Proton 5 harfli bulmacanın bileşeni. Proton temel bir parçacıktır. Proton içindeki parçacıkların dağılımı

• Tercüme

Pirinç. 1: hidrojen atomu. Ölçekli değildir.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısının temel olarak protonları birbirine çarptığını biliyorsunuz. Peki proton nedir?

Her şeyden önce, bu korkunç ve tam bir karmaşa. Hidrojen atomunun basit ve zarif olması kadar çirkin ve kaotik.

Peki o zaman hidrojen atomu nedir?

Bu, fizikçilerin "sınırlı durum" olarak adlandırdıkları şeyin en basit örneğidir. “Devlet” aslında uzun süredir var olan bir şey anlamına gelirken “bağlı”, evlilikteki eşler gibi bileşenlerinin birbirine bağlı olduğu anlamına gelir. Aslında bir eşin diğerine göre çok daha kilolu olduğu evli bir çift örneği buraya çok yakışıyor. Proton merkezde duruyor, çok az hareket ediyor ve nesnenin kenarlarında hareket eden bir elektron var; sizden ve benden daha hızlı, ancak evrensel hız sınırı olan ışık hızından çok daha yavaş hareket ediyor. Bir evlilik cennetinin huzurlu bir görüntüsü.

Ya da protonun kendisine bakana kadar öyle görünüyor. Protonun içi daha çok, birçok bekar yetişkinin ve çocuğun yoğun bir şekilde paketlendiği bir komüne benziyor: saf kaos. Bu aynı zamanda bağlı bir durumdur, ancak hidrojende olduğu gibi bir proton ile bir elektron gibi basit bir şeyi veya altın gibi daha karmaşık atomlarda olduğu gibi atom çekirdeği ile en az birkaç düzine elektronu birbirine bağlamaz - ancak sayısız sayıda ( ( yani bunlardan çok fazla var ve sayılmayacak kadar hızlı değişiyorlar.) kuarklar, antikuarklar ve gluonlar adı verilen hafif parçacıklar. Protonun yapısını basitçe tanımlamak, basit resimler çizmek imkansızdır - son derece düzensizdir. Tüm kuarklar, gluonlar, antikuarklar mümkün olan en yüksek hızla, neredeyse ışık hızında, içeride dolaşır.

Pirinç. 2: Bir protonun görüntüsü. Tüm kuarkların (yukarı, aşağı, tuhaf - u,d,s), antikuarkların (çizgili u,d,s) ve gluonların (g) neredeyse ışık hızında ileri geri koştuğunu, birbiriyle çarpıştığını hayal edin. diğeri ortaya çıkar ve kaybolur

Bir protonun üç kuarktan oluştuğunu duymuş olabilirsiniz. Ama bu bir yalandır; çoğunluğun iyiliği için ama yine de oldukça büyük bir yalan. Aslında bir protonda sayısız gluon, antikuark ve kuark bulunur. Standart kısaltma olan "bir proton iki yukarı kuarktan ve bir aşağı kuarktan oluşur" basitçe bir protonun yukarı kuarklardan iki yukarı kuark ve aşağı kuarklardan bir aşağı kuark fazlasına sahip olduğunu söyler. Bu indirgemenin doğru olması için buna "ve sayısız daha fazla gluon ve kuark-antikuark çiftinin" eklenmesi gerekir. Bu ifade olmadan proton fikri o kadar basitleşecek ki LHC'nin işleyişini anlamak tamamen imkansız hale gelecektir.

Pirinç. 3: Basmakalıp Bir Vikipedi Görüntüsünde Küçük Beyaz Yalanlar

Genel olarak, protonlarla karşılaştırıldığında atomlar, bir aşağı bir yukarı zıplayan ve DJ'e el sallayan sarhoş gençlerle dolu bir diskoyla karşılaştırıldığında, ayrıntılı bir baledeki pas de deux gibidir.

Bu nedenle eğer LHC'nin proton çarpışmalarında ne göreceğini anlamaya çalışan bir teorisyen iseniz işiniz çok zor olacaktır. Basit bir şekilde anlatılamayan nesneler arasındaki çarpışmaların sonuçlarını tahmin etmek oldukça zordur. Ama neyse ki, 1970'lerden bu yana, Bjorken'in 60'lardaki fikirlerine dayanarak teorik fizikçiler nispeten basit ve çalışan bir teknoloji buldular. Ancak yine de belirli sınırlara kadar, yaklaşık %10'luk bir doğrulukla çalışıyor. Bu ve diğer bazı nedenlerden dolayı LHC'deki hesaplamalarımızın güvenilirliği her zaman sınırlıdır.

Protonun bir başka özelliği de çok küçük olmasıdır. Gerçekten çok küçük. Eğer bir hidrojen atomunu yatak odanızın büyüklüğüne kadar patlatırsanız, proton bir toz tanesi büyüklüğünde olacak ve o kadar küçük olacak ki fark edilmesi çok zor olacaktır. Tam da proton çok küçük olduğu için, hidrojen atomunu basit olarak tanımlayarak içinde olup biten kaosu görmezden gelebiliriz. Daha doğrusu protonun boyutu, hidrojen atomunun boyutundan 100.000 kat daha küçüktür.

Karşılaştırma yapmak gerekirse, Güneş'in boyutu Güneş Sistemi'nin boyutundan (Neptün'ün yörüngesi ile ölçülen) yalnızca 3000 kat daha küçüktür. Bu doğru; atom güneş sisteminden daha boş! Geceleri gökyüzüne baktığınızda bunu hatırlayın.

Ama şunu sorabilirsiniz: “Bir dakika! Büyük Hadron Çarpıştırıcısının bir şekilde atomdan 100.000 kat daha küçük protonları çarpıştırdığını mı söylüyorsunuz? Bu nasıl mümkün olabilir?

Harika bir soru.

Proton çarpışmalarına karşı kuark, gluon ve antikuarkların mini çarpışmaları

LHC'de proton çarpışmaları belli bir enerjiyle gerçekleşir. 2011 yılında 7 TeV = 7000 GeV, 2012 yılında ise 8 TeV = 8000 GeV idi. Ancak parçacık fizikçileri esas olarak bir protonun kuarkının başka bir protonun antikuarkıyla çarpışması veya iki gluonun çarpışması vb. ile ilgilenirler. – gerçekten yeni bir fiziksel olgunun ortaya çıkmasına yol açabilecek bir şey. Bu mini çarpışmalar toplam proton çarpışma enerjisinin küçük bir kısmını taşır. Bu enerjinin ne kadarını taşıyabilirler ve çarpışma enerjisini 7 TeV'den 8 TeV'ye çıkarmak neden gerekliydi?

Cevap Şekil 2'dedir. 4. Grafik, ATLAS dedektörünün tespit ettiği çarpışma sayısını göstermektedir. 2011 yazına ait veriler kuarkların, antikuarkların ve gluonların diğer kuarklardan, antikuarklardan ve gluonlardan saçılımını içermektedir. Bu tür mini çarpışmalar çoğunlukla iki jet üretir (hadron jetleri, yüksek enerjili kuarkların tezahürleri, gluonlar veya ana protonlardan arındırılmış antikuarklar). Jetlerin enerjileri ve yönleri ölçülüyor ve bu verilerden mini çarpışmada olması gereken enerji miktarı belirleniyor. Grafik, enerjinin bir fonksiyonu olarak bu türden mini çarpışmaların sayısını göstermektedir. Dikey eksen logaritmiktir; her çizgi miktardaki 10 kat artışı belirtir (10 n, 1'i ve ondan sonraki n sıfırı belirtir). Örneğin, 1550 ila 1650 GeV enerji aralığında gözlemlenen mini çarpışmaların sayısı yaklaşık 10 3 = 1000'dir (mavi çizgilerle işaretlenmiştir). Grafiğin 750 GeV'de başladığını ancak mini çarpışmaların sayısının, düşük enerjili jetleri inceledikçe jetlerin tespit edilemeyecek kadar zayıf hale geldiği noktaya kadar artmaya devam ettiğini unutmayın.

Pirinç. 4: enerjinin bir fonksiyonu olarak çarpışma sayısı (m jj)

7 TeV = 7000 GeV enerjili proton-proton çarpışmalarının toplam sayısının 100.000.000.000.000'e yaklaştığını ve tüm bu çarpışmalardan yalnızca iki mini çarpışmanın 3.500 GeV'yi, yani proton çarpışmasının enerjisinin yarısını aştığını düşünün. Teorik olarak bir mini çarpışmanın enerjisi 7000 GeV'ye kadar çıkabilir ancak bunun olasılığı her geçen gün azalmaktadır. 6000 GeV'lik mini çarpışmaları o kadar nadir görüyoruz ki, 100 kat daha fazla veri toplasak bile 7000 GeV'yi görmemiz pek mümkün değil.

Çarpışma enerjisinin 2010-2011'de 7 TeV'den 2012'de 8 TeV'ye çıkarılmasının avantajları nelerdir? Açıkçası, E enerji seviyesinde yapabildiğiniz şeyi şimdi 8/7 E ≈ 1,14 E enerji seviyesinde yapabilirsiniz. Yani, daha önce bu kadar çok veride belli bir tür varsayımsal parçacığın işaretlerini görmeyi umabilirseniz 1000 GeV/c2'lik bir kütleye sahipsek, artık aynı veri seti ile en az 1100 GeV/c2'ye ulaşmayı umabiliriz. Makinenin yetenekleri artıyor - biraz daha büyük kütleli parçacıkları arayabilirsiniz. Ve 2012'de 2011'e göre üç kat daha fazla veri toplarsanız, her enerji seviyesi için daha fazla çarpışma elde edersiniz ve örneğin 1200 GeV/s2 kütlesine sahip varsayımsal bir parçacığın imzasını görebileceksiniz.

Ama hepsi bu değil. Şekil 2'deki mavi ve yeşil çizgilere bakın. Şekil 4: 1400 ve 1600 GeV düzeyindeki enerjilerde meydana geldiklerini ve birbirleriyle 7 ila 8 gibi korelasyona sahip olduklarını göstermektedir. 7 TeV proton çarpışma enerji seviyesinde, kuarkların kuarklarla mini çarpışmalarının sayısı , gluonlu kuarklar vb. P. 1400 GeV enerjili çarpışma sayısı 1600 GeV enerjili çarpışmaların iki katından fazladır. Ancak makine enerjiyi 8/7 oranında arttırdığında 1400'de işe yarayan şey 1600'de çalışmaya başlar. Yani sabit enerjinin mini çarpışmalarıyla ilgileniyorsanız sayıları artar - ve %14'lük artıştan çok daha fazlası proton çarpışma enerjisinde! Bu, tercih edilen enerjiye sahip herhangi bir işlem için, örneğin 100-200 GeV düzeyindeki enerjilerde meydana gelen hafif Higgs parçacıklarının görünümü için, aynı parayla daha fazla sonuç alacağınız anlamına gelir. 7 TeV'den 8 TeV'ye çıkmak, aynı sayıda proton çarpışması için daha fazla Higgs parçacığı elde edeceğiniz anlamına gelir. Higgs parçacığı üretimi yaklaşık 1,5 oranında artacak. Yukarı kuarkların ve bazı varsayımsal parçacık türlerinin sayısı biraz daha artacaktır.

Bu, 2012 yılında proton çarpışmalarının sayısının 2011 yılına göre 3 kat daha fazla olmasına rağmen, üretilen Higgs parçacıklarının toplam sayısının, enerjideki artıştan dolayı neredeyse 4 kat artacağı anlamına geliyor.

Bu arada, şek. Şekil 4 ayrıca protonların, Şekil 1'deki çizimlerde gösterildiği gibi yalnızca iki yukarı kuarktan ve bir aşağı kuarktan oluşmadığını da kanıtlıyor. 3. Öyle olsaydı, kuarkların protonların enerjisinin yaklaşık üçte birini aktarması gerekirdi ve mini çarpışmaların çoğu, proton çarpışma enerjisinin yaklaşık üçte biri kadar olan enerjilerde, yani 2300 GeV civarında meydana gelirdi. Ancak grafik 2300 GeV bölgesinde özel bir şeyin olmadığını gösteriyor. 2300 GeV'nin altındaki enerjilerde çok daha fazla çarpışma olur ve ne kadar aşağıya inerseniz o kadar çok çarpışma görürsünüz. Bunun nedeni, protonun, her biri protonun enerjisinin küçük bir kısmını aktaran çok sayıda gluon, kuark ve antikuark içermesidir, ancak bunların sayısı o kadar fazladır ki, çok sayıda mini çarpışmaya katılırlar. Protonun bu özelliği Şekil 2'de gösterilmektedir. 2 – gerçekte düşük enerjili gluonların ve kuark-antikuark çiftlerinin sayısı şekilde gösterilenden çok daha fazladır.

Ancak grafiğin göstermediği şey, belirli bir enerjiye sahip mini çarpışmalarda kuarkların kuarklarla, kuarkların gluonlarla, gluonlarla gluonların, kuarkların antikuarklarla vb. çarpışmalarına düşen kısımdır. Aslında bunu doğrudan LHC'deki deneylerden söylemek mümkün değil; kuarklardan, antikuarklardan ve gluonlardan gelen jetler aynı görünüyor. Bu paylaşımları nasıl bildiğimiz, geçmişteki birçok farklı deneyi ve bunları birleştiren teoriyi içeren karmaşık bir hikaye. Buradan da en yüksek enerjili mini çarpışmaların genellikle kuarklar ile kuarklar arasında ve kuarklar ile gluonlar arasında meydana geldiğini biliyoruz. Düşük enerjili çarpışmalar genellikle gluonlar arasında meydana gelir. Kuarklar ve antikuarklar arasındaki çarpışmalar nispeten nadirdir ancak belirli fiziksel süreçler için çok önemlidir.

Proton içindeki parçacıkların dağılımı

Pirinç. 5

Dikey eksen ölçeğinde farklı olan iki grafik, protonun enerjisinin x'e eşit bir kısmını taşıyan bir gluon, yukarı veya aşağı kuark veya antikuark ile çarpışmanın göreceli olasılığını gösterir. Küçük x'te gluonlar baskındır (ve kuarklar ve antikuarklar eşit derecede olası ve sayıca artar, ancak sayıları gluonlardan daha azdır) ve orta x'te kuarklar baskındır (her ne kadar sayıca çok az olsalar da).

Her iki grafik de aynı şeyi gösteriyor, sadece farklı ölçeklerde, yani birinde görülmesi zor olan şey diğerinde daha kolay görülüyor. Gösterdikleri şey şu: Eğer Büyük Hadron Çarpıştırıcısında bir proton ışını üzerinize gelirse ve protonun içindeki bir şeye çarparsanız, bir yukarı kuark, bir aşağı kuark, bir gluon veya bir gluon ile çarpma olasılığınız nedir? yukarı antikuark mı, yoksa aşağı kuark mı, protonun enerjisinin x'e eşit bir kısmını taşıyan bir antikuark mı? Bu grafiklerden şu sonucu çıkarmak mümkündür:

Tüm eğrilerin küçük x'te (aşağıdaki grafikte görüldüğü gibi) çok hızlı büyümesi gerçeğinden, protondaki parçacıkların çoğunun %10'dan daha az transfer ettiği sonucu çıkar (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.
Sarı eğri (aşağıda) diğerlerinden çok daha yüksek olduğundan, bir protonun enerjisinin %10'undan daha azını taşıyan bir şeyle karşılaşırsanız, bunun büyük olasılıkla bir gluon olduğu sonucu çıkar; ve proton enerjisinin %2'sinin altına düştüğünde kuark veya antikuark olma olasılığı eşit olur.
X arttıkça gluon eğrisi (üstte) kuark eğrilerinin altına düştüğü için, protonun enerjisinin %20'sinden (x > 0,2) fazlasını taşıyan bir şeyle karşılaşırsanız - ki bu çok çok nadirdir - büyük olasılıkla Kuarktır ve bunun yukarı kuark olma olasılığı, aşağı kuark olma olasılığının iki katıdır. Bu, "bir protonun iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluştuğu" fikrinin bir kalıntısıdır.
X arttıkça tüm eğriler keskin bir şekilde düşer; Protonun enerjisinin %50'sinden fazlasını taşıyan bir şeyle karşılaşmanız pek olası değildir.

Bu gözlemler dolaylı olarak Şekil 2'deki grafiğe yansıtılmaktadır. 4. İşte iki grafikle ilgili açık olmayan birkaç şey daha:
Protonun enerjisinin çoğu, az sayıda yüksek enerjili kuark ile çok sayıda düşük enerjili gluon arasında (yaklaşık olarak eşit olarak) bölünmüştür.
Parçacıklar arasında sayıca düşük enerjili gluonlar çoğunluktadır, bunu çok düşük enerjili kuarklar ve antikuarklar takip eder.

Kuarkların ve antikuarkların sayısı çok büyüktür, ancak: toplam yukarı kuark sayısı eksi toplam yukarı antikuark sayısı ikidir ve toplam aşağı kuark sayısı eksi toplam aşağı antikuark sayısı birdir. Yukarıda gördüğümüz gibi fazladan kuarklar, size doğru uçan protonun enerjisinin önemli (ancak çoğunluğunu değil) bir kısmını taşır. Ve ancak bu anlamda protonun temelde iki yukarı kuarktan ve bir aşağı kuarktan oluştuğunu söyleyebiliriz.

Bu arada, tüm bu bilgiler, ayrıntılı denklemler kullanılarak bir araya getirilen büyüleyici bir deney kombinasyonundan (esas olarak elektronların veya nötrinoların protonlardan veya ağır hidrojenin atom çekirdeğinden - bir proton ve bir nötron içeren döteryumdan saçılması üzerine) elde edildi. Elektromanyetik, güçlü nükleer ve zayıf nükleer etkileşimleri tanımlar. Bu uzun hikaye 1960'ların sonu ve 1970'lerin başına kadar uzanıyor. Ve Tevatron ve LHC gibi protonların protonlarla ve protonların antiprotonlarla çarpıştığı çarpıştırıcılarda gözlemlenen olayları tahmin etmek için harika çalışıyor.

Protonun karmaşık yapısına ilişkin diğer kanıtlar

LHC'de elde edilen bazı verilere ve protonun yapısı hakkındaki iddiaları nasıl desteklediğine bakalım (her ne kadar birçok deney sayesinde protonun mevcut anlayışı 3-40 yıl öncesine dayanıyor olsa da).

Şekil 2'deki grafik. Şekil 4, Şekil 1'de gösterilene benzer bir şeyin meydana geldiği çarpışmaların gözlemlerinden elde edilmiştir. 6: bir protonun kuarkı veya antikuarkı veya gluonu başka bir protonun kuarkı veya antikuarkı veya gluonu ile çarpışır, ondan saçılır (veya daha karmaşık bir şey olur - örneğin iki gluon çarpışır ve bir kuark ve bir antikuark haline gelir), sonuçta iki parçacıkta (kuarklar, antikuarklar veya gluonlar) çarpışma noktasından uzaklaşır. Bu iki parçacık jetlere (hadron jetleri) dönüşür. Çarpma noktasını çevreleyen parçacık dedektörlerinde jetlerin enerjisi ve yönü gözlemlenir. Bu bilgi, iki orijinal kuark/gluon/antikuarkın çarpışmasında ne kadar enerji bulunduğunu anlamak için kullanılır. Daha kesin olarak, iki jetin değişmez kütlesinin c2 ile çarpımı, iki orijinal kuark/gluon/antikuarkın çarpışmasının enerjisini verir.

Pirinç. 6

Enerjiye bağlı olarak bu tip çarpışmaların sayısı Şekil 2'de gösterilmektedir. 4. Düşük enerjilerde çarpışma sayısının çok daha fazla olduğu gerçeği, protonun içindeki parçacıkların çoğunun enerjisinin yalnızca küçük bir kısmını aktardığı gerçeğiyle doğrulanır. Veriler 750 GeV enerjilerde başlar.

Pirinç. Şekil 7: Daha küçük bir veri setinden alınan daha düşük enerjilere ilişkin veriler. Dijet kütlesi - Şekil 2'deki m jj ile aynı. 4.

Şekil için veriler. 7 tanesi 2010 yılındaki CMS deneyinden alınmış olup, burada 220 GeV enerjiye kadar olan et çarpışmaları planlanmıştır. Buradaki grafik çarpışma sayısı değil, biraz daha karmaşık: GeV başına çarpışma sayısı, yani çarpışma sayısının histogram sütununun genişliğine bölümü. Aynı etkinin tüm veri aralığında çalışmaya devam ettiği görülebilir. Şekil 2'de gösterilenlere benzer çarpışmalar. 6, düşük enerjilerde yüksek enerjilere göre çok daha fazla olay meydana gelir. Ve bu sayı, jetleri ayırt etmek artık mümkün olmayana kadar artmaya devam ediyor. Bir proton çok sayıda düşük enerjili parçacık içerir ve bunların çok azı enerjisinin önemli bir kısmını taşır.

Protondaki antikuarkların varlığına ne dersiniz? Şekil 2'de gösterilen çarpışmaya benzemeyen en ilginç süreçlerden üçü. Bazen LHC'de meydana gelen (birkaç milyon proton-proton çarpışmasından birinde) aşağıdaki süreci içerir:

Kuark + antikuark -> W + , W - veya Z parçacığı.

Şekil 2'de gösterilmektedirler. 8.

Pirinç. 8

CMS'den gelen ilgili veriler Şekil 1'de verilmiştir. 9 ve 10. Şek. Şekil 9, bir elektron veya pozitron (solda) ve saptanamayan bir şey (muhtemelen bir nötrino veya antinötrino) veya bir müon ve bir antimüon (sağda) üreten çarpışma sayısının doğru şekilde tahmin edildiğini göstermektedir. Tahmin, Standart Model (bilinen temel parçacıkların davranışını tahmin eden denklemler) ile protonun yapısının birleştirilmesiyle yapılır. Verilerdeki büyük pikler W ve Z parçacıklarının ortaya çıkmasından kaynaklanmaktadır ve teori verilere mükemmel bir şekilde uymaktadır.

Pirinç. 9: siyah noktalar – veriler, sarı – tahminler. Olayların sayısı binlerle belirtiliyor. Sol: Merkezi zirve W parçacıklarındaki nötrinolardan kaynaklanıyor. Sağda çarpışmada üretilen lepton ve antilepton birleştirilmiş ve bunların geldiği parçacığın kütlesi ima ediliyor. Zirve, ortaya çıkan Z parçacıkları nedeniyle ortaya çıkar.

Şekil 2'de daha fazla ayrıntı görülebilir. Şekil 10'da teorinin, yalnızca bunların değil, aynı zamanda çoğu kuarkların antikuarklarla çarpışmalarıyla ilişkili olan birçok ilişkili ölçümün sayısı açısından da verilerle mükemmel şekilde eşleştiği gösterilmiştir. İstatistiksel dalgalanmalar nedeniyle veriler (kırmızı noktalar) ve teori (mavi çubuklar) hiçbir zaman tam olarak eşleşmez; aynı nedenden dolayı, bir parayı on kez atarsanız beş tura ve beş yazı gelmeyebilir. Bu nedenle veri noktaları dikey kırmızı şerit olan "hata çubuğu" içine yerleştirilir. Bandın boyutu öyledir ki, ölçümlerin %30'u için hata bandı teoriyle sınırda olmalıdır ve ölçümlerin yalnızca %5'i için teoriden iki bant uzakta olmalıdır. Tüm delillerin protonun çok sayıda antikuark içerdiğini doğruladığı görülmektedir. Ve protonun enerjisinin belirli bir kısmını taşıyan antikuarkların sayısını da doğru bir şekilde anlıyoruz.

Pirinç. 10

O zaman her şey biraz daha karmaşıktır. Taşıdıkları enerjiye bağlı olarak kaç tane yukarı ve aşağı kuarkımız olduğunu bile biliyoruz, çünkü %10'dan daha az bir hatayla, W- parçacıklarından ne kadar daha fazla W + parçacığı elde edeceğimizi doğru bir şekilde tahmin ediyoruz (Şekil 11).

Pirinç. on bir

Yukarı antikuarkların aşağı kuarklara oranı 1'e yakın olmalıdır, ancak özellikle yüksek enerjilerde yukarı kuarkların aşağı kuarklardan daha fazla olması gerekir. İncirde. Şekil 6'da, ortaya çıkan W + ve W - parçacıklarının oranının bize yaklaşık olarak W parçacıklarının üretiminde rol oynayan yukarı kuarklar ve aşağı kuarkların oranını vermesi gerektiğini görebiliriz. Şekil 11, W+ parçacıklarının W- parçacıklarına ölçülen oranının 2'ye 1 değil, 3'e 2 olduğunu göstermektedir. Bu aynı zamanda bir protonun iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluştuğuna dair saf fikrin çok basit olduğunu gösterir. Basitleştirilmiş 2'ye 1 oranı bulanıktır, çünkü bir proton çok sayıda kuark-antikuark çifti içerir ve bunların üst ve altları yaklaşık olarak eşittir. Bulanıklığın derecesi W parçacığının 80 GeV'lik kütlesi tarafından belirlenir. Eğer onu daha hafif yaparsanız, daha fazla bulanıklık olacaktır ve eğer daha ağırsa, daha az bulanıklık olacaktır çünkü protondaki kuark-antikuark çiftlerinin çoğu çok az enerji taşır.

Son olarak protondaki parçacıkların çoğunun gluon olduğu gerçeğini doğrulayalım.

Pirinç. 12

Bunu yapmak için üst kuarkların iki şekilde oluşturulabileceği gerçeğini kullanacağız: kuark + antikuark -> üst kuark + üst antikuark veya gluon + gluon -> üst kuark + üst antikuark (Şekil 12). Şekil 2'de gösterilen ölçümlerden taşıdıkları enerjiye bağlı olarak kuarkların ve antikuarkların sayısını biliyoruz. 9-11. Bundan yola çıkarak, yalnızca kuarkların ve antikuarkların çarpışmasından kaç tane üst kuarkın oluşacağını tahmin etmek için Standart Modelin denklemlerini kullanabiliriz. Ayrıca, önceki verilere dayanarak, bir protonda daha fazla gluon bulunduğuna inanıyoruz, dolayısıyla gluon + gluon -> üst kuark + üst antikuark sürecinin en az 5 kat daha sık meydana gelmesi gerekir. Orada gluon olup olmadığını kontrol etmek kolaydır; eğer öyle değilse, veriler teorik tahminlerin oldukça altında olmalıdır.
gluonlar Etiket ekle

Bu yazımızda kimya ve fizikte kullanılan, evrenin diğer elementleriyle birlikte temelini oluşturan temel parçacık olan proton hakkında bilgiler bulacaksınız. Protonun özellikleri, kimyadaki özellikleri ve kararlılığı belirlenecektir.

Proton nedir

Proton, baryon olarak sınıflandırılan temel parçacıkların temsilcilerinden biridir; fermiyonların güçlü bir şekilde etkileştiği ve parçacığın kendisi 3 kuarktan oluştuğu. Proton kararlı bir parçacıktır ve kişisel bir momentumu vardır; ½ spin. Protonun fiziksel tanımı P(veya P +)

Proton, termonükleer tip işlemlerde yer alan temel bir parçacıktır. Esasen evrendeki yıldızların ürettiği ana enerji kaynağı bu tür bir reaksiyondur. Güneş tarafından salınan enerjinin neredeyse tamamı, yalnızca 4 protonun bir helyum çekirdeğinde birleşmesi ve iki protondan bir nötronun oluşması nedeniyle mevcuttur.

Bir protonun doğasında bulunan özellikler

Proton baryonların temsilcilerinden biridir. Bu bir gerçek. Protonun yükü ve kütlesi sabit miktarlardır. Proton elektrik yüklü +1'dir ve kütlesi çeşitli ölçü birimleriyle belirlenir ve MeV 938.272 0813(58) cinsindendir, protonun kilogram cinsinden ağırlığı ise 1.672 621 898(21) 10 −27 kg şeklindedir, Atomik kütle birimlerinde bir protonun ağırlığı 1,007 276 466 879(91) a'dır. e.m. ve elektronun kütlesine göre protonun ağırlığı elektrona göre 1836.152 673 89 (17)'dir.

Tanımı yukarıda verilmiş olan proton, fizik açısından, izospin +½ projeksiyonuna sahip temel bir parçacıktır ve nükleer fizik bu parçacığı ters işaretle algılar. Protonun kendisi bir nükleondur ve 3 kuarktan (iki u kuark ve bir d kuark) oluşur.

Protonun yapısı, Amerika Birleşik Devletleri'nden nükleer fizikçi Robert Hofstadter tarafından deneysel olarak incelendi. Bu hedefe ulaşmak için fizikçi, protonları yüksek enerjili elektronlarla çarpıştırdı ve bu açıklamasından dolayı Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.

Proton, protonun elektrik yükünün enerjisinin yaklaşık yüzde otuz beşini içeren ve oldukça yüksek yoğunluğa sahip bir çekirdek (ağır çekirdek) içerir. Çekirdeği çevreleyen kabuk nispeten boşalmıştır. Kabuk esas olarak ve p tipi sanal mesonlardan oluşur ve protonun elektrik potansiyelinin yaklaşık yüzde ellisini taşır ve yaklaşık 0,25 * 10 13 ila 1,4 * 10 13 arasında bir mesafede bulunur. Daha da ötesi, yaklaşık 2,5 x 10 13 santimetre mesafede, kabuk sanal mezonlardan oluşur ve protonun elektrik yükünün yaklaşık olarak kalan yüzde on beşini içerir.

Proton Kararlılığı ve Kararlılığı

Serbest durumda proton herhangi bir bozunma belirtisi göstermez, bu da onun kararlılığını gösterir. Baryonların en hafif temsilcisi olan protonun kararlı durumu, baryon sayısının korunumu yasasıyla belirlenir. Protonlar, SBC yasasını ihlal etmeden nötrinolara, pozitronlara ve diğer daha hafif temel parçacıklara bozunabilir.

Atom çekirdeğinin protonu, K, L, M atom kabuklarına sahip belirli türdeki elektronları yakalama yeteneğine sahiptir. Elektron yakalamayı tamamlayan proton, bir nötrona dönüşür ve sonuç olarak bir nötrino serbest bırakır ve elektron yakalama sonucunda oluşan "delik", alttaki atom katmanlarının üstünden gelen elektronlarla doldurulur.

Eylemsiz referans çerçevelerinde, protonların hesaplanabilecek sınırlı bir ömre sahip olmaları gerekir; bunun nedeni, kuantum alan teorisinde, bir referans çerçevesinde hızlandırılan termal radyasyonun olası düşünülmesini öngören Unruh etkisinden (radyasyon) kaynaklanmaktadır. bu tür radyasyonun yokluğu. Bu nedenle, bir proton, eğer sınırlı bir ömrü varsa, bu tür bir bozunma sürecinin kendisi ZSE tarafından yasaklanmış olmasına rağmen, bir pozitron, nötron veya nötrinoya beta bozunmasına uğrayabilir.

Kimyada protonların kullanımı

Proton, tek bir protondan oluşan bir H atomudur ve elektronu yoktur, dolayısıyla kimyasal anlamda proton, H atomunun bir çekirdeğidir.Bir protonla eşleştirilmiş bir nötron, bir atomun çekirdeğini oluşturur. Dmitry Ivanovich Mendeleev'in PTCE'sinde element numarası, belirli bir elementin atomundaki proton sayısını gösterir ve element numarası atom yüküne göre belirlenir.

Hidrojen katyonları çok güçlü elektron alıcılarıdır. Kimyada protonlar esas olarak organik ve mineral asitlerden elde edilir. İyonlaşma, gaz fazında proton üretme yöntemidir.

Fizikçiler maddenin yapısını inceleyerek atomların nelerden oluştuğunu buldular, atom çekirdeğine ulaştılar ve onu protonlara ve nötronlara böldüler. Tüm bu adımlar oldukça kolay bir şekilde atıldı - sadece parçacıkları gerekli enerjiye hızlandırmanız, onları birbirlerine doğru itmeniz gerekiyordu ve sonra kendileri bileşen parçalarına ayrılıyordu.

Ancak protonlar ve nötronlar söz konusu olduğunda bu numara artık işe yaramıyordu. Bileşik parçacıklar olmalarına rağmen en şiddetli çarpışmada bile “parçalara ayrılamazlar”. Bu nedenle fizikçilerin protonun içine bakmanın, yapısını ve şeklini görmenin farklı yollarını bulmaları onlarca yıl aldı. Günümüzde protonun yapısının incelenmesi parçacık fiziğinin en aktif alanlarından biridir.

Doğa ipuçları veriyor

Proton ve nötronların yapısını incelemenin tarihi 1930'lara kadar uzanıyor. Protonlara ek olarak nötronlar da keşfedildiğinde (1932), kütlelerini ölçtükten sonra fizikçiler bunun protonun kütlesine çok yakın olduğunu gördüklerinde şaşırdılar. Üstelik protonların ve nötronların nükleer etkileşimi tamamen aynı şekilde "hissettikleri" ortaya çıktı. O kadar özdeş ki, nükleer kuvvetler açısından bakıldığında, bir proton ve bir nötron aynı parçacığın - bir nükleonun - iki tezahürü olarak düşünülebilir: bir proton elektrik yüklü bir nükleondur ve bir nötron nötr bir nükleondur. Protonları nötronlarla değiştirin ve nükleer kuvvetler (neredeyse) hiçbir şey fark etmeyecektir.

Fizikçiler doğanın bu özelliğini simetri olarak ifade ederler: Tıpkı bir kelebeğin solun sağla yer değiştirmesine göre simetrik olması gibi, nükleer etkileşim de protonların nötronlarla yer değiştirmesine göre simetriktir. Bu simetri, nükleer fizikte önemli bir rol oynamasının yanı sıra, aslında nükleonların ilginç bir iç yapıya sahip olduğunun ilk ipucuydu. Doğru, o halde 30'larda fizikçiler bu ipucunun farkına varmadılar.

Anlayış sonradan geldi. Bu, 1940-50'lerde protonların çeşitli elementlerin çekirdekleriyle çarpışma reaksiyonlarında bilim adamlarının giderek daha fazla yeni parçacık keşfettiklerine şaşırmalarıyla başladı. Protonlar değil, nötronlar değil, o zamana kadar keşfedilen ve çekirdeklerde nükleonları tutan pi-mezonlar değil, tamamen yeni bazı parçacıklar. Tüm çeşitliliklerine rağmen bu yeni parçacıkların iki ortak özelliği vardı. Birincisi, onlar da nükleonlar gibi nükleer etkileşimlere çok isteyerek katıldılar - şimdi bu tür parçacıklara hadron deniyor. İkincisi, son derece istikrarsızlardı. Bunların en kararsız olanı, nanosaniyenin trilyonda biri kadar bir sürede, atom çekirdeği büyüklüğünde uçmaya bile vakit bulamadan başka parçacıklara bozundu!

Hadron "hayvanat bahçesi" uzun bir süre tam bir karmaşa içindeydi. 1950'lerin sonunda fizikçiler zaten pek çok farklı hadron türünü öğrenmiş, bunları birbirleriyle karşılaştırmaya başlamış ve aniden özelliklerinde belirli bir genel simetri, hatta periyodiklik görmüşlerdi. Tüm hadronların (nükleonlar dahil) içinde “kuark” adı verilen bazı basit nesnelerin bulunduğu öne sürüldü. Kuarkları farklı şekillerde birleştirerek, deneyde keşfedilenlerle tamamen aynı türde ve aynı özelliklere sahip farklı hadronlar elde etmek mümkündür.

Bir protonu proton yapan nedir?

Fizikçiler hadronların kuark yapısını keşfettikten ve kuarkların birkaç farklı çeşidi olduğunu öğrendikten sonra, kuarklardan pek çok farklı parçacığın oluşturulabileceği anlaşıldı. Dolayısıyla, sonraki deneyler birbiri ardına yeni hadronlar bulmaya devam ettiğinde kimse şaşırmadı. Ancak tüm hadronlar arasında, tıpkı proton gibi yalnızca iki taneden oluşan tam bir parçacık ailesi keşfedildi. sen-kuarklar ve bir D-kuark. Protonun bir çeşit “kardeşi”. Ve burada fizikçiler bir sürprizle karşılaştılar.

Önce basit bir gözlem yapalım. Aynı "tuğlalardan" oluşan birkaç nesnemiz varsa, daha ağır nesneler daha fazla "tuğla" içerir, daha hafif olanlar ise daha az "tuğla" içerir. Bu, kombinasyon ilkesi veya üstyapı ilkesi olarak adlandırılabilecek çok doğal bir ilkedir ve hem günlük yaşamda hem de fizikte mükemmel bir şekilde çalışır. Hatta atom çekirdeğinin yapısında bile kendini gösterir - sonuçta daha ağır çekirdekler daha fazla sayıda proton ve nötrondan oluşur.

Ancak kuarklar düzeyinde bu prensip hiç işe yaramıyor ve kabul etmek gerekir ki fizikçiler bunun nedenini henüz tam olarak çözemediler. Protonun ağır kardeşlerinin de protondan bir buçuk, hatta iki kat daha ağır olmalarına rağmen protonla aynı kuarklardan oluştuğu ortaya çıktı. Protondan farklıdırlar (ve birbirlerinden farklıdırlar) kompozisyon, ve karşılıklı konum kuarklar, bu kuarkların birbirlerine göreli olma durumuna göre. Kuarkların göreceli konumunu değiştirmek yeterlidir - ve protondan gözle görülür derecede daha ağır başka bir parçacık elde edeceğiz.

Eğer yine de üçten fazla kuarkı bir arada toplayıp toplarsanız ne olur? Yeni bir ağır parçacık olacak mı? Şaşırtıcı bir şekilde işe yaramayacak - kuarklar üçe ayrılacak ve birkaç dağınık parçacığa dönüşecek. Bazı nedenlerden dolayı doğa, birçok kuarkın tek bir bütün halinde birleştirilmesini "sevmiyor"! Ancak çok yakın zamanda, kelimenin tam anlamıyla son yıllarda, bazı çoklu kuark parçacıklarının var olduğuna dair ipuçları ortaya çıkmaya başladı, ancak bu yalnızca doğanın onlardan ne kadar hoşlanmadığını vurguluyor.

Bu kombinatorikten çok önemli ve derin bir sonuç çıkıyor: hadronların kütlesi kesinlikle kuarkların kütlesinden oluşmuyor. Ancak bir hadronun kütlesi, onu oluşturan tuğlaların basitçe yeniden birleştirilmesiyle artırılabilir veya azaltılabilirse, o zaman hadronların kütlesinden sorumlu olan kuarkların kendisi değildir. Ve aslında, sonraki deneylerde kuarkların kütlesinin proton kütlesinin yalnızca yüzde ikisi kadar olduğunu ve yerçekiminin geri kalanının kuvvet alanı (özel parçacıklar - gluonlar) nedeniyle ortaya çıktığını bulmak mümkün oldu. kuarkları birbirine bağlar. Kuarkların göreceli konumunu değiştirerek, örneğin onları birbirlerinden uzaklaştırarak, gluon bulutunu değiştirip onu daha büyük hale getiriyoruz, bu yüzden hadronun kütlesi artıyor (Şekil 1).

Hızlı hareket eden bir protonun içinde neler oluyor?

Yukarıda anlatılanların hepsi durağan bir protonla ilgilidir; fizikçilerin dilinde bu, protonun dinlenme çerçevesindeki yapısıdır. Ancak deneyde protonun yapısı ilk kez başka koşullar altında keşfedildi; hızlı uçmak proton.

1960'ların sonlarında, hızlandırıcılardaki parçacık çarpışmaları üzerine yapılan deneylerde, ışık hızına yakın hızda hareket eden protonların, sanki içlerindeki enerji eşit şekilde dağılmamış gibi davrandığı, ancak tek tek kompakt nesnelerde yoğunlaşmış gibi davrandığı fark edildi. Ünlü fizikçi Richard Feynman, içindeki bu madde yığınlarına proton adını vermeyi önerdi. partonlar(İngilizceden parça - Parça).

Sonraki deneyler partonların birçok özelliğini inceledi; örneğin elektrik yükleri, sayıları ve her birinin taşıdığı proton enerjisinin oranı. Yüklü partonların kuark, nötr partonların ise gluon olduğu ortaya çıktı. Evet, protonun dinlenme çerçevesinde kuarklara basitçe "hizmet eden", onları birbirine çeken aynı gluonlar artık bağımsız partonlardır ve kuarklarla birlikte hızlı hareket eden bir protonun "maddesini" ve enerjisini taşırlar. Deneyler, enerjinin yaklaşık yarısının kuarklarda, yarısının da gluonlarda depolandığını göstermiştir.

Partonlar en uygun şekilde protonların elektronlarla çarpışmalarında incelenir. Gerçek şu ki, protondan farklı olarak elektron güçlü nükleer etkileşimlere katılmaz ve protonla çarpışması çok basit görünür: Elektron çok kısa bir süre için sanal bir foton yayar, bu foton yüklü bir partona çarpar ve sonunda bir foton üretir. çok sayıda parçacık ( Şekil 2). Elektronun, protonu "açmak" ve onu ayrı parçalara bölmek için - ancak çok kısa bir süre için - mükemmel bir neşter olduğunu söyleyebiliriz. Bu tür süreçlerin bir hızlandırıcıda ne sıklıkta meydana geldiğini bilerek, bir proton içindeki partonların sayısı ve bunların yükleri ölçülebilir.

Partonlar gerçekte kimlerdir?

Ve burada fizikçilerin temel parçacıkların yüksek enerjilerdeki çarpışmalarını incelerken yaptıkları başka bir şaşırtıcı keşfe geliyoruz.

Normal koşullar altında şu veya bu nesnenin nelerden oluştuğu sorusunun tüm referans sistemleri için evrensel bir cevabı vardır. Örneğin, bir su molekülü iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluşur; sabit veya hareketli bir moleküle bakıyor olmamızın bir önemi yoktur. Ancak bu kural o kadar doğal görünüyor ki! - ışık hızına yakın hızlarda hareket eden temel parçacıklardan bahsediyorsak ihlal edilir. Bir referans çerçevesinde, karmaşık bir parçacık, bir dizi alt parçacıktan ve başka bir referans çerçevesinde başka bir alt parçacıktan oluşabilir. Şekline dönüştü kompozisyon göreceli bir kavramdır!

Bu nasıl olabilir? Buradaki anahtar önemli bir özelliktir: Dünyamızdaki parçacıkların sayısı sabit değildir; parçacıklar doğup yok olabilirler. Örneğin, yeterince yüksek enerjiye sahip iki elektronu bir araya getirirseniz, bu iki elektrona ek olarak ya bir foton ya da bir elektron-pozitron çifti ya da başka parçacıklar doğabilir. Bütün bunlara kuantum yasaları izin verir ve gerçek deneylerde olan da tam olarak budur.

Ancak parçacıkların bu "korunmazlık yasası" işe yarıyor çarpışma durumunda parçacıklar. Aynı proton farklı bakış açılarından nasıl oluyor da farklı parçacıklardan oluşuyormuş gibi görünüyor? Mesele şu ki, bir proton sadece üç kuarktan ibaret değil. Kuarklar arasında bir gluon kuvvet alanı vardır. Genel olarak, bir kuvvet alanı (yerçekimi veya elektrik alanı gibi), uzaya nüfuz eden ve parçacıkların birbirleri üzerinde kuvvetli bir etki yaratmasına izin veren bir tür maddi "varlıktır". Kuantum teorisinde alan, özel de olsa sanal parçacıklardan da oluşur. Bu parçacıkların sayısı sabit değildir; sürekli olarak kuarklardan “tomurcuklanırlar” ve diğer kuarklar tarafından emilirler.

Dayanma Bir proton aslında aralarında gluonların sıçradığı üç kuark olarak düşünülebilir. Ancak aynı protona farklı bir çerçeveden, sanki oradan geçen bir “göreli trenin” penceresinden bakarsak, bambaşka bir tabloyla karşılaşırız. Kuarkları birbirine yapıştıran sanal gluonlar daha az sanal, "daha gerçek" parçacıklar gibi görünecek. Tabii ki hala kuarklar tarafından doğup emiliyorlar, ancak aynı zamanda bir süre kendi başlarına yaşıyorlar, gerçek parçacıklar gibi kuarkların yanında uçuyorlar. Bir referans çerçevesinde basit bir kuvvet alanı gibi görünen şey, başka bir çerçevede parçacık akışına dönüşüyor! Protonun kendisine dokunmadığımızı, ona yalnızca farklı bir referans çerçevesinden baktığımızı unutmayın.

Üstelik. "Göreceli trenimizin" hızı ışık hızına ne kadar yakınsa, protonun içinde göreceğimiz tablo da o kadar muhteşem olur. Işık hızına yaklaştıkça protonun içinde giderek daha fazla gluon bulunduğunu fark edeceğiz. Üstelik bazen kuark-antikuark çiftlerine ayrılırlar; bunlar da yakınlarda uçar ve parton olarak da kabul edilir. Sonuç olarak, ultrarelativistik bir proton, yani bize göre ışık hızına çok yakın bir hızla hareket eden bir proton, birlikte uçan ve birbirini destekliyor gibi görünen kuark, antikuark ve gluonlardan oluşan iç içe geçmiş bulutlar şeklinde ortaya çıkar (Şekil 1). .3).

Görelilik teorisine aşina olan bir okuyucu endişelenebilir. Tüm fizik, herhangi bir sürecin tüm eylemsiz referans çerçevelerinde aynı şekilde ilerlemesi ilkesine dayanmaktadır. Ama protonun bileşiminin onu gözlemlediğimiz referans çerçevesine bağlı olduğu ortaya çıktı?!

Evet, kesinlikle öyle ama bu hiçbir şekilde görelilik ilkesini ihlal etmiyor. Protonun bileşimi referans çerçevesine bağlı olmasına rağmen, fiziksel süreçlerin sonuçları (örneğin, bir çarpışma sonucunda hangi parçacıkların ve kaç tanesinin üretildiği) değişmezdir.

İlk bakışta alışılmadık ama tüm fizik yasalarını karşılayan bu durum, Şekil 4'te şematik olarak gösterilmektedir. Yüksek enerjili iki protonun çarpışmasının farklı referans çerçevelerinde nasıl göründüğünü gösterir: bir protonun dinlenme çerçevesinde, Kütle merkezi çerçevesi, başka bir protonun geri kalan çerçevesinde. Protonlar arasındaki etkileşim, gluonların bölünmesiyle gerçekleştirilir, ancak yalnızca bir durumda bu basamak bir protonun "içerisi" olarak kabul edilir, başka bir durumda başka bir protonun parçası olarak kabul edilir ve üçüncü durumda sadece bir miktardır. iki proton arasında değiş tokuş edilen nesne. Bu kademe var, gerçek ama sürecin hangi kısmına atfedilmesi gerektiği referans çerçevesine bağlı.

Bir protonun 3 boyutlu portresi

Az önce bahsettiğimiz tüm sonuçlar, çok uzun zaman önce, geçen yüzyılın 60-70'lerinde gerçekleştirilen deneylere dayanıyordu. Görünüşe göre o zamandan beri her şeyin incelenmesi ve tüm soruların cevaplarını bulması gerekiyordu. Ama hayır; protonun yapısı hâlâ parçacık fiziğinin en ilginç konularından biri olmaya devam ediyor. Üstelik fizikçiler, hızlı hareket eden bir protonun "üç boyutlu" portresinin nasıl elde edileceğini buldukları için, son yıllarda buna olan ilgi yeniden arttı; bunun, sabit bir proton portresinden çok daha zor olduğu ortaya çıktı.

Proton çarpışmaları üzerine yapılan klasik deneyler yalnızca partonların sayısı ve bunların enerji dağılımı hakkında bilgi verir. Bu tür deneylere partonlar bağımsız nesneler olarak katılırlar; bu da onlardan partonların birbirlerine göre nasıl konumlandıklarını veya bir protona tam olarak nasıl eklendiklerini bulmanın imkansız olduğu anlamına gelir. Uzun zamandır hızlı hareket eden bir protonun yalnızca “tek boyutlu” bir portresinin fizikçilerin elinde bulunduğunu söyleyebiliriz.

Bir protonun gerçek, üç boyutlu bir portresini oluşturmak ve partonların uzaydaki dağılımını bulmak için, 40 yıl önce mümkün olanlardan çok daha incelikli deneylere ihtiyaç var. Fizikçiler bu tür deneyleri yapmayı oldukça yakın zamanda, kelimenin tam anlamıyla son on yılda öğrendiler. Bir elektronun bir protonla çarpışması sırasında meydana gelen çok sayıda farklı reaksiyon arasında özel bir reaksiyonun olduğunu fark ettiler: derin sanal Compton saçılması, - bu bize protonun üç boyutlu yapısı hakkında bilgi verebilir.

Genel olarak Compton saçılması veya Compton etkisi, bir fotonun bir parçacıkla, örneğin bir protonla elastik çarpışmasıdır. Şuna benzer: Bir foton gelir, bir proton tarafından emilir, proton kısa bir süre için uyarılmış duruma geçer ve ardından orijinal durumuna dönerek bir yönde bir foton yayar.

Sıradan ışık fotonlarının Compton saçılımı ilginç bir şeye yol açmaz; bu sadece ışığın bir protondan yansımasıdır. Protonun iç yapısının "işe girmesi" ve kuarkların dağılımının "hissedilmesi" için, çok yüksek enerjiye sahip fotonların (normal ışıktan milyarlarca kat daha fazla) kullanılması gerekir. Ve bu tür fotonlar - sanal olsalar da - gelen bir elektron tarafından kolayca üretilir. Şimdi birini diğeriyle birleştirirsek derin sanal Compton saçılımı elde ederiz (Şekil 5).

Bu reaksiyonun temel özelliği protonu yok etmemesidir. Gelen foton sadece protona çarpmakla kalmıyor, sanki onu dikkatle hissediyor ve sonra uçup gidiyor. Uçup gittiği yön ve protonun ondan aldığı enerjinin ne kadarı protonun yapısına, içindeki partonların göreceli düzenine bağlıdır. Bu nedenle, bu süreci inceleyerek protonun üç boyutlu görünümünü sanki "heykelini şekillendiriyormuş" gibi eski haline getirmek mümkündür.

Doğru, deneysel bir fizikçinin bunu yapması çok zordur. Gerekli işlem oldukça nadir gerçekleşir ve kaydedilmesi zordur. Bu reaksiyona ilişkin ilk deneysel veriler yalnızca 2001 yılında Hamburg'daki Alman hızlandırıcı kompleksi DESY'deki HERA hızlandırıcısında elde edildi; şu anda deneyciler tarafından yeni bir veri dizisi işleniyor. Ancak bugün, ilk verilere dayanarak teorisyenler protondaki kuarkların ve gluonların üç boyutlu dağılımlarını çiziyorlar. Fizikçilerin daha önce sadece varsayımlarda bulunduğu fiziksel bir miktar, sonunda deneyden "ortaya çıkmaya" başladı.

Bu alanda bizi bekleyen beklenmedik keşifler var mı? Muhtemelen evet. Örneklendirmek gerekirse, Kasım 2008'de, hızlı hareket eden bir protonun düz bir disk gibi değil, çift içbükey bir merceğe benzemesi gerektiğini belirten ilginç bir teorik makalenin ortaya çıktığını varsayalım. Bunun nedeni, protonun merkez bölgesinde oturan partonların, kenarlarda oturan partonlara göre uzunlamasına yönde daha güçlü bir şekilde sıkıştırılmasıdır. Bu teorik tahminleri deneysel olarak test etmek çok ilginç olurdu!

Bütün bunlar fizikçiler için neden ilginç?

Fizikçilerin maddenin proton ve nötronların içinde nasıl dağıldığını tam olarak bilmeye neden ihtiyacı var?

Öncelikle fiziğin gelişiminin mantığı bunu gerektiriyor. Dünyada modern teorik fiziğin henüz tam olarak başa çıkamadığı pek çok şaşırtıcı derecede karmaşık sistem var. Hadronlar böyle bir sistemdir. Hadronların yapısını anlayarak, teorik fiziğin evrensel olabilecek ve belki de tamamen farklı bir konuda, örneğin süper iletkenlerin veya alışılmadık özelliklere sahip diğer malzemelerin incelenmesinde yardımcı olabilecek yeteneklerini geliştiriyoruz.

İkincisi, nükleer fiziğe doğrudan faydası var. Atom çekirdeği üzerine yapılan çalışmaların neredeyse yüzyıllık geçmişine rağmen, teorisyenler protonlar ve nötronlar arasındaki etkileşimin kesin yasasını hala bilmiyorlar.

Bu yasayı kısmen deneysel verilere dayanarak tahmin etmeleri, kısmen de nükleonların yapısı hakkındaki bilgilere dayanarak oluşturmaları gerekiyor. Nükleonların üç boyutlu yapısına ilişkin yeni verilerin yardımcı olacağı yer burasıdır.

Üçüncüsü, birkaç yıl önce fizikçiler maddenin en az yeni bir toplu halini - kuark-gluon plazmasını - elde etmeyi başardılar. Bu durumda kuarklar tek tek protonların ve nötronların içinde yer almazlar, nükleer madde yığınının tamamında serbestçe dolaşırlar. Bu, örneğin şu şekilde başarılabilir: Ağır çekirdekler bir hızlandırıcıda ışık hızına çok yakın bir hıza kadar hızlandırılır ve ardından kafa kafaya çarpışır. Bu çarpışmada çok kısa bir süre için trilyonlarca derecelik sıcaklıklar ortaya çıkıyor ve bu da çekirdeklerin kuark-gluon plazmasına dönüşmesini sağlıyor. Dolayısıyla, bu nükleer erimenin teorik hesaplamalarının, nükleonların üç boyutlu yapısı hakkında iyi bir bilgi gerektirdiği ortaya çıktı.

Son olarak bu veriler astrofizik için çok gereklidir. Ağır yıldızlar yaşamlarının sonunda patladığında, genellikle arkalarında son derece kompakt nesneler (nötron ve muhtemelen kuark yıldızları) bırakırlar. Bu yıldızların çekirdeği tamamen nötronlardan ve hatta belki de soğuk kuark-gluon plazmasından oluşuyor. Bu tür yıldızlar uzun zamandır keşfedildi, ancak içlerinde neler olup bittiğini yalnızca tahmin etmek mümkün. Yani kuark dağılımlarının iyi anlaşılması astrofizikte ilerlemeye yol açabilir.