Súčasť protónovej 5-písmenovej krížovky. Protón je elementárna častica. Distribúcia častíc vo vnútri protónu

• Preklad

Ryža. 1: atóm vodíka. Nie do mierky.

Viete, že Veľký hadrónový urýchľovač v podstate rozbíja protóny do seba. Ale čo je to protón?

V prvom rade je to hrozný a úplný neporiadok. Rovnako škaredý a chaotický ako atóm vodíka je jednoduchý a elegantný.

Ale čo je potom atóm vodíka?

Toto je najjednoduchší príklad toho, čo fyzici nazývajú „viazaný stav“. „Štát“ v podstate znamená niečo, čo existuje už nejaký čas, a „spojený“ znamená, že jeho zložky sú navzájom prepojené, ako manželia v manželstve. V skutočnosti tu veľmi dobre sedí príklad manželského páru, v ktorom je jeden z manželov oveľa ťažší ako druhý. Protón sedí v strede, sotva sa pohybuje, a na okrajoch objektu sa pohybuje elektrón, ktorý sa pohybuje rýchlejšie ako vy a ja, ale oveľa pomalšie ako rýchlosť svetla, univerzálny rýchlostný limit. Pokojný obraz manželskej idyly.

Alebo to tak vyzerá, kým sa nepozrieme na samotný protón. Vnútro samotného protónu pripomína skôr komúnu, kde je husto natlačených veľa slobodných dospelých a detí: čistý chaos. Toto je tiež viazaný stav, ale nespája niečo jednoduché, ako je protón s elektrónom, ako vo vodíku, alebo aspoň niekoľko desiatok elektrónov s atómovým jadrom, ako v zložitejších atómoch, ako je zlato - ale nespočetné množstvo ( to znamená, že je ich príliš veľa a menia sa príliš rýchlo na to, aby sa dali prakticky spočítať) ľahké častice nazývané kvarky, antikvarky a gluóny. Nie je možné jednoducho opísať štruktúru protónu, nakresliť jednoduché obrázky - je extrémne neusporiadaný. Všetky kvarky, gluóny, antikvarky sa vo vnútri rútia maximálnou možnou rýchlosťou, takmer rýchlosťou svetla.

Ryža. 2: Obraz protónu. Predstavte si, že všetky kvarky (hore, dole, podivné - u,d,s), antikvarky (u,d,s s pomlčkou) a gluóny (g) sa rútia tam a späť takmer rýchlosťou svetla, zrážajú sa s každým iné, objavujú sa a miznú

Možno ste už počuli, že protón sa skladá z troch kvarkov. Ale to je lož – pre väčšie dobro, ale stále dosť veľká. V skutočnosti je v protóne nespočetné množstvo gluónov, antikvarkov a kvarkov. Štandardná skratka „protón sa skladá z dvoch up kvarkov a jedného down kvarku“ jednoducho hovorí, že protón má o dva up kvarky viac ako up kvarky a o jeden down kvark viac ako down kvarky. Aby bola táto redukcia pravdivá, je potrebné k nej pridať „a nespočetné množstvo ďalších gluónov a párov kvark-antikvark“. Bez tejto frázy bude myšlienka protónu taká zjednodušená, že bude úplne nemožné pochopiť fungovanie LHC.

Ryža. 3: Malé biele lži na stereotypnom obrázku Wikipédie

Vo všeobecnosti sú atómy v porovnaní s protónmi ako pas de deux v prepracovanom balete v porovnaní s diskotékou plnou opitých tínedžerov, ktorí poskakujú a mávajú na DJa.

To je dôvod, prečo ak ste teoretik, ktorý sa snaží pochopiť, čo LHC uvidí pri zrážkach protónov, budete to mať ťažké. Je veľmi ťažké predpovedať výsledky zrážok medzi objektmi, ktoré sa nedajú jednoduchým spôsobom opísať. Ale našťastie od 70. rokov na základe Bjorkenových myšlienok zo 60. rokov teoretickí fyzici našli pomerne jednoduchú a fungujúcu technológiu. Ale stále to funguje do určitých limitov, s presnosťou asi 10%. Z tohto a niektorých ďalších dôvodov je spoľahlivosť našich výpočtov na LHC vždy obmedzená.

Ďalšia vec o protóne je, že je malý. Naozaj malinký. Ak vyhodíte do vzduchu atóm vodíka na veľkosť vašej spálne, protón bude mať veľkosť zrnka prachu tak malý, že ho bude veľmi ťažké spozorovať. Je to práve preto, že protón je taký malý, že môžeme ignorovať chaos, ktorý sa v ňom odohráva, a opísať atóm vodíka ako jednoduchý. Presnejšie, veľkosť protónu je 100 000-krát menšia ako veľkosť atómu vodíka.

Pre porovnanie, veľkosť Slnka je len 3000-krát menšia ako veľkosť Slnečnej sústavy (meraná obežnou dráhou Neptúna). Presne tak – atóm je prázdnejší ako slnečná sústava! Pamätajte na to, keď sa v noci pozriete na oblohu.

Ale môžete sa opýtať: „Počkaj chvíľu! Chcete povedať, že Veľký hadrónový urýchľovač nejakým spôsobom naráža na protóny, ktoré sú 100 000-krát menšie ako atóm? Ako je to vôbec možné?

Skvelá otázka.

Zrážky protónov verzus minizrážky kvarkov, gluónov a antikvarkov

Zrážky protónov na LHC nastávajú s určitou energiou. V roku 2011 to bolo 7 TeV = 7 000 GeV a v roku 2012 8 TeV = 8 000 GeV. Ale časticových fyzikov zaujímajú najmä zrážky kvarku jedného protónu s antikvarkom iného protónu, prípadne zrážky dvoch gluónov atď. – niečo, čo môže viesť k vzniku skutočne nového fyzikálneho javu. Tieto minizrážky nesú malý zlomok celkovej energie zrážky protónov. Koľko z tejto energie dokážu uniesť a prečo bolo potrebné zvýšiť energiu zrážky zo 7 TeV na 8 TeV?

Odpoveď je na obr. 4. Graf zobrazuje počet kolízií detekovaných detektorom ATLAS. Údaje z leta 2011 zahŕňajú rozptyl kvarkov, antikvarkov a gluónov od iných kvarkov, antikvarkov a gluónov. Takéto minizrážky najčastejšie produkujú dva jety (trysk hadrónov, prejavy vysokoenergetických kvarkov, gluónov alebo antikvarkov vyradených z materských protónov). Merajú sa energie a smery prúdov a z týchto údajov sa určuje množstvo energie, ktoré sa malo podieľať na minizrážke. V grafe je znázornený počet minikolízií tohto typu v závislosti od energie. Vertikálna os je logaritmická - každý riadok označuje 10-násobné zvýšenie množstva (10 n označuje 1 a n núl za ním). Napríklad počet minikolízií pozorovaných v energetickom intervale od 1550 do 1650 GeV bol približne 10 3 = 1 000 (označené modrými čiarami). Všimnite si, že graf začína pri 750 GeV, ale počet minikolízií sa neustále zvyšuje, keď študujete výtrysky s nižšou energiou, až do bodu, keď sú prúdy príliš slabé na to, aby sa dali zistiť.

Ryža. 4: počet zrážok ako funkcia energie (m jj)

Zoberme si, že celkový počet zrážok protónov s protónom s energiou 7 TeV = 7000 GeV sa priblížil k 100 000 000 000 000. A zo všetkých týchto zrážok len dve minizrážky presiahli hodnotu 3 500 GeV – polovicu energie zrážky protónov. Teoreticky by sa energia minizrážky mohla zvýšiť na 7000 GeV, ale pravdepodobnosť toho sa neustále znižuje. Minikolízie 6 000 GeV vidíme tak zriedka, že je nepravdepodobné, že by sme videli 7 000 GeV, aj keď nazbierame 100-krát viac údajov.

Aké sú výhody zvýšenia zrážkovej energie zo 7 TeV v rokoch 2010-2011 na 8 TeV v roku 2012? Je zrejmé, že to, čo ste mohli urobiť na energetickej úrovni E, môžete teraz urobiť na energetickej úrovni 8/7 E ≈ 1,14 E. Takže, ak ste predtým mohli dúfať, že v toľkých údajoch uvidíte znaky určitého typu hypotetických častíc s hmotnosť 1 000 GeV/c 2, potom môžeme teraz dúfať, že dosiahneme aspoň 1 100 GeV/c 2 s rovnakým súborom údajov. Schopnosti stroja sa zvyšujú - môžete vyhľadávať častice o niečo väčšej hmotnosti. A ak v roku 2012 nazbierate trikrát viac údajov ako v roku 2011, získate viac zrážok pre každú energetickú hladinu a budete môcť vidieť podpis hypotetickej častice s hmotnosťou povedzme 1200 GeV/s 2 .

To však nie je všetko. Pozrite sa na modré a zelené čiary na obr. 4: ukazujú, že sa vyskytujú pri energiách rádovo 1400 a 1600 GeV - tak, že navzájom korelujú ako 7 až 8. Pri úrovni energie zrážky protónov 7 TeV je počet minizrážok kvarkov s kvarkami. , kvarky s gluónmi atď. P. s energiou 1400 GeV je viac ako dvojnásobný počet zrážok s energiou 1600 GeV. Ale keď stroj zvýši energiu o 8/7, to, čo fungovalo na 1400, začne fungovať na 1600. Inými slovami, ak vás zaujímajú minizrážky fixnej ​​energie, ich počet sa zvyšuje - a to oveľa viac ako 14% nárast v energii zrážky protónov! To znamená, že pre akýkoľvek proces s preferovanou energiou, povedzme výskytom ľahkých Higgsových častíc, ktorý sa vyskytuje pri energiách rádovo 100-200 GeV, získate viac výsledkov za rovnaké peniaze. Prechod zo 7 na 8 TeV znamená, že pri rovnakom počte zrážok protónov získate viac Higgsových častíc. Produkcia Higgsových častíc sa zvýši približne o 1,5. Počet up kvarkov a určitých typov hypotetických častíc sa ešte o niečo zvýši.

To znamená, že hoci počet zrážok protónov v roku 2012 je 3-krát vyšší ako v roku 2011, celkový počet vyrobených Higgsových častíc vzrastie takmer 4-krát len ​​vďaka nárastu energie.

Mimochodom, obr. Obrázok 4 tiež dokazuje, že protóny jednoducho nepozostávajú z dvoch up kvarkov a jedného down kvarku, ako je znázornené na výkresoch, ako je obr. 3. Ak by boli, potom by kvarky museli preniesť asi tretinu energie protónov a väčšina minizrážok by nastala pri energiách asi tretinovej energie zrážky protónov: okolo 2300 GeV. Ale graf ukazuje, že v oblasti 2300 GeV sa nič zvláštne nedeje. Pri energiách pod 2300 GeV je oveľa viac zrážok a čím nižšie idete, tým viac zrážok vidíte. Je to preto, že protón obsahuje obrovské množstvo gluónov, kvarkov a antikvarkov, z ktorých každý prenáša malú časť energie protónu, ale je ich toľko, že sa podieľajú na obrovskom množstve minizrážok. Táto vlastnosť protónu je znázornená na obr. 2 – aj keď v skutočnosti je počet nízkoenergetických gluónov a párov kvark-antikvark oveľa väčší, ako je znázornené na obrázku.

Čo ale graf neukazuje je zlomok, ktorý pri minizrážkach s určitou energiou padne na zrážky kvarkov s kvarkami, kvarkov s gluónmi, gluónov s gluónmi, kvarkov s antikvarkami atď. V skutočnosti sa to nedá povedať priamo z experimentov na LHC – výtrysky z kvarkov, antikvarkov a gluónov vyzerajú rovnako. Ako tieto akcie poznáme, je zložitý príbeh, ktorý zahŕňa mnoho rôznych minulých experimentov a teóriu, ktorá ich spája. A z toho vieme, že minikolízie s najvyššou energiou sa zvyčajne vyskytujú medzi kvarkami a kvarkami a medzi kvarkami a gluónmi. Medzi gluónmi zvyčajne dochádza k zrážkam s nízkou energiou. Zrážky medzi kvarkami a antikvarkami sú pomerne zriedkavé, ale sú veľmi dôležité pre určité fyzikálne procesy.

Distribúcia častíc vo vnútri protónu

Ryža. 5

Dva grafy, líšiace sa mierkou zvislej osi, znázorňujú relatívnu pravdepodobnosť zrážky s gluónom, up alebo down kvarkom alebo antikvarkom nesúcim zlomok energie protónu rovný x. Na malom x dominujú gluóny (a kvarky a antikvarky sa stávajú rovnako pravdepodobnými a početnými, aj keď ich je stále menej ako gluónov) a na strednom x dominujú kvarky (hoci ich je extrémne málo).

Oba grafy zobrazujú to isté, len v inej mierke, takže to, čo je ťažko vidieť na jednom z nich, je ľahšie vidieť na druhom. Ukazujú toto: ak na vás príde protónový lúč vo Veľkom hadrónovom urýchľovači a zasiahnete niečo vo vnútri protónu, aká je pravdepodobnosť, že zasiahnete up kvark, down kvark, gluón alebo up antikvark alebo down kvark, antikvark, ktorý nesie zlomok energie protónu rovný x? Z týchto grafov možno usúdiť, že:

Zo skutočnosti, že všetky krivky rastú veľmi rýchlo pri malom x (vidno v spodnom grafe), vyplýva, že väčšina častíc v protóne prenáša menej ako 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.
Keďže žltá krivka (dole) je oveľa vyššia ako ostatné, vyplýva z toho, že ak sa stretnete s niečím, čo nesie menej ako 10 % energie protónu, je to s najväčšou pravdepodobnosťou gluón; a ak klesne pod 2 % protónovej energie, je rovnako pravdepodobné, že pôjde o kvarky alebo antikvarky.
Keďže gluónová krivka (vrchná časť) klesá pod kvarkové krivky, keď sa x zvyšuje, vyplýva z toho, že ak narazíte na niečo, čo nesie viac ako 20 % (x > 0,2) energie protónu – čo je veľmi, veľmi zriedkavé – je to s najväčšou pravdepodobnosťou kvark a pravdepodobnosť, že ide o up kvark, je dvakrát pravdepodobnejšia ako pravdepodobnosť, že ide o down kvark. Toto je pozostatok myšlienky, že „protón sú dva up kvarky a jeden down kvark“.
Všetky krivky prudko klesajú, keď sa x zvyšuje; Je veľmi nepravdepodobné, že sa stretnete s niečím, čo nesie viac ako 50% energie protónov.

Tieto pozorovania sa nepriamo odrážajú v grafe na obr. 4. Tu je niekoľko ďalších nezrejmých vecí o týchto dvoch grafoch:
Väčšina energie protónov je rozdelená (približne rovnomerne) medzi malý počet vysokoenergetických kvarkov a obrovský počet nízkoenergetických gluónov.
Medzi časticami počtom prevládajú nízkoenergetické gluóny, nasledujú kvarky a antikvarky s veľmi nízkymi energiami.

Počet kvarkov a antikvarkov je obrovský, ale: celkový počet up kvarkov mínus celkový počet up antikvarkov sú dva a celkový počet down kvarkov mínus celkový počet down antikvarkov je jedna. Ako sme videli vyššie, extra kvarky nesú značnú (ale nie väčšinu) časť energie protónu letiaceho smerom k vám. A len v tomto zmysle môžeme povedať, že protón sa v podstate skladá z dvoch up kvarkov a jedného down kvarku.

Mimochodom, všetky tieto informácie boli získané z fascinujúcej kombinácie experimentov (najmä o rozptyle elektrónov alebo neutrín z protónov alebo z atómových jadier ťažkého vodíka - deutéria, obsahujúcich jeden protón a jeden neutrón), zostavených pomocou podrobných rovníc popisujúce elektromagnetické, silné jadrové a slabé jadrové interakcie. Tento dlhý príbeh siaha až do konca 60. a začiatku 70. rokov 20. storočia. A funguje to skvele na predpovedanie javov pozorovaných v zrážačoch, kde sa protóny zrážajú s protónmi a protóny s antiprotónmi, ako sú Tevatron a LHC.

Ďalší dôkaz o komplexnej štruktúre protónu

Pozrime sa na niektoré údaje získané na LHC a na to, ako podporujú tvrdenia o štruktúre protónu (hoci súčasné chápanie protónu sa vďaka mnohým experimentom datuje 3-4 desaťročia dozadu).

Graf na obr. 4 je získaný z pozorovaní zrážok, počas ktorých dochádza k niečomu podobnému, ako je znázornené na obr. 6: kvark alebo antikvark alebo gluón jedného protónu sa zrazí s kvarkom alebo antikvarkom alebo gluónom iného protónu, rozptýli sa z neho (alebo sa stane niečo zložitejšie - napríklad dva gluóny sa zrazia a premenia sa na kvark a antikvark), čo má za následok v dvoch časticiach (kvarky, antikvarky alebo gluóny) odletia z bodu zrážky. Tieto dve častice sa menia na výtrysky (hadrónové výtrysky). Energia a smer prúdov sa pozorujú v detektoroch častíc obklopujúcich bod dopadu. Táto informácia sa používa na pochopenie toho, koľko energie obsahovala zrážka dvoch pôvodných kvarkov/gluónov/antikvarkov. Presnejšie, invariantná hmotnosť dvoch jetov, vynásobená c 2, udáva energiu zrážky dvoch pôvodných kvarkov/gluónov/antikvarkov.

Ryža. 6

Počet zrážok tohto typu v závislosti od energie je znázornený na obr. 4. To, že pri nízkych energiách je počet zrážok oveľa väčší, potvrdzuje fakt, že väčšina častíc vo vnútri protónu odovzdáva len malý zlomok svojej energie. Údaje začínajú pri energiách 750 GeV.

Ryža. 7: Údaje pre nižšie energie prevzaté z menšieho súboru údajov. Dijetová hmotnosť – rovnaká ako m jj na obr. 4.

Údaje pre Obr. 7 sú prevzaté z experimentu CMS z roku 2010, na ktorom zakreslili zrážky mäsa až do energií 220 GeV. Graf tu nie je počet zrážok, ale trochu komplikovanejší: počet zrážok na GeV, teda počet zrážok delený šírkou stĺpca histogramu. Je vidieť, že rovnaký efekt naďalej funguje v celom rozsahu údajov. Zrážky podobné tým, ktoré sú znázornené na obr. 6, oveľa viac sa deje pri nízkych energiách ako pri vysokých energiách. A toto číslo stále rastie, až kým už nie je možné rozlíšiť trysky. Protón obsahuje veľa nízkoenergetických častíc a len málo z nich nesie významný zlomok jeho energie.

Ako je to s prítomnosťou antikvarkov v protóne? Tri z najzaujímavejších procesov, ktoré nie sú podobné kolízii znázornenej na obr. 6, ktorá sa niekedy vyskytuje na LHC (v jednej z niekoľkých miliónov protón-protónových zrážok), zahŕňa proces:

Quark + antikvark -> častica W + , W - alebo Z.

Sú znázornené na obr. 8.

Ryža. 8

Zodpovedajúce údaje z CMS sú uvedené na obr. 9 a 10. Obr. Obrázok 9 ukazuje, že počet zrážok, pri ktorých vznikne elektrón alebo pozitrón (vľavo) a niečo nedetegovateľné (pravdepodobne neutríno alebo antineutríno), alebo mión a antimión (vpravo), je predpovedaný správne. Predpoveď sa robí kombináciou Štandardného modelu (rovnice, ktoré predpovedajú správanie známych elementárnych častíc) a štruktúry protónu. Veľké vrcholy v údajoch sú spôsobené výskytom častíc W a Z. Teória dokonale zodpovedá údajom.

Ryža. 9: čierne bodky – údaje, žlté – predpovede. Počet udalostí je uvedený v tisícoch. Vľavo: Centrálny vrchol je spôsobený neutrínami v časticiach W. Vpravo sú leptón a antileptón, ktoré vznikli pri zrážke, skombinované a je implikovaná hmotnosť častice, z ktorej pochádzajú. Vrchol sa objavuje v dôsledku výsledných Z častíc.

Ešte viac detailov je možné vidieť na obr. 10, kde je ukázané, že teória, čo sa týka počtu nielen týchto, ale aj mnohých súvisiacich meraní – z ktorých väčšina je spojená so zrážkami kvarkov s antikvarkami – sa s údajmi dokonale zhoduje. Údaje (červené bodky) a teória (modré stĺpce) sa nikdy presne nezhodujú kvôli štatistickým výkyvom, a to z rovnakého dôvodu, že ak hodíte mincou desaťkrát, nemusíte nevyhnutne získať päť hláv a päť chvostov. Dátové body sú preto umiestnené do „chybového pruhu“, zvislého červeného pruhu. Veľkosť pásma je taká, že pri 30 % meraní by pásmo chýb malo hraničiť s teóriou a len pri 5 % meraní by malo byť od teórie vzdialené dve pásma. Je vidieť, že všetky dôkazy potvrdzujú, že protón obsahuje veľa antikvarkov. A správne chápeme počet antikvarkov, ktoré nesú určitý zlomok protónovej energie.

Ryža. 10

Potom je všetko trochu komplikovanejšie. Dokonca vieme, koľko up a down kvarkov máme v závislosti od energie, ktorú nesú, keďže správne predpovedáme - s chybou menšou ako 10% - o koľko viac W + častíc získame ako W - častíc (obr. 11).

Ryža. jedenásť

Pomer up antikvarkov k down kvarkom by mal byť blízko 1, ale malo by byť viac up kvarkov ako down kvarkov, najmä pri vysokých energiách. Na obr. 6 vidíme, že pomer výsledných častíc W + a W - by nám mal približne udávať pomer up kvarkov a down kvarkov podieľajúcich sa na produkcii častíc W. Ale na obr. Obrázok 11 ukazuje, že nameraný pomer častíc W + k W - je 3 ku 2, nie 2 ku 1. To tiež ukazuje, že naivná predstava o protóne, ktorý pozostáva z dvoch up kvarkov a jedného down kvarku, je príliš zjednodušená. Zjednodušený pomer 2 ku 1 je nejasný, pretože protón obsahuje veľa párov kvark-antikvark, z ktorých horné a spodné sú približne rovnaké. Stupeň rozmazania je určený hmotnosťou W častice 80 GeV. Ak ho urobíte ľahším, bude tam viac rozmazania, a ak bude ťažší, bude rozmazania menej, pretože väčšina párov kvark-antikvark v protóne nesie málo energie.

Nakoniec si potvrďte fakt, že väčšina častíc v protóne sú gluóny.

Ryža. 12

Využijeme k tomu fakt, že top kvarky možno vytvárať dvoma spôsobmi: kvark + antikvark -> top kvark + top antikvark, alebo gluón + gluón -> top kvark + top antikvark (obr. 12). Poznáme počet kvarkov a antikvarkov v závislosti od energie, ktorú nesú na základe meraní znázornených na obr. 9-11. Z toho môžeme použiť rovnice štandardného modelu na predpovedanie, koľko top kvarkov vznikne zrážkami iba kvarkov a antikvarkov. Na základe predchádzajúcich údajov sa tiež domnievame, že v protóne je viac gluónov, takže proces gluón + gluón -> top kvark + top antikvark by sa mal vyskytovať aspoň 5 krát častejšie. Je ľahké skontrolovať, či sú tam gluóny; ak nie sú, údaje musia ležať hlboko pod teoretickými predpoveďami.
gluóny Pridať značky

V tomto článku nájdete informácie o protóne, ako elementárnej častici, ktorá tvorí základ vesmíru spolu s jeho ďalšími prvkami, využívanými v chémii a fyzike. Stanovia sa vlastnosti protónu, jeho chemické charakteristiky a stabilita.

Čo je to protón

Protón je jedným zo zástupcov elementárnych častíc, ktorý sa zaraďuje medzi baryóny, napr. v ktorom fermióny silne interagujú a samotná častica pozostáva z 3 kvarkov. Protón je stabilná častica a má osobnú hybnosť - spin ½. Fyzikálne označenie protónu je p(alebo p +)

Protón je elementárna častica, ktorá sa zúčastňuje procesov termonukleárneho typu. Práve tento typ reakcie je v podstate hlavným zdrojom energie generovanej hviezdami v celom vesmíre. Takmer celé množstvo energie uvoľnenej Slnkom existuje len vďaka spojeniu 4 protónov do jedného jadra hélia s vytvorením jedného neutrónu z dvoch protónov.

Vlastnosti vlastné protónu

Protón je jedným zo zástupcov baryónov. je to fakt. Náboj a hmotnosť protónu sú konštantné veličiny. Protón je elektricky nabitý +1 a jeho hmotnosť sa určuje v rôznych jednotkách merania a je v MeV 938.272 0813(58), v kilogramoch protónu je hmotnosť v číslach 1.672 621 898(21) 10 −27 kg, v jednotkách atómových hmotností je hmotnosť protónu 1,007 276 466 879(91) a. e.m. a vo vzťahu k hmotnosti elektrónu váži protón 1836,152 673 89 (17) vo vzťahu k elektrónu.

Protón, ktorého definícia už bola uvedená vyššie, z hľadiska fyziky je elementárna častica s projekciou izospinu +½ a jadrová fyzika vníma túto časticu s opačným znamienkom. Samotný protón je nukleón a skladá sa z 3 kvarkov (dva kvarky u a jeden kvark d).

Štruktúru protónu experimentálne študoval jadrový fyzik zo Spojených štátov amerických - Robert Hofstadter. Na dosiahnutie tohto cieľa sa fyzik zrazil protóny s vysokoenergetickými elektrónmi a za svoj opis mu bola udelená Nobelova cena za fyziku.

Protón obsahuje jadro (ťažké jadro), ktoré obsahuje asi tridsaťpäť percent energie elektrického náboja protónu a má dosť vysokú hustotu. Obal obklopujúci jadro je relatívne vybitý. Obal pozostáva hlavne z virtuálnych mezónov typu a p a nesie asi päťdesiat percent elektrického potenciálu protónu a nachádza sa vo vzdialenosti približne 0,25 * 10 13 až 1,4 * 10 13 . Ešte ďalej, vo vzdialenosti asi 2,5 x 10 13 centimetrov, obal pozostáva z a w virtuálnych mezónov a obsahuje približne zvyšných pätnásť percent elektrického náboja protónu.

Stabilita a stabilita protónov

Vo voľnom stave nevykazuje protón žiadne známky rozpadu, čo svedčí o jeho stabilite. Stabilný stav protónu ako najľahšieho zástupcu baryónov určuje zákon zachovania počtu baryónov. Bez porušenia zákona SBC sú protóny schopné rozpadu na neutrína, pozitróny a iné, ľahšie elementárne častice.

Protón jadra atómov má schopnosť zachytávať určité typy elektrónov s atómovými obalmi K, L, M. Protón sa po dokončení záchytu elektrónov premení na neutrón a v dôsledku toho uvoľní neutríno a „diera“ vytvorená ako výsledok záchytu elektrónov je vyplnená elektrónmi zhora pod atómovými vrstvami.

V neinerciálnych referenčných sústavách musia protóny získať obmedzenú životnosť, ktorú je možné vypočítať; je to spôsobené Unruhovým efektom (žiarením), ktorý v kvantovej teórii poľa predpovedá možnú kontempláciu tepelného žiarenia v referenčnej sústave, ktorá je zrýchlená v absencia tohto typu žiarenia. Protón, ak má konečnú životnosť, teda môže prejsť beta rozpadom na pozitrón, neutrón alebo neutríno, a to aj napriek tomu, že samotný proces takéhoto rozpadu ZSE zakazuje.

Využitie protónov v chémii

Protón je atóm H vytvorený z jedného protónu a nemá elektrón, takže v chemickom zmysle je protón jedno jadro atómu H. Neutrón spárovaný s protónom vytvára jadro atómu. V PTCE Dmitrija Ivanoviča Mendelejeva číslo prvku udáva počet protónov v atóme konkrétneho prvku a číslo prvku je určené atómovým nábojom.

Vodíkové katióny sú veľmi silné akceptory elektrónov. V chémii sa protóny získavajú najmä z organických a minerálnych kyselín. Ionizácia je spôsob výroby protónov v plynných fázach.

Štúdiom štruktúry hmoty fyzici zistili, z čoho sa skladajú atómy, dostali sa k atómovému jadru a rozdelili ho na protóny a neutróny. Všetky tieto kroky boli dané celkom jednoducho – stačilo častice urýchliť na požadovanú energiu, pritlačiť ich k sebe a potom sa samy rozpadli na jednotlivé časti.

Ale s protónmi a neutrónmi tento trik už nefungoval. Aj keď sú to zložené častice, nemožno ich „rozbiť na kúsky“ ani pri najnásilnejšej zrážke. Fyzikom preto trvalo desaťročia, kým prišli na rôzne spôsoby, ako nahliadnuť do vnútra protónu, vidieť jeho štruktúru a tvar. Dnes je štúdium štruktúry protónu jednou z najaktívnejších oblastí časticovej fyziky.

Príroda dáva rady

História štúdia štruktúry protónov a neutrónov siaha až do 30. rokov minulého storočia. Keď boli okrem protónov objavené aj neutróny (1932), po zmeraní ich hmotnosti, fyzici s prekvapením zistili, že je veľmi blízko hmotnosti protónu. Navyše sa ukázalo, že protóny a neutróny „cítia“ jadrovú interakciu presne rovnakým spôsobom. Tak identické, že z hľadiska jadrových síl možno protón a neutrón považovať za dva prejavy tej istej častice – nukleónu: protón je elektricky nabitý nukleón a neutrón je neutrálny nukleón. Vymeňte protóny za neutróny a jadrové sily si (takmer) nič nevšimnú.

Fyzici vyjadrujú túto vlastnosť prírody ako symetriu - jadrová interakcia je symetrická vzhľadom na nahradenie protónov neutrónmi, rovnako ako motýľ je symetrická vzhľadom na nahradenie ľavého pravým. Táto symetria, okrem toho, že zohrávala dôležitú úlohu v jadrovej fyzike, bola vlastne prvým náznakom, že nukleóny majú zaujímavú vnútornú štruktúru. Je pravda, že v 30. rokoch si fyzici tento náznak neuvedomili.

Pochopenie prišlo až neskôr. Začalo to tým, že v 40. – 50. rokoch 20. storočia vedci pri reakciách zrážok protónov s jadrami rôznych prvkov s prekvapením objavovali stále viac nových častíc. Nie protóny, nie neutróny, nie dovtedy objavené pí-mezóny, ktoré držia nukleóny v jadrách, ale nejaké úplne nové častice. Napriek všetkej rozmanitosti mali tieto nové častice dve spoločné vlastnosti. Po prvé, rovnako ako nukleóny sa veľmi ochotne podieľali na jadrových interakciách - teraz sa takéto častice nazývajú hadróny. A po druhé, boli mimoriadne nestabilné. Najnestabilnejšie z nich sa rozpadli na iné častice len za bilióninu nanosekundy, pričom ani nestihli preletieť veľkosťou atómového jadra!

Hadrónová „zoo“ bola dlho úplným neporiadkom. Na konci 50. rokov sa už fyzici naučili pomerne veľa rôznych typov hadrónov, začali ich medzi sebou porovnávať a zrazu v ich vlastnostiach videli určitú všeobecnú symetriu, až periodicitu. Predpokladalo sa, že vo všetkých hadrónoch (vrátane nukleónov) sú nejaké jednoduché objekty nazývané „kvarky“. Kombináciou kvarkov rôznymi spôsobmi je možné získať rôzne hadróny a presne rovnakého typu a s rovnakými vlastnosťami, aké boli objavené v experimente.

Čo robí protón protónom?

Po tom, čo fyzici objavili kvarkovú štruktúru hadrónov a dozvedeli sa, že kvarky sa vyskytujú v niekoľkých rôznych variantoch, bolo jasné, že z kvarkov možno skonštruovať mnoho rôznych častíc. Takže nikoho neprekvapilo, keď nasledujúce experimenty pokračovali v hľadaní nových hadrónov jeden po druhom. Ale medzi všetkými hadrónmi bola objavená celá rodina častíc, ktorá pozostávala, rovnako ako protón, iba z dvoch u- kvarky a jeden d-kvark. Akýsi „brat“ protónu. A tu čakalo fyzikov prekvapenie.

Najprv urobme jedno jednoduché pozorovanie. Ak máme niekoľko predmetov pozostávajúcich z rovnakých „tehál“, potom ťažšie predmety obsahujú viac „koštičiek“ a ľahšie predmety ich obsahujú menej. Ide o veľmi prirodzený princíp, ktorý možno nazvať princípom kombinácie alebo princípom nadstavby a dokonale funguje ako v bežnom živote, tak aj vo fyzike. Prejavuje sa to dokonca aj v štruktúre atómových jadier – veď ťažšie jadrá sa jednoducho skladajú z väčšieho počtu protónov a neutrónov.

Na úrovni kvarkov však tento princíp vôbec nefunguje a, pravdaže, fyzici ešte úplne neprišli na to, prečo. Ukazuje sa, že ťažkí bratia protónu tiež pozostávajú z rovnakých kvarkov ako protón, hoci sú jeden a pol alebo dokonca dvakrát ťažšie ako protón. Líšia sa od protónu (a líšia sa od seba) nie zloženie, a vzájomné umiestnenie kvarky, podľa stavu, v ktorom sú tieto kvarky navzájom relatívne. Stačí zmeniť vzájomnú polohu kvarkov – a z protónu dostaneme ďalšiu, citeľne ťažšiu, časticu.

Čo sa stane, ak aj tak vezmete a nazbierate viac ako tri kvarky spolu? Vznikne nová ťažká častica? Prekvapivo to nebude fungovať - ​​kvarky sa rozdelia na tri a premenia sa na niekoľko rozptýlených častíc. Z nejakého dôvodu príroda „nemá rada“ spájanie mnohých kvarkov do jedného celku! Len veľmi nedávno, doslova v posledných rokoch, sa začali objavovať náznaky, že nejaké multikvarkové častice existujú, ale to len zdôrazňuje, ako veľmi ich príroda nemá rada.

Z tejto kombinatoriky vyplýva veľmi dôležitý a hlboký záver – hmotnosť hadrónov vôbec nepozostáva z hmotnosti kvarkov. Ale ak sa hmotnosť hadrónu dá zvýšiť alebo znížiť jednoduchou rekombináciou tehál, z ktorých pozostáva, potom to nie sú samotné kvarky, ktoré sú zodpovedné za hmotnosť hadrónov. A skutočne, v následných experimentoch bolo možné zistiť, že hmotnosť samotných kvarkov je len asi dve percentá hmotnosti protónu a zvyšok gravitácie vzniká vďaka silovému poľu (špeciálne častice - gluóny), ktoré viazať kvarky dohromady. Zmenou relatívnej polohy kvarkov, napríklad ich oddialením od seba, tým zmeníme gluónový oblak, ktorý bude hmotnejší, a preto sa hmotnosť hadrónu zväčší (obr. 1).

Čo sa deje vo vnútri rýchlo sa pohybujúceho protónu?

Všetko opísané vyššie sa týka stacionárneho protónu, v reči fyzikov ide o štruktúru protónu v jeho pokojovom rámci. V experimente však bola štruktúra protónu objavená najskôr za iných podmienok – vo vnútri rýchle lietanie protón.

Koncom 60. rokov minulého storočia sa pri pokusoch o zrážkach častíc na urýchľovačoch zistilo, že protóny pohybujúce sa rýchlosťou blízkou svetla sa správali tak, akoby energia v nich nebola rozložená rovnomerne, ale bola sústredená v jednotlivých kompaktných objektoch. Slávny fyzik Richard Feynman navrhol nazvať tieto zhluky hmoty vo vnútri protónov partons(z angličtiny časť -časť).

Následné experimenty skúmali mnohé vlastnosti partónov – napríklad ich elektrický náboj, ich počet a podiel protónovej energie, ktorú každý nesie. Ukazuje sa, že nabité partóny sú kvarky a neutrálne partóny sú gluóny. Áno, tie isté gluóny, ktoré v pokojovom rámci protónov jednoducho „slúžili“ kvarkom a priťahovali ich k sebe, sú teraz nezávislými partónmi a spolu s kvarkami nesú „hmotu“ a energiu rýchlo sa pohybujúceho protónu. Experimenty ukázali, že približne polovica energie je uložená v kvarkoch a polovica v gluónoch.

Partóny sa najpohodlnejšie študujú pri zrážkach protónov s elektrónmi. Faktom je, že na rozdiel od protónu sa elektrón nezúčastňuje silných jadrových interakcií a jeho kolízia s protónom vyzerá veľmi jednoducho: elektrón na veľmi krátky čas vyžaruje virtuálny fotón, ktorý sa zrúti do nabitého partónu a v konečnom dôsledku vygeneruje tzv. veľké množstvo častíc (obr. 2). Dá sa povedať, že elektrón je výborný skalpel na „otváranie“ protónu a jeho rozdelenie na samostatné časti – avšak len na veľmi krátky čas. Keď vieme, ako často sa takéto procesy vyskytujú v urýchľovači, môžeme merať počet partónov vo vnútri protónu a ich náboje.

Kto sú vlastne Partonovci?

A tu sa dostávame k ďalšiemu úžasnému objavu, ktorý fyzici urobili pri štúdiu zrážok elementárnych častíc pri vysokých energiách.

Za normálnych podmienok má otázka, z čoho pozostáva ten či onen objekt, univerzálnu odpoveď pre všetky referenčné systémy. Napríklad molekula vody pozostáva z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka – a je jedno, či sa pozeráme na nehybnú alebo pohyblivú molekulu. Toto pravidlo sa však zdá byť také prirodzené! - je porušená, ak hovoríme o elementárnych časticiach pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. V jednom referenčnom rámci môže komplexná častica pozostávať z jednej sady subčastíc a v inej referenčnej sústave z inej. Ukazuje sa, že zloženie je relatívny pojem!

Ako to môže byť? Kľúčová je tu jedna dôležitá vlastnosť: počet častíc v našom svete nie je fixný – častice sa môžu rodiť a zanikať. Napríklad, ak stlačíte k sebe dva elektróny s dostatočne vysokou energiou, potom sa okrem týchto dvoch elektrónov môže zrodiť buď fotón, alebo pár elektrón-pozitrón, prípadne nejaké ďalšie častice. Toto všetko umožňujú kvantové zákony a presne to sa deje aj v skutočných experimentoch.

Ale tento „zákon nezachovania“ častíc funguje v prípade kolíziíčastice. Ako sa stane, že ten istý protón z rôznych uhlov pohľadu vyzerá, že pozostáva z inej sady častíc? Ide o to, že protón nie sú len tri kvarky dohromady. Medzi kvarkami je gluónové silové pole. Vo všeobecnosti je silové pole (ako je gravitačné alebo elektrické pole) druh hmotnej „entity“, ktorá preniká priestorom a umožňuje časticiam, aby na seba navzájom silne ovplyvňovali. V kvantovej teórii sa pole skladá aj z častíc, aj keď špeciálnych – virtuálnych. Počet týchto častíc nie je pevne stanovený, neustále „pučia“ z kvarkov a sú pohlcované inými kvarkami.

Odpočinok Protón si možno skutočne predstaviť ako tri kvarky, medzi ktorými preskakujú gluóny. Ak sa však na ten istý protón pozrieme z iného vzťažného rámca, akoby z okna okoloidúceho „relativistického vlaku“, uvidíme úplne iný obraz. Tie virtuálne gluóny, ktoré zlepili kvarky dohromady, sa budú zdať menej virtuálne, „skutočnejšie“ častice. Samozrejme, stále sa rodia a pohlcujú kvarky, no zároveň nejaký čas žijú samy a lietajú vedľa kvarkov ako skutočné častice. To, čo v jednej referenčnej sústave vyzerá ako jednoduché silové pole, sa v inej sústave mení na prúd častíc! Všimnite si, že sa nedotýkame samotného protónu, ale iba sa naň pozeráme z iného referenčného rámca.

Ďalej viac. Čím je rýchlosť nášho „relativistického vlaku“ bližšie k rýchlosti svetla, tým úžasnejší obraz uvidíme vo vnútri protónu. Ako sa blížime k rýchlosti svetla, všimneme si, že vo vnútri protónu je stále viac a viac gluónov. Okrem toho sa niekedy rozdelia na páry kvark-antikvark, ktoré tiež lietajú v blízkosti a sú tiež považované za partóny. Výsledkom je, že ultrarelativistický protón, t. j. protón pohybujúci sa voči nám rýchlosťou veľmi blízkou rýchlosti svetla, sa objavuje vo forme vzájomne sa prenikajúcich oblakov kvarkov, antikvarkov a gluónov, ktoré letia spolu a zdá sa, že sa navzájom podporujú (obr. 3).

Čitateľ oboznámený s teóriou relativity môže mať obavy. Celá fyzika je založená na princípe, že každý proces prebieha rovnako vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách. Ale ukazuje sa, že zloženie protónu závisí od vzťažnej sústavy, z ktorej ho pozorujeme?!

Áno, presne, ale to v žiadnom prípade neporušuje princíp relativity. Výsledky fyzikálnych procesov – napríklad, ktoré častice a koľko ich vznikne v dôsledku kolízie – sa ukážu ako invariantné, hoci zloženie protónu závisí od referenčného rámca.

Táto situácia, na prvý pohľad neobvyklá, ale spĺňajúca všetky fyzikálne zákony, je schematicky znázornená na obrázku 4. Ten ukazuje, ako zrážka dvoch protónov s vysokou energiou vyzerá v rôznych vzťažných sústavách: v pokojovej sústave jedného protónu, v ťažisko rámca, v kľudovom rámci iného protónu . Interakcia medzi protónmi sa uskutočňuje prostredníctvom kaskády štiepiacich gluónov, ale iba v jednom prípade sa táto kaskáda považuje za „vnútro“ jedného protónu, v inom prípade sa považuje za súčasť iného protónu a v treťom je to jednoducho nejaký objekt, ktorý sa vymieňa medzi dvoma protónmi. Táto kaskáda existuje, je skutočná, ale ktorej časti procesu by sa mala pripísať, závisí od referenčného rámca.

3D portrét protónu

Všetky výsledky, o ktorých sme práve hovorili, boli založené na experimentoch vykonaných už dávno - v 60-70 rokoch minulého storočia. Zdalo by sa, že odvtedy malo byť všetko preštudované a všetky otázky by mali nájsť odpovede. Ale nie – štruktúra protónu stále zostáva jednou z najzaujímavejších tém časticovej fyziky. Záujem o ňu sa navyše v posledných rokoch opäť zvýšil, pretože fyzici prišli na to, ako získať „trojrozmerný“ portrét rýchlo sa pohybujúceho protónu, čo sa ukázalo byť oveľa náročnejšie ako portrét stacionárneho protónu.

Klasické experimenty na zrážkach protónov vypovedajú len o počte partónov a ich rozdelení energie. V takýchto experimentoch partóny participujú ako nezávislé objekty, čo znamená, že z nich nie je možné zistiť, ako sa partóny nachádzajú voči sebe navzájom, alebo ako presne sa sčítavajú do protónu. Dá sa povedať, že dlho mali fyzici k dispozícii len „jednorozmerný“ portrét rýchlo sa pohybujúceho protónu.

Na zostavenie skutočného, ​​trojrozmerného portrétu protónu a zistenie rozloženia partónov vo vesmíre sú potrebné oveľa rafinovanejšie experimenty ako tie, ktoré boli možné pred 40 rokmi. Fyzici sa naučili vykonávať takéto experimenty pomerne nedávno, doslova v poslednom desaťročí. Uvedomili si, že medzi obrovským množstvom rôznych reakcií, ktoré sa vyskytujú, keď sa elektrón zrazí s protónom, existuje jedna špeciálna reakcia - hlboký virtuálny Comptonov rozptyl, - čo nám môže povedať o trojrozmernej štruktúre protónu.

Vo všeobecnosti je Comptonov rozptyl alebo Comptonov efekt elastická zrážka fotónu s časticou, napríklad protónom. Vyzerá to takto: priletí fotón, je pohltený protónom, ktorý na krátky čas prejde do excitovaného stavu a potom sa vráti do pôvodného stavu, pričom vyžiari fotón nejakým smerom.

Comptonov rozptyl obyčajných svetelných fotónov nevedie k ničomu zaujímavému – je to jednoducho odraz svetla od protónu. Aby vnútorná štruktúra protónu „vstúpila do hry“ a rozloženie kvarkov bolo „pocítené“, je potrebné použiť fotóny s veľmi vysokou energiou – miliardkrát viac ako v bežnom svetle. A práve takéto fotóny – aj keď virtuálne – ľahko generuje dopadajúci elektrón. Ak teraz skombinujeme jedno s druhým, dostaneme hlboký virtuálny Comptonov rozptyl (obr. 5).

Hlavnou črtou tejto reakcie je, že neničí protón. Dopadnutý fotón protón nielen zasiahne, ale akoby ho opatrne nahmatá a potom odletí. Smer, ktorým odletí a akú časť energie mu protón odoberie, závisí od štruktúry protónu, od relatívneho usporiadania partónov v jeho vnútri. Štúdiom tohto procesu je preto možné obnoviť trojrozmerný vzhľad protónu, akoby „vytesal jeho sochu“.

Je pravda, že to je pre experimentálneho fyzika veľmi ťažké. Požadovaný proces sa vyskytuje pomerne zriedkavo a je ťažké ho zaregistrovať. Prvé experimentálne údaje o tejto reakcii boli získané až v roku 2001 na urýchľovači HERA v nemeckom akcelerátorovom komplexe DESY v Hamburgu; experimentátori teraz spracúvajú novú sériu údajov. Už dnes však teoretici na základe prvých údajov kreslia trojrozmerné rozloženie kvarkov a gluónov v protóne. Z experimentu napokon začala „vychádzať“ fyzikálna veličina, o ktorej fyzici predtým len predpokladali.

Čakajú nás v tejto oblasti nejaké nečakané objavy? Je pravdepodobné, že áno. Pre ilustráciu povedzme, že v novembri 2008 sa objavil zaujímavý teoretický článok, ktorý tvrdí, že rýchlo sa pohybujúci protón by nemal vyzerať ako plochý disk, ale ako bikonkávna šošovka. Stáva sa to preto, že partóny sediace v centrálnej oblasti protónu sú stlačené silnejšie v pozdĺžnom smere ako partóny sediace na okrajoch. Bolo by veľmi zaujímavé otestovať tieto teoretické predpovede experimentálne!

Prečo je toto všetko pre fyzikov zaujímavé?

Prečo fyzici potrebujú presne vedieť, ako je hmota rozložená vo vnútri protónov a neutrónov?

Po prvé, vyžaduje si to samotná logika vývoja fyziky. Na svete existuje veľa úžasne zložitých systémov, s ktorými si moderná teoretická fyzika zatiaľ úplne nevie poradiť. Hadróny sú jedným z takýchto systémov. Pochopením štruktúry hadrónov zdokonaľujeme schopnosti teoretickej fyziky, ktorá sa môže ukázať ako univerzálna a možno pomôže v niečom úplne inom, napríklad pri štúdiu supravodičov alebo iných materiálov s neobvyklými vlastnosťami.

Po druhé, existuje priamy prínos pre jadrovú fyziku. Napriek takmer storočnej histórii štúdia atómových jadier teoretici stále nepoznajú presný zákon interakcie medzi protónmi a neutrónmi.

Tento zákon musia sčasti uhádnuť na základe experimentálnych údajov a sčasti ho zostrojiť na základe poznatkov o štruktúre nukleónov. Tu pomôžu nové údaje o trojrozmernej štruktúre nukleónov.

Po tretie, pred niekoľkými rokmi boli fyzici schopní získať nie menej ako nový súhrnný stav hmoty - kvark-gluónovú plazmu. V tomto stave kvarky nesedia vo vnútri jednotlivých protónov a neutrónov, ale voľne sa pohybujú po celom zhluku jadrovej hmoty. Dá sa to dosiahnuť napríklad takto: ťažké jadrá sa urýchľujú v urýchľovači na rýchlosť veľmi blízku rýchlosti svetla a potom sa čelne zrazia. Pri tejto zrážke vznikajú na veľmi krátky čas teploty biliónov stupňov, ktoré roztavia jadrá na kvark-gluónovú plazmu. Ukazuje sa teda, že teoretické výpočty tohto jadrového tavenia vyžadujú dobrú znalosť trojrozmernej štruktúry nukleónov.

Napokon, tieto údaje sú pre astrofyziku veľmi potrebné. Keď ťažké hviezdy na konci svojho života vybuchnú, často za sebou zanechajú extrémne kompaktné objekty – neutrónové a možno aj kvarkové hviezdy. Jadro týchto hviezd pozostáva výlučne z neutrónov a možno aj studenej kvark-gluónovej plazmy. Takéto hviezdy sú už dávno objavené, ale čo sa v nich deje, sa dá len hádať. Takže dobré pochopenie rozdelenia kvarkov môže viesť k pokroku v astrofyzike.