güclü elektron qəbulediciləridir. Kimyada protonlar əsasən üzvi və mineral turşulardan alınır. İonlaşma qaz fazalarında proton istehsal etmək üsuludur.

Maddənin quruluşunu öyrənməklə fiziklər atomların nədən ibarət olduğunu öyrəndilər, atom nüvəsinə çatdılar və onu proton və neytronlara ayırdılar. Bütün bu addımlar olduqca asanlıqla verildi - sadəcə hissəcikləri lazımi enerjiyə qədər sürətləndirmək, onları bir-birinə itələmək və sonra onlar özləri komponent hissələrinə parçalanacaqlar.

Lakin proton və neytronlarla bu hiylə artıq işləmirdi. Onlar kompozit hissəciklər olsalar da, ən şiddətli toqquşmada belə "parçalana bilməzlər". Buna görə də, fiziklərə protonun içərisinə baxmaq, onun quruluşunu və formasını görmək üçün müxtəlif yollar tapmaq üçün onilliklər lazım idi. Bu gün protonun strukturunun öyrənilməsi hissəciklər fizikasının ən aktiv sahələrindən biridir.

Təbiət göstərişlər verir

Proton və neytronların quruluşunun öyrənilməsinin tarixi 1930-cu illərə təsadüf edir. Protonlara əlavə olaraq neytronlar aşkar edildikdə (1932) onların kütləsini ölçən fiziklər onun protonun kütləsinə çox yaxın olduğunu görəndə təəccübləndilər. Üstəlik, proton və neytronların nüvə qarşılıqlı təsirini eyni şəkildə "hiss etdikləri" ortaya çıxdı. O qədər eynidir ki, nüvə qüvvələri baxımından proton və neytron eyni hissəciyin - nuklonun iki təzahürü kimi qəbul edilə bilər: proton elektrik yüklü nuklon, neytron isə neytral nuklondur. Protonları neytronlara dəyişdirmək və nüvə qüvvələri (demək olar ki) heç nə hiss etməyəcək.

Fiziklər təbiətin bu xüsusiyyətini simmetriya kimi ifadə edirlər - nüvə qarşılıqlı təsiri protonların neytronlarla əvəzlənməsinə görə simmetrikdir, necə ki, bir kəpənək solun sağla əvəzlənməsinə görə simmetrikdir. Bu simmetriya, nüvə fizikasında mühüm rol oynamaqla yanaşı, əslində nuklonların maraqlı daxili quruluşa malik olduğuna dair ilk işarə idi. Düzdür, 30-cu illərdə fiziklər bu işarəni dərk etmədilər.

Anlayış sonradan gəldi. 1940-50-ci illərdə protonların müxtəlif elementlərin nüvələri ilə toqquşması reaksiyalarında elm adamlarının getdikcə daha çox yeni hissəciklər kəşf etmələri ilə başladı. Nüvələrdə nuklonları saxlayan protonlar, neytronlar, o zaman kəşf edilmiş pi-mezonlar deyil, bəzi tamamilə yeni hissəciklər. Bütün müxtəlifliyinə baxmayaraq, bu yeni hissəciklər iki ümumi xüsusiyyətə malik idi. Birincisi, onlar, nuklonlar kimi, nüvə qarşılıqlı təsirlərində çox həvəslə iştirak edirdilər - indi belə hissəciklər adronlar adlanır. İkincisi, onlar son dərəcə qeyri-sabit idilər. Onlardan ən qeyri-sabit olanı nanosaniyənin trilyonda birində başqa hissəciklərə çevrildi, hətta atom nüvəsi ölçüsündə uçmağa belə vaxt tapmadı!

Uzun müddətdir ki, hadron "zooparkı" tam bir qarışıqlıq idi. 1950-ci illərin sonunda fiziklər artıq kifayət qədər müxtəlif tipli adronları öyrənmiş, onları bir-biri ilə müqayisə etməyə başlamışdılar və birdən onların xassələrində müəyyən ümumi simmetriya, hətta dövrilik də görmüşdülər. Bütün adronların (nüklonlar da daxil olmaqla) içərisində “kvarklar” adlanan bəzi sadə cisimlərin olması təklif edilmişdir. Kvarkları müxtəlif üsullarla birləşdirərək, təcrübədə aşkar edilmiş eyni tipli və eyni xassələrə malik müxtəlif adronlar əldə etmək mümkündür.

Protonu proton edən nədir?

Fiziklər adronların kvark quruluşunu kəşf etdikdən və kvarkların bir neçə fərqli növdə olduğunu öyrəndikdən sonra aydın oldu ki, kvarklardan çoxlu müxtəlif hissəciklər yaradıla bilər. Beləliklə, sonrakı təcrübələr bir-birinin ardınca yeni hadronlar tapmağa davam etdikdə heç kim təəccüblənmədi. Lakin bütün hadronlar arasında proton kimi cəmi iki hissədən ibarət bütöv bir hissəciklər ailəsi kəşf edildi. u-kvarklar və bir d-kvark. Protonun bir növ "qardaşı". Və burada fizikləri bir sürpriz gözləyirdi.

Əvvəlcə sadə bir müşahidə aparaq. Eyni "kərpicdən" ibarət bir neçə obyektimiz varsa, daha ağır cisimlərdə daha çox "kərpic", daha yüngül olanlarda isə daha az olur. Bu, birləşmə prinsipi və ya üst quruluş prinsipi adlandırıla bilən çox təbii bir prinsipdir və həm gündəlik həyatda, həm də fizikada mükəmməl işləyir. O, hətta atom nüvələrinin strukturunda da özünü göstərir - axı, daha ağır nüvələr sadəcə olaraq daha çox sayda proton və neytrondan ibarətdir.

Ancaq kvarklar səviyyəsində bu prinsip heç işləmir və etiraf etmək lazımdır ki, fiziklər bunun səbəbini hələ tam başa düşməyiblər. Belə çıxır ki, protonun ağır qardaşları da protondan bir yarım, hətta iki dəfə ağır olsalar da, protonla eyni kvarklardan ibarətdir. Onlar protondan fərqlənirlər (və bir-birindən fərqlənirlər) yox kompozisiya, və qarşılıqlı yer kvarklar, bu kvarkların bir-birinə nisbətən olduğu vəziyyətə görə. Kvarkların nisbi mövqeyini dəyişdirmək kifayətdir - və protondan başqa, nəzərəçarpacaq dərəcədə daha ağır hissəcik alacağıq.

Hələ də üçdən çox kvarkı birlikdə götürüb toplasanız nə olacaq? Yeni bir ağır hissəcik olacaqmı? Təəccüblüdür ki, bu işləməyəcək - kvarklar üç-üç parçalanacaq və bir neçə səpələnmiş hissəciklərə çevriləcək. Nədənsə təbiət çoxlu kvarkları bir bütövlükdə birləşdirməyi “sevmir”! Yalnız bu yaxınlarda, sözün həqiqi mənasında, son illərdə bəzi çox kvark hissəciklərinin mövcud olduğuna dair göstərişlər görünməyə başladı, lakin bu, təbiətin onları nə qədər sevmədiyini vurğulayır.

Bu kombinatorikadan çox mühüm və dərin bir nəticə çıxır - adronların kütləsi heç də kvarkların kütləsindən ibarət deyil. Amma əgər adronun kütləsini sadəcə onu təşkil edən kərpicləri yenidən birləşdirməklə artırmaq və ya azaltmaq olarsa, o zaman adronların kütləsinə cavabdeh olan kvarkların özləri deyil. Və həqiqətən də, sonrakı təcrübələrdə müəyyən etmək mümkün oldu ki, kvarkların öz kütləsi proton kütləsinin cəmi iki faizini təşkil edir və cazibə qüvvəsinin qalan hissəsi güc sahəsi (xüsusi hissəciklər - qluonlar) hesabına yaranır. kvarkları bir-birinə bağlayın. Kvarkların nisbi mövqeyini dəyişdirərək, məsələn, onları bir-birindən uzaqlaşdıraraq, biz bununla da qluon buludunu dəyişdiririk, onu daha kütləvi hala gətiririk, buna görə də hadron kütləsi artır (şək. 1).

Sürətlə hərəkət edən protonun içində nələr baş verir?

Yuxarıda təsvir edilən hər şey stasionar protona aiddir; fiziklərin dili ilə desək, bu, protonun istirahət çərçivəsindəki quruluşudur. Lakin təcrübədə protonun quruluşu ilk olaraq başqa şəraitdə - içəridə aşkar edilib sürətli uçuş proton.

1960-cı illərin sonunda sürətləndiricilərdə zərrəciklərin toqquşması ilə bağlı aparılan təcrübələrdə aydınlığa yaxın sürətlə hərəkət edən protonların sanki onların daxilindəki enerji bərabər paylanmamış, ayrı-ayrı yığcam cisimlərdə cəmləşmiş kimi davrandıqları müşahidə edildi. Məşhur fizik Riçard Feynman bu maddə yığınlarını protonlar adlandırmağı təklif etdi. partons(ingilis dilindən hissə - Hissə).

Sonrakı təcrübələr partonların bir çox xüsusiyyətlərini - məsələn, onların elektrik yükünü, sayını və hər birinin daşıdığı proton enerjisinin hissəsini araşdırdı. Məlum olur ki, yüklü partonlar kvarklar, neytral partonlar isə qluonlardır. Bəli, protonun sükunət çərçivəsində kvarklara sadəcə “xidmət edən” və onları bir-birinə cəlb edən həmin qlüonlar indi müstəqil partonlardır və kvarklarla birlikdə sürətlə hərəkət edən protonun “maddəsini” və enerjisini daşıyırlar. Təcrübələr göstərdi ki, enerjinin təxminən yarısı kvarklarda, yarısı isə qluonlarda toplanır.

Partonlar ən rahat şəkildə protonların elektronlarla toqquşmasında öyrənilir. Məsələ burasındadır ki, protondan fərqli olaraq elektron güclü nüvə qarşılıqlı təsirlərində iştirak etmir və onun protonla toqquşması çox sadə görünür: elektron çox qısa müddətə virtual foton buraxır, bu da yüklü partona çırpılır və nəticədə elektron fotonu yaradır. çoxlu sayda hissəciklər (şək. 2). Deyə bilərik ki, elektron protonu "açmaq" və onu ayrı-ayrı hissələrə bölmək üçün əla bir skalpeldir - ancaq çox qısa müddətə. Sürətləndiricidə bu cür proseslərin nə qədər tez-tez baş verdiyini bilməklə, protonun içindəki partonların sayını və onların yüklərini ölçmək olar.

Partonlar həqiqətən kimlərdir?

Və burada biz fiziklərin yüksək enerjilərdə elementar hissəciklərin toqquşmasını öyrənərkən əldə etdikləri başqa bir heyrətamiz kəşfə gəlirik.

Normal şəraitdə bu və ya digər obyektin nədən ibarət olması sualının bütün istinad sistemləri üçün universal cavabı var. Məsələn, bir su molekulu iki hidrogen atomundan və bir oksigen atomundan ibarətdir - sabit və ya hərəkət edən bir molekula baxmağımızın fərqi yoxdur. Ancaq bu qayda çox təbii görünür! - işıq sürətinə yaxın sürətlə hərəkət edən elementar hissəciklərdən danışırıqsa pozulur. Bir istinad çərçivəsində mürəkkəb hissəcik bir alt hissəciklər dəstindən, digər istinad çərçivəsində isə digərindən ibarət ola bilər. Belə çıxır ki kompozisiya nisbi anlayışdır!

Bu necə ola bilər? Burada əsas vacib bir xüsusiyyətdir: dünyamızda hissəciklərin sayı sabit deyil - hissəciklər doğula və yox ola bilər. Məsələn, kifayət qədər yüksək enerjiyə malik iki elektronu itələsəniz, bu iki elektrona əlavə olaraq ya bir foton, ya da elektron-pozitron cütü və ya başqa hissəciklər yarana bilər. Bütün bunlara kvant qanunları icazə verir və real təcrübələrdə də məhz belə olur.

Lakin hissəciklərin bu “saxlanmaması qanunu” işləyir toqquşmalar zamanı hissəciklər. Necə olur ki, eyni proton müxtəlif nöqteyi-nəzərdən fərqli hissəciklər dəstindən ibarət kimi görünür? Məsələ burasındadır ki, proton sadəcə birləşmiş üç kvark deyil. Kvarklar arasında qluon qüvvəsi sahəsi var. Ümumiyyətlə, güc sahəsi (məsələn, qravitasiya və ya elektrik sahəsi) kosmosa nüfuz edən və hissəciklərin bir-birinə güclü təsir göstərməsinə imkan verən bir növ maddi “varlıq”dır. Kvant nəzəriyyəsində sahə həm də xüsusi hissəciklərdən - virtual hissəciklərdən ibarətdir. Bu hissəciklərin sayı sabit deyil, onlar daim kvarklardan “qönçələnir” və digər kvarklar tərəfindən udulur.

İstirahət Protonu həqiqətən də aralarında qluonların atladığı üç kvark kimi düşünmək olar. Amma eyni protona fərqli istinad çərçivəsindən, sanki yanından keçən “relativistik qatarın” pəncərəsindən baxsaq, tamam başqa mənzərəni görərik. Kvarkları bir-birinə yapışdıran virtual gluonlar daha az virtual, “daha ​​real” hissəciklər kimi görünəcəklər. Onlar, təbii ki, hələ də doğulur və kvarklar tərəfindən udulurlar, lakin eyni zamanda, real zərrəciklər kimi kvarkların yanında uçaraq bir müddət özbaşına yaşayırlar. Bir istinad çərçivəsindəki sadə güc sahəsi kimi görünən şey, başqa bir çərçivədə hissəciklər axınına çevrilir! Qeyd edək ki, biz protonun özünə toxunmuruq, ona yalnız fərqli istinad çərçivəsindən baxırıq.

Daha çox. Bizim “nisbi qatarımızın” sürəti işıq sürətinə nə qədər yaxındırsa, protonun içərisində görəcəyimiz mənzərə bir o qədər heyrətamiz olacaq. İşıq sürətinə yaxınlaşdıqca protonun içərisində getdikcə daha çox qluon olduğunu görəcəyik. Üstəlik, onlar bəzən kvark-antikvark cütlərinə bölünürlər, onlar da yaxınlıqda uçurlar və həm də parton sayılırlar. Nəticədə, ultrarelativistik bir proton, yəni bizə nisbətən işıq sürətinə çox yaxın sürətlə hərəkət edən bir proton birlikdə uçan və sanki bir-birini dəstəkləyən kvarkların, antikvarkların və qlüonların bir-birinə nüfuz edən buludları şəklində görünür (Şəkil 2). 3).

Nisbilik nəzəriyyəsi ilə tanış olan oxucu narahat ola bilər. Bütün fizika hər hansı bir prosesin bütün inertial istinad sistemlərində eyni şəkildə getməsi prinsipinə əsaslanır. Amma belə çıxır ki, protonun tərkibi onu müşahidə etdiyimiz istinad çərçivəsindən asılıdır?!

Bəli, dəqiq, lakin bu heç bir şəkildə nisbilik prinsipini pozmur. Fiziki proseslərin nəticələri - məsələn, hansı hissəciklərin və nə qədər toqquşma nəticəsində əmələ gəldiyi - invariant olur, baxmayaraq ki, protonun tərkibi istinad çərçivəsindən asılıdır.

İlk baxışdan qeyri-adi, lakin bütün fizika qanunlarına cavab verən bu vəziyyət Şəkil 4-də sxematik şəkildə göstərilmişdir. O, yüksək enerjili iki protonun toqquşmasının müxtəlif istinad çərçivələrində necə göründüyünü göstərir: bir protonun istirahət çərçivəsində, kütlə mərkəzinin çərçivəsi, başqa bir protonun qalan çərçivəsində. Protonlar arasındakı qarşılıqlı təsir parçalanan qluonların kaskadı vasitəsilə həyata keçirilir, lakin yalnız bir halda bu kaskad bir protonun “daxili” hesab olunur, başqa bir halda başqa bir protonun bir hissəsi hesab olunur, üçüncüsü isə sadəcə olaraq bəzidir. iki proton arasında mübadilə edilən cisim. Bu kaskad mövcuddur, realdır, lakin prosesin hansı hissəsinə aid edilməsi istinad çərçivəsindən asılıdır.

Protonun 3D portreti

Haqqında danışdığımız bütün nəticələr olduqca uzun müddət əvvəl - keçən əsrin 60-70-ci illərində aparılan təcrübələrə əsaslanırdı. Belə görünür ki, o vaxtdan bəri hər şey öyrənilməli və bütün suallar öz cavabını tapmalı idi. Amma yox - protonun quruluşu hələ də hissəciklər fizikasının ən maraqlı mövzularından biri olaraq qalır. Üstəlik, son illərdə ona maraq yenidən artdı, çünki fiziklər stasionar protonun portretindən daha çətin olduğu ortaya çıxan sürətli hərəkət edən bir protonun "üç ölçülü" portretini necə əldə etməyi tapdılar.

Protonların toqquşması ilə bağlı klassik təcrübələr yalnız partonların sayı və onların enerji paylanması haqqında məlumat verir. Belə təcrübələrdə partonlar müstəqil obyektlər kimi iştirak edirlər, bu isə o deməkdir ki, onlardan partonların bir-birinə nisbətən necə yerləşdiyini və ya onların protona necə dəqiq cəmləşdiyini öyrənmək mümkün deyil. Deyə bilərik ki, uzun müddət fiziklər üçün yalnız sürətli hərəkət edən protonun “bir ölçülü” portreti mövcud idi.

Protonun real, üçölçülü portretini qurmaq və partonların kosmosda paylanmasını öyrənmək üçün 40 il əvvəl mümkün olan təcrübələrdən daha incə təcrübələr tələb olunur. Fiziklər bu cür təcrübələr aparmağı çox yaxınlarda, sözün əsl mənasında, son on ildə öyrəndilər. Onlar başa düşdülər ki, elektron bir protonla toqquşduqda baş verən çox sayda müxtəlif reaksiyalar arasında bir xüsusi reaksiya var - dərin virtual Kompton səpilməsi, - protonun üçölçülü quruluşu haqqında məlumat verə bilər.

Ümumiyyətlə, Kompton səpilməsi və ya Kompton effekti fotonun bir hissəciklə, məsələn, protonla elastik toqquşmasıdır. Bu belə görünür: bir foton gəlir, bir proton tərəfindən udulur, o, qısa müddətə həyəcanlı vəziyyətə düşür və sonra ilkin vəziyyətinə qayıdır, hansısa istiqamətdə foton yayır.

Adi işıq fotonlarının kompton səpilməsi maraqlı heç nəyə gətirib çıxarmır - bu, sadəcə olaraq protondan işığın əks olunmasıdır. Protonun daxili quruluşunun "oynaması" və kvarkların paylanmasının "hiss edilməsi" üçün çox yüksək enerjili fotonlardan - adi işıqdan milyardlarla dəfə çox istifadə etmək lazımdır. Və məhz belə fotonlar - virtual da olsa - təsadüfi elektron tərəfindən asanlıqla yaradılır. İndi birini digəri ilə birləşdirsək, dərin virtual Kompton səpələnməsi əldə edirik (şək. 5).

Bu reaksiyanın əsas xüsusiyyəti protonu məhv etməməsidir. Hadisə fotonu sadəcə protona dəymir, sanki onu diqqətlə hiss edir və sonra uçur. Protonun hansı istiqamətdə uçması və ondan enerjinin hansı hissəsini alması protonun quruluşundan, onun daxilindəki partonların nisbi düzülüşündən asılıdır. Məhz buna görə də bu prosesi öyrənməklə protonun üçölçülü görünüşünü bərpa etmək, sanki “heykəltəraşlığını heykəlləndirmək” mümkündür.

Düzdür, eksperimental fizik üçün bunu etmək çox çətindir. Tələb olunan proses olduqca nadir hallarda baş verir və onu qeydiyyata almaq çətindir. Bu reaksiyaya dair ilk eksperimental məlumatlar yalnız 2001-ci ildə Hamburqda Almaniyanın DESY sürətləndirici kompleksində HERA sürətləndiricisində əldə edilmişdir; yeni məlumatlar seriyası indi təcrübəçilər tərəfindən işlənir. Bununla belə, artıq bu gün ilk məlumatlara əsaslanaraq, nəzəriyyəçilər protonda kvarkların və qluonların üçölçülü paylanmalarını çəkirlər. Fiziklərin əvvəllər yalnız fərziyyələr irəli sürdükləri fiziki kəmiyyət nəhayət təcrübədən “çıxmağa” başladı.

Bu sahədə bizi gözlənilməz kəşflər gözləyirmi? Çox güman ki, bəli. Nümunə üçün deyək ki, 2008-ci ilin noyabrında maraqlı bir nəzəri məqalə çıxdı və orada sürətli hərəkət edən protonun düz diskə deyil, ikikonkav lensə bənzəməsinin vacibliyi qeyd olunur. Bu, protonun mərkəzi bölgəsində oturan partonların kənarlarda oturan partonlara nisbətən uzununa istiqamətdə daha güclü sıxıldığı üçün baş verir. Bu nəzəri proqnozları eksperimental olaraq yoxlamaq çox maraqlı olardı!

Bütün bunlar niyə fiziklər üçün maraqlıdır?

Niyə fiziklər maddənin proton və neytronların içərisində necə paylandığını dəqiq bilməlidirlər?

Birincisi, bunu fizikanın inkişafının özü məntiqi tələb edir. Dünyada müasir nəzəri fizikanın hələ tam öhdəsindən gələ bilmədiyi heyrətamiz dərəcədə mürəkkəb sistemlər çoxdur. Adronlar belə sistemlərdən biridir. Hadronların quruluşunu başa düşməklə, biz nəzəri fizikanın qabiliyyətlərini mükəmməlləşdiririk, bu da universal ola bilər və bəlkə də tamamilə fərqli bir şeydə, məsələn, qeyri-adi xüsusiyyətlərə malik superkeçiricilərin və ya digər materialların öyrənilməsində kömək edəcəkdir.

İkincisi, nüvə fizikası üçün birbaşa fayda var. Atom nüvələrinin öyrənilməsinin demək olar ki, əsrlik tarixinə baxmayaraq, nəzəriyyəçilər hələ də protonlar və neytronlar arasında qarşılıqlı təsir qanununu dəqiq bilmirlər.

Onlar bu qanunu qismən eksperimental məlumatlara əsaslanaraq təxmin etməli, qismən də nuklonların quruluşu haqqında biliklərə əsaslanaraq qurmalıdırlar. Burada nuklonların üçölçülü quruluşu haqqında yeni məlumatlar kömək edəcəkdir.

Üçüncüsü, bir neçə il əvvəl fiziklər nə az, nə çox, yeni məcmu vəziyyət - kvark-qluon plazmasını əldə edə bildilər. Bu vəziyyətdə, kvarklar ayrı-ayrı proton və neytronların içərisində oturmur, lakin nüvə maddəsinin bütün yığını boyunca sərbəst gəzirlər. Buna, məsələn, belə nail olmaq olar: ağır nüvələr sürətləndiricidə işıq sürətinə çox yaxın bir sürətlə sürətləndirilir və sonra baş-başa toqquşur. Bu toqquşmada çox qısa müddət ərzində trilyonlarla dərəcə istiliklər yaranır ki, bu da nüvələri kvark-qluon plazmasına əridir. Beləliklə, belə çıxır ki, bu nüvə əriməsinin nəzəri hesablamaları nuklonların üçölçülü quruluşunu yaxşı bilmək tələb edir.

Nəhayət, bu məlumatlar astrofizika üçün çox lazımdır. Ağır ulduzlar ömürlərinin sonunda partlayanda çox vaxt geridə olduqca yığcam obyektlər - neytron və bəlkə də kvark ulduzları qoyurlar. Bu ulduzların nüvəsi tamamilə neytronlardan və hətta soyuq kvark-qluon plazmasından ibarətdir. Belə ulduzlar çoxdan kəşf edilib, lakin onların daxilində nə baş verdiyini yalnız təxmin etmək olar. Beləliklə, kvark paylamalarının yaxşı başa düşülməsi astrofizikada irəliləyişə səbəb ola bilər.