Συστατικό ενός πρωτονίου σταυρόλεξο 5 γραμμάτων. Ένα πρωτόνιο είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο. Κατανομή σωματιδίων μέσα σε ένα πρωτόνιο

• Μετάφραση

Ρύζι. 1: άτομο υδρογόνου. Όχι σε κλίμακα.

Γνωρίζετε ότι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων ουσιαστικά συνθλίβει πρωτόνια μεταξύ τους. Τι είναι όμως ένα πρωτόνιο;

Πρώτα απ 'όλα, είναι ένα τρομερό και πλήρες χάος. Τόσο άσχημο και χαοτικό όσο το άτομο υδρογόνου είναι απλό και κομψό.

Αλλά τι είναι τότε ένα άτομο υδρογόνου;

Αυτό είναι το απλούστερο παράδειγμα αυτού που οι φυσικοί αποκαλούν «δεσμευμένη κατάσταση». «Πολιτεία» ουσιαστικά σημαίνει κάτι που υπάρχει εδώ και αρκετό καιρό και «συνδεδεμένο» σημαίνει ότι τα συστατικά του συνδέονται μεταξύ τους, όπως οι σύζυγοι σε έναν γάμο. Στην πραγματικότητα, εδώ ταιριάζει πολύ το παράδειγμα ενός παντρεμένου ζευγαριού στο οποίο ο ένας σύζυγος είναι πολύ πιο βαρύς από τον άλλο. Το πρωτόνιο βρίσκεται στο κέντρο, μόλις κινείται, και στις άκρες του αντικειμένου υπάρχει ένα ηλεκτρόνιο που κινείται, που κινείται πιο γρήγορα από εσάς και εγώ, αλλά πολύ πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός, το καθολικό όριο ταχύτητας. Μια ειρηνική εικόνα ενός ειδυλλίου γάμου.

Ή φαίνεται έτσι μέχρι να δούμε το ίδιο το πρωτόνιο. Το εσωτερικό του ίδιου του πρωτονίου μοιάζει περισσότερο με μια κομμούνα, όπου πολλοί μόνοι ενήλικες και παιδιά είναι γεμάτα πυκνά: καθαρό χάος. Αυτή είναι επίσης μια δεσμευμένη κατάσταση, αλλά δεν συνδέει κάτι απλό, όπως ένα πρωτόνιο με ένα ηλεκτρόνιο, όπως στο υδρογόνο, ή τουλάχιστον μερικές δεκάδες ηλεκτρόνια με έναν ατομικό πυρήνα, όπως σε πιο πολύπλοκα άτομα όπως ο χρυσός - αλλά έναν αμέτρητο αριθμό ( δηλαδή είναι πάρα πολλά από αυτά και αλλάζουν πολύ γρήγορα για να μετρηθούν πρακτικά) ελαφρά σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουόνια. Είναι αδύνατο να περιγράψουμε απλά τη δομή του πρωτονίου, να σχεδιάσουμε απλές εικόνες - είναι εξαιρετικά ανοργάνωτο. Όλα τα κουάρκ, τα γκλουόνια, τα αντικουάρκ τρέχουν μέσα με τη μέγιστη δυνατή ταχύτητα, σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.

Ρύζι. 2: Εικόνα πρωτονίου. Φανταστείτε ότι όλα τα κουάρκ (πάνω, κάτω, περίεργα - u,d,s), τα αντικουάρκ (u,d,s με παύλα) και τα γκλουόνια (g) τρέχουν μπρος-πίσω σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, συγκρούονται με το καθένα άλλα, εμφανίζονται και εξαφανίζονται

Ίσως έχετε ακούσει ότι ένα πρωτόνιο αποτελείται από τρία κουάρκ. Αλλά αυτό είναι ένα ψέμα – για το γενικότερο καλό, αλλά και πάλι πολύ μεγάλο. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν μυριάδες γκλουόνια, αντικουάρκ και κουάρκ στο πρωτόνιο. Η τυπική συντομογραφία "ένα πρωτόνιο αποτελείται από δύο up κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ" απλά λέει ότι ένα πρωτόνιο έχει δύο περισσότερα κουάρκ επάνω από τα κουάρκ επάνω και ένα περισσότερο κουάρκ κάτω από τα κουάρκ κάτω. Για να είναι αληθινή αυτή η αναγωγή, είναι απαραίτητο να προσθέσουμε σε αυτήν «και αμέτρητα ακόμη ζεύγη γκλουονίων και κουάρκ-αντικουάρκ». Χωρίς αυτή τη φράση, η ιδέα ενός πρωτονίου θα απλοποιηθεί τόσο πολύ που θα είναι εντελώς αδύνατο να κατανοήσουμε τη λειτουργία του LHC.

Ρύζι. 3: Little White Lies σε μια στερεότυπη εικόνα της Wikipedia

Γενικά, τα άτομα σε σύγκριση με τα πρωτόνια είναι σαν ένα πας ντε ντε σε ένα περίτεχνο μπαλέτο σε σύγκριση με μια ντίσκο γεμάτη με μεθυσμένους εφήβους που χοροπηδούν πάνω κάτω και κουνάνε τον DJ.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αν είστε θεωρητικός που προσπαθεί να καταλάβει τι θα δει ο LHC στις συγκρούσεις πρωτονίων, θα δυσκολευτείτε. Είναι πολύ δύσκολο να προβλέψουμε τα αποτελέσματα των συγκρούσεων μεταξύ αντικειμένων που δεν μπορούν να περιγραφούν με απλό τρόπο. Αλλά ευτυχώς, από τη δεκαετία του 1970, με βάση τις ιδέες του Bjorken από τη δεκαετία του '60, οι θεωρητικοί φυσικοί βρήκαν μια σχετικά απλή και λειτουργική τεχνολογία. Αλλά εξακολουθεί να λειτουργεί μέχρι ορισμένα όρια, με ακρίβεια περίπου 10%. Για αυτόν και για κάποιους άλλους λόγους, η αξιοπιστία των υπολογισμών μας στο LHC είναι πάντα περιορισμένη.

Ένα άλλο πράγμα σχετικά με το πρωτόνιο είναι ότι είναι μικροσκοπικό. Πραγματικά μικροσκοπικό. Εάν ανατινάξετε ένα άτομο υδρογόνου στο μέγεθος του υπνοδωματίου σας, το πρωτόνιο θα έχει το μέγεθος ενός κόκκου σκόνης τόσο μικρό που θα είναι πολύ δύσκολο να το παρατηρήσετε. Ακριβώς επειδή το πρωτόνιο είναι τόσο μικρό που μπορούμε να αγνοήσουμε το χάος που συμβαίνει μέσα του, περιγράφοντας το άτομο υδρογόνου ως απλό. Πιο συγκεκριμένα, το μέγεθος ενός πρωτονίου είναι 100.000 φορές μικρότερο από το μέγεθος ενός ατόμου υδρογόνου.

Για σύγκριση, το μέγεθος του Ήλιου είναι μόνο 3000 φορές μικρότερο από το μέγεθος του Ηλιακού Συστήματος (μετρούμενο από την τροχιά του Ποσειδώνα). Αυτό είναι σωστό - το άτομο είναι πιο άδειο από το ηλιακό σύστημα! Να το θυμάστε αυτό όταν κοιτάτε τον ουρανό τη νύχτα.

Αλλά μπορεί να ρωτήσετε, «Περιμένετε λίγο! Λέτε ότι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων συγκρούεται με κάποιο τρόπο πρωτόνια που είναι 100.000 φορές μικρότερα από ένα άτομο; Πώς είναι ακόμη δυνατό αυτό;

Μεγάλη ερώτηση.

Συγκρούσεις πρωτονίων έναντι μίνι συγκρούσεων κουάρκ, γκλουονίων και αντικουάρκ

Οι συγκρούσεις πρωτονίων στον LHC συμβαίνουν με μια συγκεκριμένη ενέργεια. Ήταν 7 TeV = 7000 GeV το 2011 και 8 TeV = 8000 GeV το 2012. Αλλά οι φυσικοί των σωματιδίων ενδιαφέρονται κυρίως για τις συγκρούσεις ενός κουάρκ ενός πρωτονίου με το αντικουάρκ ενός άλλου πρωτονίου ή για τις συγκρούσεις δύο γκλουονίων κ.λπ. – κάτι που μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση ενός πραγματικά νέου φυσικού φαινομένου. Αυτές οι μικρές συγκρούσεις μεταφέρουν ένα μικρό κλάσμα της συνολικής ενέργειας σύγκρουσης πρωτονίων. Πόση ποσότητα αυτής της ενέργειας μπορούν να μεταφέρουν και γιατί ήταν απαραίτητο να αυξηθεί η ενέργεια σύγκρουσης από 7 TeV σε 8 TeV;

Η απάντηση βρίσκεται στο Σχ. 4. Το γράφημα δείχνει τον αριθμό των συγκρούσεων που εντοπίστηκαν από τον ανιχνευτή ATLAS. Τα δεδομένα από το καλοκαίρι του 2011 περιλαμβάνουν τη διασπορά κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουονίων από άλλα κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουόνια. Τέτοιες μίνι συγκρούσεις παράγουν τις περισσότερες φορές δύο πίδακες (πίδακας αδρονίων, εκδηλώσεις κουάρκ υψηλής ενέργειας, γκλουόνια ή αντικουάρκ που εκτοξεύονται από τα μητρικά πρωτόνια). Μετρώνται οι ενέργειες και οι κατευθύνσεις των πίδακα και από αυτά τα δεδομένα προσδιορίζεται η ποσότητα ενέργειας που θα έπρεπε να έχει εμπλακεί στη μίνι σύγκρουση. Το γράφημα δείχνει τον αριθμό των μίνι συγκρούσεων αυτού του τύπου ως συνάρτηση της ενέργειας. Ο κατακόρυφος άξονας είναι λογαριθμικός - κάθε γραμμή υποδηλώνει 10πλάσια αύξηση της ποσότητας (10 n δηλώνει 1 και n μηδενικά μετά από αυτήν). Για παράδειγμα, ο αριθμός των μίνι συγκρούσεων που παρατηρήθηκαν στο ενεργειακό διάστημα από 1550 έως 1650 GeV ήταν περίπου 10 3 = 1000 (σημειωμένες με μπλε γραμμές). Σημειώστε ότι το γράφημα ξεκινά από τα 750 GeV, αλλά ο αριθμός των μίνι συγκρούσεων συνεχίζει να αυξάνεται καθώς μελετάτε πίδακες χαμηλότερης ενέργειας, μέχρι το σημείο όπου οι πίδακες γίνονται πολύ αδύναμοι για ανίχνευση.

Ρύζι. 4: αριθμός συγκρούσεων ως συνάρτηση της ενέργειας (m jj)

Σκεφτείτε ότι ο συνολικός αριθμός των συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου με ενέργεια 7 TeV = 7000 GeV πλησίασε τα 100.000.000.000.000. Και από όλες αυτές τις συγκρούσεις, μόνο δύο μικροσυγκρούσεις ξεπέρασαν τα 3.500 GeV - η μισή ενέργεια μιας σύγκρουσης πρωτονίου. Θεωρητικά, η ενέργεια μιας μίνι σύγκρουσης θα μπορούσε να αυξηθεί στα 7000 GeV, αλλά η πιθανότητα κάτι τέτοιο μειώνεται συνεχώς. Βλέπουμε μικρές συγκρούσεις 6000 GeV τόσο σπάνια που είναι απίθανο να δούμε 7000 GeV ακόμα κι αν συλλέξουμε 100 φορές περισσότερα δεδομένα.

Ποια είναι τα πλεονεκτήματα της αύξησης της ενέργειας σύγκρουσης από 7 TeV το 2010-2011 σε 8 TeV το 2012; Προφανώς, ό,τι θα μπορούσατε να κάνετε στο ενεργειακό επίπεδο Ε, μπορείτε τώρα να το κάνετε στο ενεργειακό επίπεδο 8/7 E ≈ 1,14 E. Έτσι, αν πριν μπορούσατε να ελπίζετε ότι θα δείτε σε τόσα πολλά δεδομένα σημάδια ενός συγκεκριμένου τύπου υποθετικού σωματιδίου με μάζα 1000 GeV/c 2, τότε μπορούμε τώρα να ελπίζουμε ότι θα επιτύχουμε τουλάχιστον 1100 GeV/c 2 με το ίδιο σύνολο δεδομένων. Οι δυνατότητες του μηχανήματος αυξάνονται - μπορείτε να αναζητήσετε σωματίδια ελαφρώς μεγαλύτερης μάζας. Και αν συλλέξετε τρεις φορές περισσότερα δεδομένα το 2012 από ό,τι το 2011, θα έχετε περισσότερες συγκρούσεις για κάθε επίπεδο ενέργειας και θα μπορείτε να δείτε την υπογραφή ενός υποθετικού σωματιδίου με μάζα, ας πούμε, 1200 GeV/s 2 .

Αλλά δεν είναι μόνο αυτό. Κοιτάξτε τις μπλε και πράσινες γραμμές στο Σχ. 4: δείχνουν ότι συμβαίνουν σε ενέργειες της τάξης των 1400 και 1600 GeV - έτσι ώστε να συσχετίζονται μεταξύ τους όπως 7 έως 8. Στο επίπεδο ενέργειας σύγκρουσης πρωτονίων 7 TeV, ο αριθμός των μίνι συγκρούσεων κουάρκ με κουάρκ , κουάρκ με γκλουόνια κλπ. Π. με ενέργεια 1400 GeV είναι υπερδιπλάσιος του αριθμού των συγκρούσεων με ενέργεια 1600 GeV. Αλλά όταν το μηχάνημα αυξάνει την ενέργεια κατά 8/7, αυτό που λειτούργησε για 1400 αρχίζει να λειτουργεί για 1600. Με άλλα λόγια, εάν ενδιαφέρεστε για μικρές συγκρούσεις σταθερής ενέργειας, ο αριθμός τους αυξάνεται - και πολύ περισσότερο από την αύξηση 14%. σε ενέργεια σύγκρουσης πρωτονίων! Αυτό σημαίνει ότι για οποιαδήποτε διαδικασία με προτιμώμενη ενέργεια, ας πούμε την εμφάνιση ελαφρών σωματιδίων Higgs, η οποία εμφανίζεται σε ενέργειες της τάξης των 100-200 GeV, έχετε περισσότερα αποτελέσματα για τα ίδια χρήματα. Η μετάβαση από τα 7 στα 8 TeV σημαίνει ότι για τον ίδιο αριθμό συγκρούσεων πρωτονίων λαμβάνετε περισσότερα σωματίδια Higgs. Η παραγωγή σωματιδίων Higgs θα αυξηθεί κατά περίπου 1,5. Ο αριθμός των up κουάρκ και ορισμένων τύπων υποθετικών σωματιδίων θα αυξηθεί ελαφρώς περισσότερο.

Αυτό σημαίνει ότι παρόλο που ο αριθμός των συγκρούσεων πρωτονίων το 2012 είναι 3 φορές μεγαλύτερος από ό,τι το 2011, ο συνολικός αριθμός των σωματιδίων Higgs που παράγονται θα αυξηθεί κατά σχεδόν 4 φορές απλώς και μόνο λόγω της αύξησης της ενέργειας.

Παρεμπιπτόντως, το σχ. Το σχήμα 4 αποδεικνύει επίσης ότι τα πρωτόνια δεν αποτελούνται απλώς από δύο κουάρκ προς τα πάνω και ένα κάτω κουάρκ, όπως απεικονίζεται σε σχέδια όπως το Σχ. 3. Εάν ήταν, τότε τα κουάρκ θα έπρεπε να μεταφέρουν περίπου το ένα τρίτο της ενέργειας των πρωτονίων, και οι περισσότερες μικροσυγκρούσεις θα συνέβαιναν σε ενέργειες περίπου του ενός τρίτου της ενέργειας σύγκρουσης πρωτονίων: περίπου 2300 GeV. Αλλά το γράφημα δείχνει ότι τίποτα ιδιαίτερο δεν συμβαίνει στην περιοχή των 2300 GeV. Σε ενέργειες κάτω από 2300 GeV υπάρχουν πολλές περισσότερες συγκρούσεις, και όσο πιο χαμηλά πηγαίνετε, τόσο περισσότερες συγκρούσεις βλέπετε. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το πρωτόνιο περιέχει έναν τεράστιο αριθμό γκλουονίων, κουάρκ και αντικουάρκ, καθένα από τα οποία μεταφέρει ένα μικρό μέρος της ενέργειας του πρωτονίου, αλλά είναι τόσα πολλά από αυτά που συμμετέχουν σε έναν τεράστιο αριθμό μίνι συγκρούσεων. Αυτή η ιδιότητα του πρωτονίου φαίνεται στο Σχ. 2 – αν και στην πραγματικότητα ο αριθμός των γλουονίων χαμηλής ενέργειας και των ζευγών κουάρκ-αντικουάρκ είναι πολύ μεγαλύτερος από αυτόν που φαίνεται στο σχήμα.

Αυτό όμως που δεν δείχνει το γράφημα είναι το κλάσμα που, σε μικρές συγκρούσεις με συγκεκριμένη ενέργεια, πέφτει στις συγκρούσεις κουάρκ με κουάρκ, κουάρκ με γκλουόνια, γκλουόνια με γλουόνια, κουάρκ με αντικουάρκ κ.λπ. Στην πραγματικότητα, αυτό δεν μπορεί να ειπωθεί απευθείας από τα πειράματα στο LHC - οι πίδακες από κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουόνια μοιάζουν ίδιοι. Το πώς γνωρίζουμε αυτές τις μετοχές είναι μια περίπλοκη ιστορία, που περιλαμβάνει πολλά διαφορετικά πειράματα του παρελθόντος και τη θεωρία που τα συνδυάζει. Και από αυτό γνωρίζουμε ότι οι μικρότερες συγκρούσεις ενέργειας συνήθως συμβαίνουν μεταξύ κουάρκ και κουάρκ και μεταξύ κουάρκ και γκλουονίων. Συγκρούσεις χαμηλής ενέργειας συμβαίνουν συνήθως μεταξύ γκλουονίων. Οι συγκρούσεις μεταξύ κουάρκ και αντικουάρκ είναι σχετικά σπάνιες, αλλά είναι πολύ σημαντικές για ορισμένες φυσικές διεργασίες.

Κατανομή σωματιδίων μέσα σε ένα πρωτόνιο

Ρύζι. 5

Δύο γραφήματα, που διαφέρουν στην κλίμακα του κατακόρυφου άξονα, δείχνουν τη σχετική πιθανότητα σύγκρουσης με ένα γκλουόνιο, πάνω ή κάτω κουάρκ ή αντικουάρκ που φέρει κλάσμα της ενέργειας του πρωτονίου ίσο με x. Στο μικρό x κυριαρχούν τα γκλουόνια (και τα κουάρκ και τα αντικουάρκ γίνονται εξίσου πιθανά και πολυάριθμα, αν και εξακολουθούν να είναι λιγότερα από τα γκλουόνια), και στο μεσαίο x κυριαρχούν τα κουάρκ (αν και γίνονται εξαιρετικά λίγα σε αριθμό).

Και τα δύο γραφήματα δείχνουν το ίδιο πράγμα, απλώς σε διαφορετική κλίμακα, επομένως αυτό που είναι δύσκολο να δει κανείς σε ένα από αυτά είναι ευκολότερο να δει στο άλλο. Αυτό που δείχνουν είναι το εξής: εάν μια δέσμη πρωτονίων έρθει σε εσάς στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων και χτυπήσετε κάτι μέσα στο πρωτόνιο, πόσο πιθανό είναι να χτυπήσετε ένα κουάρκ επάνω, ένα κουάρκ κάτω, ή ένα γλουόνιο ή ένα up antiquark ή down quark;ένα αντικουάρκ που φέρει ένα κλάσμα της ενέργειας του πρωτονίου ίσο με x; Από αυτά τα γραφήματα συνάγεται το συμπέρασμα ότι:

Από το γεγονός ότι όλες οι καμπύλες αναπτύσσονται πολύ γρήγορα σε μικρό x (φαίνεται στο κάτω γράφημα), προκύπτει ότι τα περισσότερα σωματίδια στο πρωτόνιο μεταφέρουν λιγότερο από 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.
Δεδομένου ότι η κίτρινη καμπύλη (κάτω) είναι πολύ υψηλότερη από τις άλλες, προκύπτει ότι αν συναντήσετε κάτι που φέρει λιγότερο από το 10% της ενέργειας ενός πρωτονίου, είναι πιθανότατα ένα γκλουόνιο. και πέφτοντας κάτω από το 2% της ενέργειας πρωτονίων είναι εξίσου πιθανό να είναι κουάρκ ή αντικουάρκ.
Δεδομένου ότι η καμπύλη γκλουονίου (πάνω) πέφτει κάτω από τις καμπύλες κουάρκ καθώς το x αυξάνεται, προκύπτει ότι αν συναντήσετε κάτι που φέρει περισσότερο από το 20% (x > 0,2) της ενέργειας του πρωτονίου - η οποία είναι πολύ, πολύ σπάνια -, πιθανότατα κουάρκ, και η πιθανότητα να είναι κουάρκ up είναι διπλάσια από την πιθανότητα να είναι down κουάρκ. Αυτό είναι ένα κατάλοιπο της ιδέας ότι «ένα πρωτόνιο είναι δύο κουάρκ πάνω και ένα κάτω κουάρκ».
Όλες οι καμπύλες πέφτουν απότομα καθώς το x αυξάνεται. Είναι πολύ απίθανο να συναντήσετε κάτι που να μεταφέρει περισσότερο από το 50% της ενέργειας του πρωτονίου.

Αυτές οι παρατηρήσεις αντικατοπτρίζονται έμμεσα στο γράφημα στο Σχ. 4. Ακολουθούν μερικά ακόμη μη προφανή πράγματα σχετικά με τα δύο γραφήματα:
Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του πρωτονίου διαιρείται (περίπου εξίσου) μεταξύ ενός μικρού αριθμού κουάρκ υψηλής ενέργειας και ενός τεράστιου αριθμού γκλουονίων χαμηλής ενέργειας.
Μεταξύ των σωματιδίων, τα γλουόνια χαμηλής ενέργειας κυριαρχούν σε αριθμό και ακολουθούν τα κουάρκ και τα αντικουάρκ πολύ χαμηλών ενεργειών.

Ο αριθμός των κουάρκ και των αντικουάρκ είναι τεράστιος, αλλά: ο συνολικός αριθμός των up κουάρκ μείον τον συνολικό αριθμό των up antiquark είναι δύο και ο συνολικός αριθμός των down κουάρκ μείον τον συνολικό αριθμό των down antiquark είναι ένα. Όπως είδαμε παραπάνω, τα επιπλέον κουάρκ μεταφέρουν σημαντικό (αλλά όχι το μεγαλύτερο μέρος) μέρος της ενέργειας του πρωτονίου που πετά προς εσάς. Και μόνο με αυτή την έννοια μπορούμε να πούμε ότι το πρωτόνιο αποτελείται βασικά από δύο up quark και ένα down quark.

Παρεμπιπτόντως, όλες αυτές οι πληροφορίες ελήφθησαν από έναν συναρπαστικό συνδυασμό πειραμάτων (κυρίως σχετικά με τη σκέδαση ηλεκτρονίων ή νετρίνων από πρωτόνια ή από ατομικούς πυρήνες βαρέος υδρογόνου - δευτερίου, που περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο), μαζί χρησιμοποιώντας λεπτομερείς εξισώσεις περιγράφοντας ηλεκτρομαγνητικές, ισχυρές πυρηνικές και ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Αυτή η μεγάλη ιστορία εκτείνεται στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και στις αρχές της δεκαετίας του 1970. Και λειτουργεί εξαιρετικά για την πρόβλεψη φαινομένων που παρατηρούνται σε επιταχυντές όπου τα πρωτόνια συγκρούονται με πρωτόνια και τα πρωτόνια με τα αντιπρωτόνια, όπως το Tevatron και το LHC.

Άλλα στοιχεία για τη σύνθετη δομή του πρωτονίου

Ας δούμε μερικά από τα δεδομένα που ελήφθησαν στο LHC και πώς υποστηρίζει τους ισχυρισμούς σχετικά με τη δομή του πρωτονίου (αν και η τρέχουσα κατανόηση του πρωτονίου χρονολογείται πριν από 3-4 δεκαετίες, χάρη σε πολλά πειράματα).

Γράφημα στο Σχ. Το 4 λαμβάνεται από παρατηρήσεις συγκρούσεων κατά τις οποίες συμβαίνει κάτι σαν αυτό που φαίνεται στο Σχ. 1. 6: ένα κουάρκ ή αντικουάρκ ή γλουόνιο ενός πρωτονίου συγκρούεται με ένα κουάρκ ή αντικουάρκ ή γλουόνιο άλλου πρωτονίου, διασκορπίζεται από αυτό (ή συμβαίνει κάτι πιο περίπλοκο - για παράδειγμα, δύο γκλουόνια συγκρούονται και μετατρέπονται σε κουάρκ και αντικουάρκ), με αποτέλεσμα σε δύο σωματίδια (κουάρκ, αντικουάρκ ή γκλουόνια) πετούν μακριά από το σημείο της σύγκρουσης. Αυτά τα δύο σωματίδια μετατρέπονται σε πίδακες (πίδακες αδρόνιου). Η ενέργεια και η κατεύθυνση των πίδακες παρατηρούνται σε ανιχνευτές σωματιδίων που περιβάλλουν το σημείο πρόσκρουσης. Αυτές οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται για να κατανοήσουμε πόση ενέργεια περιείχε η σύγκρουση των δύο αρχικών κουάρκ/γκλουονίων/αντικουάρκ. Πιο συγκεκριμένα, η αμετάβλητη μάζα των δύο πίδακες, πολλαπλασιαζόμενη επί c 2, δίνει την ενέργεια της σύγκρουσης των δύο αρχικών κουάρκ/γκλουονίων/αντικουάρκ.

Ρύζι. 6

Ο αριθμός των συγκρούσεων αυτού του τύπου ανάλογα με την ενέργεια φαίνεται στο Σχ. 4. Το γεγονός ότι σε χαμηλές ενέργειες ο αριθμός των συγκρούσεων είναι πολύ μεγαλύτερος επιβεβαιώνεται από το γεγονός ότι τα περισσότερα σωματίδια μέσα στο πρωτόνιο μεταφέρουν μόνο ένα μικρό κλάσμα της ενέργειάς του. Τα δεδομένα ξεκινούν από ενέργειες 750 GeV.

Ρύζι. 7: Δεδομένα για χαμηλότερες ενέργειες που λαμβάνονται από μικρότερο σύνολο δεδομένων. Μάζα Dijet – ίδια με το m jj στο Σχ. 4.

Δεδομένα για το Σχ. 7 έχουν ληφθεί από το πείραμα CMS από το 2010, στο οποίο σχεδίασαν συγκρούσεις με σάρκα έως και ενέργειες των 220 GeV. Το γράφημα εδώ δεν είναι ο αριθμός των συγκρούσεων, αλλά λίγο πιο περίπλοκος: ο αριθμός των συγκρούσεων ανά GeV, δηλαδή ο αριθμός των συγκρούσεων διαιρεμένος με το πλάτος της στήλης του ιστογράμματος. Μπορεί να φανεί ότι το ίδιο αποτέλεσμα συνεχίζει να λειτουργεί σε όλο το φάσμα των δεδομένων. Συγκρούσεις όπως αυτές που φαίνονται στο Σχ. 6, πολύ περισσότερα συμβαίνουν σε χαμηλές ενέργειες παρά σε υψηλές ενέργειες. Και αυτός ο αριθμός συνεχίζει να αυξάνεται έως ότου δεν είναι πλέον δυνατό να διακρίνει κανείς τους πίδακες. Ένα πρωτόνιο περιέχει πολλά σωματίδια χαμηλής ενέργειας και λίγα από αυτά φέρουν σημαντικό κλάσμα της ενέργειάς του.

Τι γίνεται με την παρουσία αντικουάρκ στο πρωτόνιο; Τρεις από τις πιο ενδιαφέρουσες διαδικασίες που δεν είναι παρόμοιες με τη σύγκρουση που απεικονίζεται στο Σχ. 6, που μερικές φορές συμβαίνει στον LHC (σε μία από τις συγκρούσεις πολλών εκατομμυρίων πρωτονίων-πρωτονίων) περιλαμβάνει τη διαδικασία:

Κουάρκ + αντικουάρκ -> σωματίδιο W + , W - ή Z.

Φαίνονται στο Σχ. 8.

Ρύζι. 8

Τα αντίστοιχα δεδομένα από το CMS δίνονται στο Σχ. 9 και 10. Εικ. Το σχήμα 9 δείχνει ότι ο αριθμός των συγκρούσεων που παράγουν ένα ηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο (αριστερά) και κάτι μη ανιχνεύσιμο (πιθανόν ένα νετρίνο ή αντινετρίνο), ή ένα μιόνιο και ένα αντιμιόνιο (δεξιά), προβλέπεται σωστά. Η πρόβλεψη γίνεται με συνδυασμό του Καθιερωμένου Μοντέλου (εξισώσεις που προβλέπουν τη συμπεριφορά γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων) και της δομής του πρωτονίου. Οι μεγάλες κορυφές στα δεδομένα οφείλονται στην εμφάνιση των σωματιδίων W και Z. Η θεωρία ταιριάζει απόλυτα στα δεδομένα.

Ρύζι. 9: μαύρες κουκκίδες – δεδομένα, κίτρινες – προβλέψεις. Ο αριθμός των συμβάντων αναφέρεται σε χιλιάδες. Αριστερά: Η κεντρική κορυφή οφείλεται στα νετρίνα στα σωματίδια W. Στα δεξιά, το λεπτόνιο και το αντιλεπτόνιο που παράγονται στη σύγκρουση συνδυάζονται και υπονοείται η μάζα του σωματιδίου από το οποίο προήλθαν. Η κορυφή εμφανίζεται λόγω των σωματιδίων Ζ που προκύπτουν.

Ακόμη περισσότερες λεπτομέρειες φαίνονται στο Σχ. 10, όπου αποδεικνύεται ότι η θεωρία, όσον αφορά τον αριθμό όχι μόνο αυτών, αλλά και πολλών σχετικών μετρήσεων - οι περισσότερες από τις οποίες σχετίζονται με συγκρούσεις κουάρκ με αντικουάρκ - ταιριάζει απόλυτα με τα δεδομένα. Τα δεδομένα (κόκκινες κουκκίδες) και η θεωρία (μπλε ράβδοι) δεν ταιριάζουν ποτέ ακριβώς λόγω στατιστικών διακυμάνσεων, για τον ίδιο λόγο που αν γυρίσετε ένα νόμισμα δέκα φορές δεν θα έχετε απαραίτητα πέντε κεφάλια και πέντε ουρές. Επομένως, τα σημεία δεδομένων τοποθετούνται μέσα στη «γραμμή σφαλμάτων», την κάθετη κόκκινη λωρίδα. Το μέγεθος της ζώνης είναι τέτοιο ώστε για το 30% των μετρήσεων η ζώνη σφάλματος πρέπει να συνορεύει με τη θεωρία και μόνο για το 5% των μετρήσεων θα πρέπει να απέχει δύο ζώνες από τη θεωρία. Μπορεί να φανεί ότι όλα τα στοιχεία επιβεβαιώνουν ότι το πρωτόνιο περιέχει πολλά αντικουάρκ. Και κατανοούμε σωστά τον αριθμό των αντικουάρκ που φέρουν ένα ορισμένο κλάσμα της ενέργειας του πρωτονίου.

Ρύζι. 10

Τότε όλα είναι λίγο πιο περίπλοκα. Ξέρουμε μάλιστα πόσα κουάρκ πάνω και κάτω έχουμε ανάλογα με την ενέργεια που φέρουν, αφού σωστά προβλέπουμε -με σφάλμα μικρότερο από 10%- πόσα περισσότερα σωματίδια W + παίρνουμε από τα σωματίδια W (Εικ. 11).

Ρύζι. έντεκα

Η αναλογία των up antiquark προς τα down κουάρκ θα πρέπει να είναι κοντά στο 1, αλλά θα πρέπει να υπάρχουν περισσότερα up κουάρκ παρά down κουάρκ, ειδικά σε υψηλές ενέργειες. Στο Σχ. 6 μπορούμε να δούμε ότι η αναλογία των σωματιδίων W + και W - που προκύπτουν θα πρέπει να μας δώσει περίπου την αναλογία των κουάρκ προς τα πάνω και των κάτω κουάρκ που εμπλέκονται στην παραγωγή των σωματιδίων W. Αλλά στο Σχ. Το Σχήμα 11 δείχνει ότι η μετρούμενη αναλογία των σωματιδίων W + προς W - είναι 3 προς 2, όχι 2 προς 1. Αυτό δείχνει επίσης ότι η αφελής ιδέα ενός πρωτονίου ως αποτελούμενου από δύο επάνω κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ είναι πολύ απλοϊκή. Η απλοποιημένη αναλογία 2 προς 1 είναι θολή, καθώς ένα πρωτόνιο περιέχει πολλά ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ, από τα οποία το ανώτερο και το κατώτερο είναι περίπου ίσα. Ο βαθμός θολώματος καθορίζεται από τη μάζα του σωματιδίου W των 80 GeV. Εάν το κάνετε πιο ελαφρύ, θα υπάρχει περισσότερη θόλωση, και αν είναι βαρύτερη, θα υπάρχει λιγότερη θόλωση, καθώς τα περισσότερα από τα ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ στο πρωτόνιο φέρουν λίγη ενέργεια.

Τέλος, ας επιβεβαιώσουμε το γεγονός ότι τα περισσότερα σωματίδια σε ένα πρωτόνιο είναι γκλουόνια.

Ρύζι. 12

Για να γίνει αυτό, θα χρησιμοποιήσουμε το γεγονός ότι τα κορυφαία κουάρκ μπορούν να δημιουργηθούν με δύο τρόπους: κουάρκ + αντικουάρκ -> κορυφαίο κουάρκ + κορυφαίο αντικουάρκ, ή γκλουόν + γλουόνι -> κορυφαίο κουάρκ + αντικουάρκ κορυφής (Εικ. 12). Γνωρίζουμε τον αριθμό των κουάρκ και των αντικουάρκ ανάλογα με την ενέργεια που μεταφέρουν με βάση τις μετρήσεις που απεικονίζονται στο Σχ. 9-11. Από αυτό, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις εξισώσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου για να προβλέψουμε πόσα κορυφαία κουάρκ θα παραχθούν από συγκρούσεις μόνο κουάρκ και αντικουάρκ. Πιστεύουμε επίσης, με βάση προηγούμενα δεδομένα, ότι υπάρχουν περισσότερα γκλουόνια σε ένα πρωτόνιο, επομένως η διαδικασία gluon + gluon -> top quark + top antiquark θα πρέπει να εμφανίζεται τουλάχιστον 5 φορές πιο συχνά. Είναι εύκολο να ελέγξετε αν υπάρχουν γκλουόνια εκεί. Εάν δεν είναι, τα δεδομένα πρέπει να βρίσκονται πολύ κάτω από τις θεωρητικές προβλέψεις.
γκλουόνια Προσθήκη ετικετών

Σε αυτό το άρθρο θα βρείτε πληροφορίες για το πρωτόνιο, ως ένα στοιχειώδες σωματίδιο που αποτελεί τη βάση του σύμπαντος μαζί με τα άλλα στοιχεία του, που χρησιμοποιούνται στη χημεία και τη φυσική. Θα προσδιοριστούν οι ιδιότητες του πρωτονίου, τα χαρακτηριστικά του στη χημεία και η σταθερότητα.

Τι είναι ένα πρωτόνιο

Ένα πρωτόνιο είναι ένας από τους εκπροσώπους των στοιχειωδών σωματιδίων, το οποίο ταξινομείται ως βαρυόνιο, π.χ. στα οποία τα φερμιόνια αλληλεπιδρούν έντονα και το ίδιο το σωματίδιο αποτελείται από 3 κουάρκ. Το πρωτόνιο είναι ένα σταθερό σωματίδιο και έχει προσωπική ορμή - σπιν ½. Η φυσική ονομασία για το πρωτόνιο είναι Π(ή Π +)

Το πρωτόνιο είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο που συμμετέχει σε θερμοπυρηνικού τύπου διεργασίες. Αυτός ο τύπος αντίδρασης είναι ουσιαστικά η κύρια πηγή ενέργειας που παράγεται από τα αστέρια σε όλο το σύμπαν. Σχεδόν ολόκληρη η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται από τον Ήλιο υπάρχει μόνο λόγω του συνδυασμού 4 πρωτονίων σε έναν πυρήνα ηλίου με το σχηματισμό ενός νετρονίου από δύο πρωτόνια.

Ιδιότητες εγγενείς σε ένα πρωτόνιο

Ένα πρωτόνιο είναι ένας από τους εκπροσώπους των βαρυονίων. Είναι γεγονός. Το φορτίο και η μάζα ενός πρωτονίου είναι σταθερές ποσότητες. Το πρωτόνιο είναι ηλεκτρικά φορτισμένο +1 και η μάζα του προσδιορίζεται σε διάφορες μονάδες μέτρησης και είναι σε MeV 938.272 0813(58), σε κιλά πρωτονίου το βάρος είναι στα σχήματα 1.672 621 898(21) 10 −27 kg, σε μονάδες ατομικών μαζών το βάρος ενός πρωτονίου είναι 1,007 276 466 879(91) α. π.μ., και σε σχέση με τη μάζα του ηλεκτρονίου, το πρωτόνιο ζυγίζει 1836.152 673 89 (17) σε σχέση με το ηλεκτρόνιο.

Ένα πρωτόνιο, ο ορισμός του οποίου έχει ήδη δοθεί παραπάνω, από την άποψη της φυσικής, είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο με προβολή ισοσπίνης +½ και η πυρηνική φυσική αντιλαμβάνεται αυτό το σωματίδιο με το αντίθετο πρόσημο. Το ίδιο το πρωτόνιο είναι ένα νουκλεόνιο και αποτελείται από 3 κουάρκ (δύο κουάρκ u και ένα κουάρκ d).

Η δομή του πρωτονίου μελετήθηκε πειραματικά από τον πυρηνικό φυσικό από τις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής - Robert Hofstadter. Για να πετύχει αυτόν τον στόχο, ο φυσικός συγκρούστηκε πρωτόνια με ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας και τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής για την περιγραφή του.

Το πρωτόνιο περιέχει έναν πυρήνα (βαρύ πυρήνα), ο οποίος περιέχει περίπου τριάντα πέντε τοις εκατό της ενέργειας του ηλεκτρικού φορτίου του πρωτονίου και έχει αρκετά υψηλή πυκνότητα. Το κέλυφος που περιβάλλει τον πυρήνα είναι σχετικά αποφορτισμένο. Το κέλυφος αποτελείται κυρίως από εικονικά μεσόνια τύπου και p και φέρει περίπου το πενήντα τοις εκατό του ηλεκτρικού δυναμικού του πρωτονίου και βρίσκεται σε απόσταση περίπου 0,25 * 10 13 έως 1,4 * 10 13 . Ακόμη πιο πέρα, σε απόσταση περίπου 2,5 * 10 13 εκατοστών, το κέλυφος αποτελείται από και w εικονικά μεσόνια και περιέχει περίπου το υπόλοιπο δεκαπέντε τοις εκατό του ηλεκτρικού φορτίου του πρωτονίου.

Σταθερότητα και σταθερότητα πρωτονίων

Στην ελεύθερη κατάσταση, το πρωτόνιο δεν παρουσιάζει σημάδια αποσύνθεσης, κάτι που δείχνει τη σταθερότητά του. Η σταθερή κατάσταση του πρωτονίου, ως ο ελαφρύτερος εκπρόσωπος των βαρυονίων, καθορίζεται από το νόμο της διατήρησης του αριθμού των βαρυονίων. Χωρίς παραβίαση του νόμου SBC, τα πρωτόνια είναι ικανά να διασπαστούν σε νετρίνα, ποζιτρόνια και άλλα, ελαφρύτερα στοιχειώδη σωματίδια.

Το πρωτόνιο του πυρήνα των ατόμων έχει την ικανότητα να συλλαμβάνει ορισμένους τύπους ηλεκτρονίων που έχουν ατομικά κελύφη K, L, M. Ένα πρωτόνιο, έχοντας ολοκληρώσει τη σύλληψη ηλεκτρονίων, μετασχηματίζεται σε νετρόνιο και ως αποτέλεσμα απελευθερώνει ένα νετρίνο και η «τρύπα» που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της σύλληψης ηλεκτρονίων γεμίζει με ηλεκτρόνια από πάνω από τα υποκείμενα ατομικά στρώματα.

Σε μη αδρανειακά συστήματα αναφοράς, τα πρωτόνια πρέπει να αποκτήσουν περιορισμένη διάρκεια ζωής που μπορεί να υπολογιστεί· αυτό οφείλεται στο φαινόμενο Unruh (ακτινοβολία), το οποίο στην κβαντική θεωρία πεδίου προβλέπει την πιθανή εξέταση της θερμικής ακτινοβολίας σε ένα πλαίσιο αναφοράς που επιταχύνεται στο απουσία αυτού του τύπου ακτινοβολίας. Έτσι, ένα πρωτόνιο, εάν έχει μια πεπερασμένη διάρκεια ζωής, μπορεί να υποστεί βήτα διάσπαση σε ποζιτρόνιο, νετρόνιο ή νετρίνο, παρά το γεγονός ότι η ίδια η διαδικασία μιας τέτοιας διάσπασης απαγορεύεται από το ZSE.

Χρήση πρωτονίων στη χημεία

Ένα πρωτόνιο είναι ένα άτομο Η που έχει κατασκευαστεί από ένα μόνο πρωτόνιο και δεν έχει ηλεκτρόνιο, επομένως από χημική έννοια, ένα πρωτόνιο είναι ένας πυρήνας ενός ατόμου H. Ένα νετρόνιο σε συνδυασμό με ένα πρωτόνιο δημιουργεί τον πυρήνα ενός ατόμου. Στο PTCE του Dmitry Ivanovich Mendeleev, ο αριθμός του στοιχείου υποδεικνύει τον αριθμό των πρωτονίων στο άτομο ενός συγκεκριμένου στοιχείου και ο αριθμός του στοιχείου καθορίζεται από το ατομικό φορτίο.

Τα κατιόντα υδρογόνου είναι πολύ ισχυροί δέκτες ηλεκτρονίων. Στη χημεία, τα πρωτόνια λαμβάνονται κυρίως από οργανικά και ανόργανα οξέα. Ο ιονισμός είναι μια μέθοδος παραγωγής πρωτονίων σε αέριες φάσεις.

Μελετώντας τη δομή της ύλης, οι φυσικοί ανακάλυψαν από τι αποτελούνται τα άτομα, έφτασαν στον ατομικό πυρήνα και τον χώρισαν σε πρωτόνια και νετρόνια. Όλα αυτά τα βήματα δόθηκαν αρκετά εύκολα - έπρεπε απλώς να επιταχύνετε τα σωματίδια στην απαιτούμενη ενέργεια, να τα σπρώξετε το ένα εναντίον του άλλου και στη συνέχεια τα ίδια θα διαλυθούν στα συστατικά τους μέρη.

Αλλά με τα πρωτόνια και τα νετρόνια αυτό το κόλπο δεν λειτουργούσε πλέον. Αν και είναι σύνθετα σωματίδια, δεν μπορούν να «σπάσουν σε κομμάτια» ακόμη και στην πιο βίαιη σύγκρουση. Επομένως, χρειάστηκαν δεκαετίες οι φυσικοί για να βρουν διαφορετικούς τρόπους για να κοιτάξουν μέσα στο πρωτόνιο, να δουν τη δομή και το σχήμα του. Σήμερα, η μελέτη της δομής του πρωτονίου είναι ένας από τους πιο ενεργούς τομείς της σωματιδιακής φυσικής.

Η φύση δίνει υποδείξεις

Η ιστορία της μελέτης της δομής των πρωτονίων και των νετρονίων χρονολογείται από τη δεκαετία του 1930. Όταν, εκτός από τα πρωτόνια, ανακαλύφθηκαν και νετρόνια (1932), έχοντας μετρήσει τη μάζα τους, οι φυσικοί διαπίστωσαν έκπληκτοι ότι ήταν πολύ κοντά στη μάζα ενός πρωτονίου. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια «αισθάνονται» την πυρηνική αλληλεπίδραση με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Τόσο πανομοιότυπα που, από την άποψη των πυρηνικών δυνάμεων, ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο μπορούν να θεωρηθούν ως δύο εκδηλώσεις του ίδιου σωματιδίου - ενός νουκλεονίου: ένα πρωτόνιο είναι ένα ηλεκτρικά φορτισμένο νουκλεόνιο και ένα νετρόνιο είναι ένα ουδέτερο νουκλεόνιο. Ανταλλάξτε πρωτόνια με νετρόνια και πυρηνικές δυνάμεις (σχεδόν) δεν θα παρατηρήσουν τίποτα.

Οι φυσικοί εκφράζουν αυτή την ιδιότητα της φύσης ως συμμετρία - η πυρηνική αλληλεπίδραση είναι συμμετρική όσον αφορά την αντικατάσταση των πρωτονίων με νετρόνια, όπως μια πεταλούδα είναι συμμετρική ως προς την αντικατάσταση του αριστερού με το δεξί. Αυτή η συμμετρία, εκτός από το ότι έπαιζε σημαντικό ρόλο στην πυρηνική φυσική, ήταν στην πραγματικότητα ο πρώτος υπαινιγμός ότι τα νουκλεόνια είχαν μια ενδιαφέρουσα εσωτερική δομή. Είναι αλήθεια, λοιπόν, στη δεκαετία του '30, οι φυσικοί δεν συνειδητοποίησαν αυτόν τον υπαινιγμό.

Η κατανόηση ήρθε αργότερα. Ξεκίνησε με το γεγονός ότι στη δεκαετία του 1940–50, στις αντιδράσεις των συγκρούσεων πρωτονίων με τους πυρήνες διαφόρων στοιχείων, οι επιστήμονες εξεπλάγησαν όταν ανακάλυψαν όλο και περισσότερα νέα σωματίδια. Όχι πρωτόνια, όχι νετρόνια, όχι τα πι-μεσόνια που ανακαλύφθηκαν εκείνη την εποχή, τα οποία κρατούν νουκλεόνια στους πυρήνες, αλλά μερικά εντελώς νέα σωματίδια. Παρά την ποικιλομορφία τους, αυτά τα νέα σωματίδια είχαν δύο κοινές ιδιότητες. Πρώτον, όπως τα νουκλεόνια, συμμετείχαν πολύ πρόθυμα σε πυρηνικές αλληλεπιδράσεις - τώρα τέτοια σωματίδια ονομάζονται αδρόνια. Και δεύτερον, ήταν εξαιρετικά ασταθείς. Τα πιο ασταθή από αυτά διασπάστηκαν σε άλλα σωματίδια σε μόλις ένα τρισεκατομμυριοστό του νανοδευτερόλεπτου, χωρίς να προλάβουν καν να πετάξουν στο μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα!

Για πολύ καιρό, ο «ζωολογικός κήπος» αδρονίων ήταν ένα πλήρες χάος. Στα τέλη της δεκαετίας του 1950, οι φυσικοί είχαν ήδη μάθει αρκετά διαφορετικά είδη αδρονίων, άρχισαν να τα συγκρίνουν μεταξύ τους και ξαφνικά είδαν μια ορισμένη γενική συμμετρία, ακόμη και περιοδικότητα, στις ιδιότητές τους. Προτάθηκε ότι μέσα σε όλα τα αδρόνια (συμπεριλαμβανομένων των νουκλεονίων) υπάρχουν μερικά απλά αντικείμενα που ονομάζονται «κουάρκ». Συνδυάζοντας τα κουάρκ με διαφορετικούς τρόπους, είναι δυνατό να ληφθούν διαφορετικά αδρόνια, και ακριβώς του ίδιου τύπου και με τις ίδιες ιδιότητες που ανακαλύφθηκαν στο πείραμα.

Τι κάνει ένα πρωτόνιο πρωτόνιο;

Αφού οι φυσικοί ανακάλυψαν τη δομή των κουάρκ των αδρονίων και έμαθαν ότι τα κουάρκ υπάρχουν σε πολλές διαφορετικές ποικιλίες, έγινε σαφές ότι πολλά διαφορετικά σωματίδια μπορούσαν να κατασκευαστούν από κουάρκ. Έτσι κανείς δεν εξεπλάγη όταν τα επόμενα πειράματα συνέχισαν να βρίσκουν νέα αδρόνια το ένα μετά το άλλο. Αλλά ανάμεσα σε όλα τα αδρόνια, ανακαλύφθηκε μια ολόκληρη οικογένεια σωματιδίων, που αποτελούνταν, όπως το πρωτόνιο, μόνο από δύο u-κουάρκ και ένα ρε-κουάρκ. Ένα είδος «αδερφού» του πρωτονίου. Και εδώ οι φυσικοί αντιμετώπισαν μια έκπληξη.

Ας κάνουμε πρώτα μια απλή παρατήρηση. Εάν έχουμε πολλά αντικείμενα που αποτελούνται από τα ίδια «τούβλα», τότε τα βαρύτερα αντικείμενα περιέχουν περισσότερα «τούβλα» και τα ελαφρύτερα περιέχουν λιγότερα. Αυτή είναι μια πολύ φυσική αρχή, η οποία μπορεί να ονομαστεί αρχή του συνδυασμού ή η αρχή της υπερδομής και λειτουργεί τέλεια τόσο στην καθημερινή ζωή όσο και στη φυσική. Εκδηλώνεται ακόμη και στη δομή των ατομικών πυρήνων - εξάλλου, οι βαρύτεροι πυρήνες αποτελούνται απλώς από μεγαλύτερο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων.

Ωστόσο, στο επίπεδο των κουάρκ αυτή η αρχή δεν λειτουργεί καθόλου και, ομολογουμένως, οι φυσικοί δεν έχουν ακόμη καταλάβει πλήρως το γιατί. Αποδεικνύεται ότι τα βαριά αδέρφια του πρωτονίου αποτελούνται επίσης από τα ίδια κουάρκ με το πρωτόνιο, αν και είναι μιάμιση ή και δύο φορές βαρύτερα από το πρωτόνιο. Διαφέρουν από το πρωτόνιο (και διαφέρουν μεταξύ τους) όχι σύνθεση,και αμοιβαία τοποθεσίακουάρκ, από την κατάσταση στην οποία αυτά τα κουάρκ είναι σχετικά μεταξύ τους. Αρκεί να αλλάξουμε τη σχετική θέση των κουάρκ - και από το πρωτόνιο θα πάρουμε ένα άλλο, αισθητά βαρύτερο, σωματίδιο.

Τι θα συμβεί αν ακόμα πάρετε και συλλέξετε περισσότερα από τρία κουάρκ μαζί; Θα υπάρξει νέο βαρύ σωματίδιο; Παραδόξως, δεν θα λειτουργήσει - τα κουάρκ θα χωριστούν σε τρία και θα μετατραπούν σε πολλά διάσπαρτα σωματίδια. Για κάποιο λόγο, η φύση «δεν αρέσει» να συνδυάζει πολλά κουάρκ σε ένα σύνολο! Μόνο πολύ πρόσφατα, κυριολεκτικά τα τελευταία χρόνια, άρχισαν να εμφανίζονται υπαινιγμοί ότι ορισμένα σωματίδια πολλαπλών κουάρκ υπάρχουν, αλλά αυτό τονίζει μόνο πόσο πολύ δεν αρέσουν στη φύση.

Ένα πολύ σημαντικό και βαθύ συμπέρασμα προκύπτει από αυτή τη συνδυαστική - η μάζα των αδρονίων δεν αποτελείται καθόλου από τη μάζα των κουάρκ. Αλλά αν η μάζα ενός αδρονίου μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί απλά ανασυνδυάζοντας τα τούβλα που το αποτελούν, τότε δεν είναι τα ίδια τα κουάρκ που είναι υπεύθυνα για τη μάζα των αδρονίων. Και πράγματι, σε μεταγενέστερα πειράματα ήταν δυνατό να διαπιστωθεί ότι η μάζα των ίδιων των κουάρκ είναι μόνο περίπου το δύο τοις εκατό της μάζας του πρωτονίου και το υπόλοιπο της βαρύτητας προκύπτει λόγω του πεδίου δύναμης (ειδικά σωματίδια - γκλουόνια) που συνδέουν τα κουάρκ μεταξύ τους. Αλλάζοντας τη σχετική θέση των κουάρκ, για παράδειγμα, απομακρύνοντάς τα το ένα από το άλλο, αλλάζουμε έτσι το νέφος γκλουονίων, καθιστώντας το πιο μαζικό, γι' αυτό και η μάζα αδρονίων αυξάνεται (Εικ. 1).

Τι συμβαίνει μέσα σε ένα ταχέως κινούμενο πρωτόνιο;

Όλα όσα περιγράφηκαν παραπάνω αφορούν ένα ακίνητο πρωτόνιο· στη γλώσσα των φυσικών, αυτή είναι η δομή του πρωτονίου στο πλαίσιο ηρεμίας του. Ωστόσο, στο πείραμα, η δομή του πρωτονίου ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά κάτω από άλλες συνθήκες - στο εσωτερικό γρήγορο πέταγμαπρωτόνιο.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, σε πειράματα σε συγκρούσεις σωματιδίων σε επιταχυντές, παρατηρήθηκε ότι τα πρωτόνια που ταξίδευαν με ταχύτητα σχεδόν φωτός συμπεριφέρονταν σαν η ενέργεια μέσα τους να μην κατανεμήθηκε ομοιόμορφα, αλλά να συγκεντρωνόταν σε μεμονωμένα συμπαγή αντικείμενα. Ο διάσημος φυσικός Richard Feynman πρότεινε να ονομαστούν αυτές οι συστάδες ύλης μέσα σε πρωτόνια παρτών(από τα Αγγλικά μέρος -Μέρος).

Τα επόμενα πειράματα εξέτασαν πολλές από τις ιδιότητες των παρτονίων - για παράδειγμα, το ηλεκτρικό τους φορτίο, τον αριθμό τους και το κλάσμα της ενέργειας πρωτονίων που φέρει το καθένα. Αποδεικνύεται ότι τα φορτισμένα παρτόνια είναι κουάρκ και τα ουδέτερα παρτόνια είναι γκλουόνια. Ναι, αυτά τα ίδια γκλουόνια, τα οποία στο πλαίσιο ηρεμίας του πρωτονίου απλώς «εξυπηρέτησαν» τα κουάρκ, προσελκύοντάς τα μεταξύ τους, είναι τώρα ανεξάρτητα παρτόνια και, μαζί με τα κουάρκ, φέρουν την «ύλη» και την ενέργεια ενός ταχέως κινούμενου πρωτονίου. Πειράματα έδειξαν ότι περίπου η μισή ενέργεια αποθηκεύεται σε κουάρκ και η μισή σε γκλουόνια.

Τα παρτόνια μελετώνται πιο εύκολα σε συγκρούσεις πρωτονίων με ηλεκτρόνια. Το γεγονός είναι ότι, σε αντίθεση με ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο δεν συμμετέχει σε ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις και η σύγκρουσή του με ένα πρωτόνιο φαίνεται πολύ απλή: το ηλεκτρόνιο εκπέμπει ένα εικονικό φωτόνιο για πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, το οποίο συντρίβεται σε ένα φορτισμένο παρτόνιο και τελικά δημιουργεί ένα μεγάλος αριθμός σωματιδίων (Εικ. 2). Μπορούμε να πούμε ότι το ηλεκτρόνιο είναι ένα εξαιρετικό νυστέρι για το «άνοιγμα» του πρωτονίου και τη διαίρεση του σε ξεχωριστά μέρη - ωστόσο, μόνο για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Γνωρίζοντας πόσο συχνά συμβαίνουν τέτοιες διεργασίες σε έναν επιταχυντή, μπορεί κανείς να μετρήσει τον αριθμό των παρτονίων μέσα σε ένα πρωτόνιο και τα φορτία τους.

Ποιοι είναι πραγματικά οι Πάρτον;

Και εδώ φτάνουμε σε μια άλλη εκπληκτική ανακάλυψη που έκαναν οι φυσικοί μελετώντας τις συγκρούσεις στοιχειωδών σωματιδίων σε υψηλές ενέργειες.

Υπό κανονικές συνθήκες, το ερώτημα από τι αποτελείται αυτό ή εκείνο το αντικείμενο έχει μια καθολική απάντηση για όλα τα συστήματα αναφοράς. Για παράδειγμα, ένα μόριο νερού αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου - και δεν έχει σημασία αν κοιτάμε ένα ακίνητο ή κινούμενο μόριο. Ωστόσο, αυτός ο κανόνας φαίνεται τόσο φυσικός! - παραβιάζεται αν μιλάμε για στοιχειώδη σωματίδια που κινούνται με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Σε ένα πλαίσιο αναφοράς, ένα σύνθετο σωματίδιο μπορεί να αποτελείται από ένα σύνολο υποσωματιδίων και σε ένα άλλο πλαίσιο αναφοράς, από ένα άλλο. Τελικά φαίνεται πως η σύνθεση είναι μια σχετική έννοια!

Πώς μπορεί αυτό να είναι? Το κλειδί εδώ είναι μια σημαντική ιδιότητα: ο αριθμός των σωματιδίων στον κόσμο μας δεν είναι σταθερός - τα σωματίδια μπορούν να γεννηθούν και να εξαφανιστούν. Για παράδειγμα, αν πιέσετε μαζί δύο ηλεκτρόνια με αρκετά υψηλή ενέργεια, τότε εκτός από αυτά τα δύο ηλεκτρόνια, μπορεί να γεννηθεί είτε ένα φωτόνιο, είτε ένα ζεύγος ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων ή κάποια άλλα σωματίδια. Όλα αυτά επιτρέπονται από κβαντικούς νόμους, και αυτό ακριβώς συμβαίνει στα πραγματικά πειράματα.

Αλλά αυτός ο «νόμος της μη διατήρησης» των σωματιδίων λειτουργεί σε περίπτωση σύγκρουσηςσωματίδια. Πώς συμβαίνει το ίδιο πρωτόνιο από διαφορετικές απόψεις να μοιάζει σαν να αποτελείται από διαφορετικό σύνολο σωματιδίων; Το θέμα είναι ότι ένα πρωτόνιο δεν είναι μόνο τρία κουάρκ μαζί. Υπάρχει ένα πεδίο δύναμης γλουονίου μεταξύ των κουάρκ. Γενικά, ένα πεδίο δύναμης (όπως ένα βαρυτικό ή ηλεκτρικό πεδίο) είναι ένα είδος υλικής «οντότητας» που διαπερνά το διάστημα και επιτρέπει στα σωματίδια να ασκούν ισχυρή επιρροή το ένα στο άλλο. Στην κβαντική θεωρία, το πεδίο αποτελείται επίσης από σωματίδια, αν και ειδικά - εικονικά. Ο αριθμός αυτών των σωματιδίων δεν είναι σταθερός· συνεχώς «αναβλύζουν» από κουάρκ και απορροφώνται από άλλα κουάρκ.

ΞεκούρασηΈνα πρωτόνιο μπορεί πραγματικά να θεωρηθεί ως τρία κουάρκ με γκλουόνια να πηδούν ανάμεσά τους. Αλλά αν κοιτάξουμε το ίδιο πρωτόνιο από διαφορετικό πλαίσιο αναφοράς, σαν από το παράθυρο ενός «σχετιστικού τρένου» που περνά, θα δούμε μια εντελώς διαφορετική εικόνα. Αυτά τα εικονικά γκλουόνια που κόλλησαν τα κουάρκ μεταξύ τους θα φαίνονται λιγότερο εικονικά, «πιο αληθινά» σωματίδια. Φυσικά, εξακολουθούν να γεννιούνται και να απορροφώνται από τα κουάρκ, αλλά την ίδια στιγμή ζουν μόνα τους για κάποιο χρονικό διάστημα, πετώντας δίπλα στα κουάρκ, σαν πραγματικά σωματίδια. Αυτό που μοιάζει με ένα απλό πεδίο δύναμης σε ένα πλαίσιο αναφοράς μετατρέπεται σε ένα ρεύμα σωματιδίων σε ένα άλλο πλαίσιο! Σημειώστε ότι δεν αγγίζουμε το ίδιο το πρωτόνιο, αλλά το βλέπουμε μόνο από ένα διαφορετικό πλαίσιο αναφοράς.

Περαιτέρω περισσότερα. Όσο πιο κοντά είναι η ταχύτητα του «σχετιστικού τρένου» μας στην ταχύτητα του φωτός, τόσο πιο εκπληκτική είναι η εικόνα που θα δούμε μέσα στο πρωτόνιο. Καθώς πλησιάζουμε την ταχύτητα του φωτός, θα παρατηρήσουμε ότι υπάρχουν όλο και περισσότερα γκλουόνια μέσα στο πρωτόνιο. Επιπλέον, μερικές φορές χωρίζονται σε ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ, τα οποία επίσης πετούν κοντά και θεωρούνται επίσης παρτόνια. Ως αποτέλεσμα, ένα υπερσχετιστικό πρωτόνιο, δηλαδή ένα πρωτόνιο που κινείται σε σχέση με εμάς με ταχύτητα πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός, εμφανίζεται με τη μορφή αλληλοδιεισδυτικών νεφών κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουονίων που πετούν μαζί και φαίνεται να υποστηρίζουν το ένα το άλλο (Εικ. . 3).

Ένας αναγνώστης που γνωρίζει τη θεωρία της σχετικότητας μπορεί να προβληματιστεί. Όλη η φυσική βασίζεται στην αρχή ότι οποιαδήποτε διαδικασία προχωρά με τον ίδιο τρόπο σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς. Αλλά αποδεικνύεται ότι η σύνθεση του πρωτονίου εξαρτάται από το πλαίσιο αναφοράς από το οποίο το παρατηρούμε;!

Ναι, ακριβώς, αλλά αυτό σε καμία περίπτωση δεν παραβιάζει την αρχή της σχετικότητας. Τα αποτελέσματα των φυσικών διεργασιών - για παράδειγμα, ποια σωματίδια και πόσα παράγονται ως αποτέλεσμα μιας σύγκρουσης - αποδεικνύονται αμετάβλητα, αν και η σύνθεση του πρωτονίου εξαρτάται από το πλαίσιο αναφοράς.

Αυτή η κατάσταση, ασυνήθιστη με την πρώτη ματιά, αλλά ικανοποιώντας όλους τους νόμους της φυσικής, απεικονίζεται σχηματικά στο Σχήμα 4. Δείχνει πώς φαίνεται η σύγκρουση δύο πρωτονίων με υψηλή ενέργεια σε διαφορετικά πλαίσια αναφοράς: στο υπόλοιπο πλαίσιο ενός πρωτονίου, στο το πλαίσιο του κέντρου μάζας, στο υπόλοιπο πλαίσιο ενός άλλου πρωτονίου. Η αλληλεπίδραση μεταξύ πρωτονίων πραγματοποιείται μέσω ενός καταρράκτη διαχωριστικών γκλουονίων, αλλά μόνο σε μια περίπτωση αυτός ο καταρράκτης θεωρείται το «μέσα» ενός πρωτονίου, σε μια άλλη περίπτωση θεωρείται μέρος ενός άλλου πρωτονίου και στην τρίτη είναι απλώς κάποιο αντικείμενο που ανταλλάσσεται μεταξύ δύο πρωτονίων. Αυτός ο καταρράκτης υπάρχει, είναι πραγματικός, αλλά σε ποιο μέρος της διαδικασίας θα πρέπει να αποδοθεί εξαρτάται από το πλαίσιο αναφοράς.

τρισδιάστατο πορτρέτο ενός πρωτονίου

Όλα τα αποτελέσματα για τα οποία μόλις μιλήσαμε βασίστηκαν σε πειράματα που έγιναν πριν από πολύ καιρό - τη δεκαετία του 60-70 του περασμένου αιώνα. Φαίνεται ότι από τότε όλα θα έπρεπε να έχουν μελετηθεί και όλες οι ερωτήσεις να έχουν βρει τις απαντήσεις τους. Αλλά όχι - η δομή του πρωτονίου εξακολουθεί να παραμένει ένα από τα πιο ενδιαφέροντα θέματα στη σωματιδιακή φυσική. Επιπλέον, το ενδιαφέρον για αυτό έχει αυξηθεί ξανά τα τελευταία χρόνια επειδή οι φυσικοί έχουν καταλάβει πώς να αποκτήσουν ένα «τρισδιάστατο» πορτρέτο ενός ταχέως κινούμενου πρωτονίου, το οποίο αποδείχθηκε πολύ πιο δύσκολο από ένα πορτρέτο ενός ακίνητου πρωτονίου.

Τα κλασικά πειράματα στις συγκρούσεις πρωτονίων λένε μόνο για τον αριθμό των παρτονίων και την κατανομή της ενέργειας τους. Σε τέτοια πειράματα, τα παρτόνια συμμετέχουν ως ανεξάρτητα αντικείμενα, πράγμα που σημαίνει ότι είναι αδύνατο να μάθουμε από αυτά πώς βρίσκονται τα παρτόνια μεταξύ τους ή πώς ακριβώς αθροίζονται σε ένα πρωτόνιο. Μπορούμε να πούμε ότι για μεγάλο χρονικό διάστημα μόνο ένα «μονοδιάστατο» πορτρέτο ενός ταχέως κινούμενου πρωτονίου ήταν διαθέσιμο στους φυσικούς.

Προκειμένου να κατασκευαστεί ένα πραγματικό, τρισδιάστατο πορτρέτο ενός πρωτονίου και να διαπιστωθεί η κατανομή των παρτονίων στο διάστημα, απαιτούνται πολύ πιο λεπτά πειράματα από αυτά που ήταν δυνατά πριν από 40 χρόνια. Οι φυσικοί έμαθαν να πραγματοποιούν τέτοια πειράματα πολύ πρόσφατα, κυριολεκτικά την τελευταία δεκαετία. Συνειδητοποίησαν ότι ανάμεσα στον τεράστιο αριθμό διαφορετικών αντιδράσεων που συμβαίνουν όταν ένα ηλεκτρόνιο συγκρούεται με ένα πρωτόνιο, υπάρχει μια ειδική αντίδραση - βαθιά εικονική σκέδαση Compton, - που μπορεί να μας πει για την τρισδιάστατη δομή του πρωτονίου.

Γενικά, η σκέδαση Compton, ή το φαινόμενο Compton, είναι η ελαστική σύγκρουση ενός φωτονίου με ένα σωματίδιο, για παράδειγμα ένα πρωτόνιο. Μοιάζει κάπως έτσι: ένα φωτόνιο φτάνει, απορροφάται από ένα πρωτόνιο, το οποίο μεταβαίνει σε διεγερμένη κατάσταση για μικρό χρονικό διάστημα, και στη συνέχεια επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση, εκπέμποντας ένα φωτόνιο προς κάποια κατεύθυνση.

Η σκέδαση Compton των συνηθισμένων φωτονίων φωτός δεν οδηγεί σε τίποτα ενδιαφέρον - είναι απλώς η ανάκλαση του φωτός από ένα πρωτόνιο. Για να «μπει στο παιχνίδι» η εσωτερική δομή του πρωτονίου και να γίνει «αισθητή» η κατανομή των κουάρκ, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν φωτόνια πολύ υψηλής ενέργειας - δισεκατομμύρια φορές περισσότερο από ό,τι στο συνηθισμένο φως. Και ακριβώς τέτοια φωτόνια - αν και εικονικά - δημιουργούνται εύκολα από ένα προσπίπτον ηλεκτρόνιο. Αν τώρα συνδυάσουμε το ένα με το άλλο, θα έχουμε βαθιά εικονική σκέδαση Compton (Εικ. 5).

Το κύριο χαρακτηριστικό αυτής της αντίδρασης είναι ότι δεν καταστρέφει το πρωτόνιο. Το προσπίπτον φωτόνιο δεν χτυπά απλώς το πρωτόνιο, αλλά, σαν να λέγαμε, το αισθάνεται προσεκτικά και μετά πετά μακριά. Η κατεύθυνση προς την οποία πετά μακριά και το μέρος της ενέργειας που παίρνει το πρωτόνιο από αυτό εξαρτάται από τη δομή του πρωτονίου, από τη σχετική διάταξη των παρτονίων μέσα σε αυτό. Γι' αυτό, μελετώντας αυτή τη διαδικασία, είναι δυνατό να αποκατασταθεί η τρισδιάστατη εμφάνιση του πρωτονίου, σαν να «γλύψουμε τη γλυπτική του».

Είναι αλήθεια ότι αυτό είναι πολύ δύσκολο για έναν πειραματικό φυσικό να το κάνει. Η απαιτούμενη διαδικασία εμφανίζεται αρκετά σπάνια και είναι δύσκολο να την καταχωρίσετε. Τα πρώτα πειραματικά δεδομένα για αυτήν την αντίδραση ελήφθησαν μόλις το 2001 στον επιταχυντή HERA στο γερμανικό συγκρότημα επιταχυντών DESY στο Αμβούργο. μια νέα σειρά δεδομένων επεξεργάζεται τώρα από πειραματιστές. Ωστόσο, ήδη σήμερα, με βάση τα πρώτα δεδομένα, οι θεωρητικοί σχεδιάζουν τρισδιάστατες κατανομές κουάρκ και γκλουονίων στο πρωτόνιο. Ένα φυσικό μέγεθος, για το οποίο οι φυσικοί προηγουμένως είχαν κάνει μόνο υποθέσεις, τελικά άρχισε να «αναδύεται» από το πείραμα.

Μας περιμένουν απροσδόκητες ανακαλύψεις σε αυτόν τον τομέα; Είναι πιθανό ναι. Για παράδειγμα, ας πούμε ότι τον Νοέμβριο του 2008 εμφανίστηκε ένα ενδιαφέρον θεωρητικό άρθρο, το οποίο αναφέρει ότι ένα ταχέως κινούμενο πρωτόνιο δεν πρέπει να μοιάζει με επίπεδο δίσκο, αλλά με αμφίκυρτο φακό. Αυτό συμβαίνει επειδή τα παρτόνια που βρίσκονται στην κεντρική περιοχή του πρωτονίου συμπιέζονται πιο έντονα στη διαμήκη κατεύθυνση από τα παρτόνια που κάθονται στις άκρες. Θα ήταν πολύ ενδιαφέρον να δοκιμάσουμε αυτές τις θεωρητικές προβλέψεις πειραματικά!

Γιατί όλα αυτά είναι ενδιαφέροντα για τους φυσικούς;

Γιατί οι φυσικοί χρειάζεται καν να γνωρίζουν πώς ακριβώς κατανέμεται η ύλη μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια;

Πρώτον, αυτό απαιτείται από την ίδια τη λογική της ανάπτυξης της φυσικής. Υπάρχουν πολλά εκπληκτικά πολύπλοκα συστήματα στον κόσμο με τα οποία η σύγχρονη θεωρητική φυσική δεν μπορεί ακόμη να αντιμετωπίσει πλήρως. Τα αδρόνια είναι ένα τέτοιο σύστημα. Κατανοώντας τη δομή των αδρονίων, ακονίζουμε τις ικανότητες της θεωρητικής φυσικής, η οποία μπορεί κάλλιστα να αποδειχθεί καθολική και, ίσως, να βοηθήσει σε κάτι εντελώς διαφορετικό, για παράδειγμα, στη μελέτη υπεραγωγών ή άλλων υλικών με ασυνήθιστες ιδιότητες.

Δεύτερον, υπάρχει άμεσο όφελος για την πυρηνική φυσική. Παρά τη σχεδόν αιωνόβια ιστορία της μελέτης των ατομικών πυρήνων, οι θεωρητικοί εξακολουθούν να μην γνωρίζουν τον ακριβή νόμο της αλληλεπίδρασης μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων.

Πρέπει εν μέρει να μαντέψουν αυτόν τον νόμο με βάση πειραματικά δεδομένα και εν μέρει να τον κατασκευάσουν με βάση τη γνώση για τη δομή των νουκλεονίων. Εδώ θα βοηθήσουν νέα δεδομένα για την τρισδιάστατη δομή των νουκλεονίων.

Τρίτον, πριν από αρκετά χρόνια οι φυσικοί κατάφεραν να λάβουν όχι λιγότερο από μια νέα αθροιστική κατάσταση της ύλης - το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων. Σε αυτή την κατάσταση, τα κουάρκ δεν κάθονται μέσα σε μεμονωμένα πρωτόνια και νετρόνια, αλλά περπατούν ελεύθερα σε ολόκληρη τη συστάδα της πυρηνικής ύλης. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί, για παράδειγμα, ως εξής: βαρείς πυρήνες επιταχύνονται σε έναν επιταχυντή σε ταχύτητα πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός και στη συνέχεια συγκρούονται μετωπικά. Σε αυτή τη σύγκρουση, θερμοκρασίες τρισεκατομμυρίων βαθμών προκύπτουν για πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, οι οποίες λιώνουν τους πυρήνες σε πλάσμα κουάρκ-γλουονίων. Έτσι, αποδεικνύεται ότι οι θεωρητικοί υπολογισμοί αυτής της πυρηνικής τήξης απαιτούν καλή γνώση της τρισδιάστατης δομής των νουκλεονίων.

Τέλος, αυτά τα δεδομένα είναι πολύ απαραίτητα για την αστροφυσική. Όταν τα βαριά αστέρια εκρήγνυνται στο τέλος της ζωής τους, συχνά αφήνουν πίσω τους εξαιρετικά συμπαγή αντικείμενα - αστέρια νετρονίων και πιθανώς κουάρκ. Ο πυρήνας αυτών των αστεριών αποτελείται εξ ολοκλήρου από νετρόνια, και ίσως ακόμη και από ψυχρό πλάσμα κουάρκ-γλουονίων. Τέτοια αστέρια έχουν ανακαλυφθεί εδώ και καιρό, αλλά μπορεί κανείς μόνο να μαντέψει τι συμβαίνει μέσα τους. Έτσι, η καλή κατανόηση των κατανομών των κουάρκ μπορεί να οδηγήσει σε πρόοδο στην αστροφυσική.