Proton komponenti 5 harfli krossvord. Proton elementar zarradir. Proton ichida zarrachalarning tarqalishi
- Tarjima
Guruch. 1: vodorod atomi. O'lchov uchun emas.
Bilasizmi, Katta adron kollayderi asosan protonlarni bir-biriga uradi. Ammo proton nima?
Avvalo, bu dahshatli va to'liq tartibsizlik. Vodorod atomi qanchalik xunuk va tartibsiz bo'lsa, shunchalik sodda va nafis.
Ammo vodorod atomi nima?
Bu fiziklar "bog'langan holat" deb ataydigan eng oddiy misoldir. "Davlat" mohiyatan ancha vaqtdan beri mavjud bo'lgan narsani anglatadi va "bog'langan" uning tarkibiy qismlari, nikohdagi turmush o'rtoqlar kabi bir-biriga bog'langanligini anglatadi. Aslida, bir turmush o'rtog'i boshqasidan ancha og'irroq bo'lgan er-xotinning misoli bu erda juda mos keladi. Proton markazda o'tiradi, zo'rg'a harakat qiladi va ob'ektning chetlarida siz va mendan tezroq, lekin yorug'lik tezligidan, universal tezlik chegarasidan ancha sekinroq harakatlanadigan elektron bor. Nikoh idillasining tinch qiyofasi.
Yoki biz protonning o'ziga qaramagunimizcha shunday tuyuladi. Protonning ichki qismi ko'proq kommunaga o'xshaydi, bu erda ko'plab yolg'iz kattalar va bolalar zich joylashgan: sof tartibsizlik. Bu ham bog'langan holat, lekin u vodoroddagi kabi protonni elektron bilan yoki oltin kabi murakkabroq atomlarda bo'lgani kabi kamida o'nlab elektronlarni atom yadrosi bilan bog'lamaydi - lekin son-sanoqsiz son ( ya'ni ular juda ko'p va ular juda tez o'zgarib, amalda sanab o'tmaydi) kvarklar, antikvarklar va glyuonlar deb ataladigan engil zarralar. Protonning tuzilishini shunchaki tasvirlab berish, oddiy rasmlarni chizish mumkin emas - u nihoyatda tartibsiz. Barcha kvarklar, glyuonlar, antikvarklar maksimal tezlikda, deyarli yorug'lik tezligida ichkariga yugurishadi.
Guruch. 2: Proton tasviri. Tasavvur qiling-a, barcha kvarklar (yuqoriga, pastga, g'alati - u,d,s), antikvarklar (u,d,s tire bilan) va glyuonlar (g) deyarli yorug'lik tezligida oldinga va orqaga yuguradi, har biri bilan to'qnashadi. boshqa, paydo bo'ladi va yo'qoladi
Proton uchta kvarkdan iborat ekanligini eshitgan bo'lishingiz mumkin. Ammo bu yolg'on - katta foyda uchun, lekin baribir juda katta. Aslida protonda son-sanoqsiz glyuonlar, antikvarklar va kvarklar mavjud. Standart qisqartma "proton ikkita yuqori kvarkdan va bitta pastga kvarkdan iborat" degan oddiy qisqartma protonda yuqori kvarklardan ikkita yuqori kvark va pastga kvarklardan bitta ko'proq pastga kvark borligini aytadi. Ushbu qisqarish haqiqat bo'lishi uchun unga "va son-sanoqsiz glyuonlar va kvark-antikvark juftlarini" qo'shish kerak. Ushbu iborasiz proton g'oyasi shunchalik soddalashtiriladiki, LHC ishini tushunish mutlaqo mumkin bo'lmaydi.
Guruch. 3: Kichkina oq yolg'on Vikipediyadagi stereotip tasvirida
Umuman olganda, protonlar bilan solishtirganda atomlar mast o'smirlar sakrab, DJga qo'l silkitadigan diskoteka bilan solishtirganda, ishlab chiqilgan baletdagi pas de deuxga o'xshaydi.
Shuning uchun agar siz nazariyotchi bo'lsangiz, LHC protonlar to'qnashuvida nimani ko'rishini tushunishga harakat qilsangiz, sizga qiyin bo'ladi. Oddiy tarzda tasvirlab bo'lmaydigan ob'ektlar o'rtasidagi to'qnashuv natijalarini oldindan aytish juda qiyin. Ammo xayriyatki, 1970-yillardan boshlab, Byorkenning 60-yillardagi g'oyalariga asoslanib, nazariy fiziklar nisbatan sodda va ishlaydigan texnologiyani topdilar. Ammo u hali ham ma'lum chegaralargacha ishlaydi, aniqlik taxminan 10% ni tashkil qiladi. Shu va boshqa sabablarga ko'ra, LHCda hisob-kitoblarimizning ishonchliligi har doim cheklangan.
Protonning yana bir jihati shundaki, u kichkina. Haqiqatan ham kichkina. Agar siz vodorod atomini yotoqxonangiz o'lchamiga qadar portlatib yuborsangiz, proton shunchalik kichik bo'lib, uni sezish juda qiyin bo'ladi. Aynan proton juda kichik bo'lgani uchun biz uning ichida sodir bo'layotgan xaosni e'tiborsiz qoldirib, vodorod atomini oddiy deb ta'riflashimiz mumkin. Aniqrog'i, protonning o'lchami vodorod atomi hajmidan 100 000 marta kichikdir.
Taqqoslash uchun, Quyoshning o'lchami Quyosh tizimi hajmidan (Neptun orbitasi bilan o'lchanadi) atigi 3000 marta kichikdir. To'g'ri - atom quyosh tizimidan ko'ra bo'shroq! Kechasi osmonga qaraganingizda buni eslang.
Ammo siz shunday deb so'rashingiz mumkin: “Bir soniya kuting! Katta adron kollayderi qandaydir tarzda atomdan 100 000 marta kichik protonlar bilan to'qnashadi, deyapsizmi? Qanday qilib bu mumkin?
Ajoyib savol.
Proton to'qnashuvi kvark, glyuon va antikvarklarning mini to'qnashuviga qarshi
LHCda protonlarning to'qnashuvi ma'lum bir energiya bilan sodir bo'ladi. 2011 yilda 7 TeV = 7000 GeV, 2012 yilda 8 TeV = 8000 GeV bo'lgan. Ammo zarrachalar fiziklarini asosan bir protonning kvarki bilan boshqa protonning antikvarki to'qnashuvi yoki ikkita glyuonning to'qnashuvi va hokazolar qiziqtiradi. - haqiqatan ham yangi jismoniy hodisaning paydo bo'lishiga olib kelishi mumkin bo'lgan narsa. Ushbu mini-to'qnashuvlar umumiy proton to'qnashuvi energiyasining kichik bir qismini olib yuradi. Bu energiyaning qancha qismini ular o'tkazishi mumkin va nima uchun to'qnashuv energiyasini 7 TeV dan 8 TeV ga oshirish kerak edi?Javob rasmda. 4. Grafikda ATLAS detektori tomonidan aniqlangan to'qnashuvlar soni ko'rsatilgan. 2011 yil yozidagi ma'lumotlar boshqa kvarklar, antikvarklar va glyuonlardan kvarklar, antikvarklar va glyuonlarning tarqalishini o'z ichiga oladi. Bunday mini-to'qnashuvlar ko'pincha ikkita reaktiv ishlab chiqaradi (adronlar oqimi, yuqori energiyali kvarklarning namoyon bo'lishi, glyuonlar yoki ota-ona protonlaridan chiqib ketgan antikvarklar). Jetlarning energiyalari va yo'nalishlari o'lchanadi va bu ma'lumotlardan mini-to'qnashuvda ishtirok etishi kerak bo'lgan energiya miqdori aniqlanadi. Grafik energiya funktsiyasi sifatida ushbu turdagi mini-to'qnashuvlar sonini ko'rsatadi. Vertikal o'q logarifmik - har bir chiziq miqdorning 10 baravar ko'payishini bildiradi (10 n 1 va undan keyin n nolni bildiradi). Misol uchun, 1550 dan 1650 GeV gacha bo'lgan energiya oralig'ida kuzatilgan mini-to'qnashuvlar soni taxminan 10 3 = 1000 (ko'k chiziqlar bilan belgilangan) edi. E'tibor bering, grafik 750 GeV dan boshlanadi, lekin siz pastroq energiya oqimlarini o'rganganingizda, mini-to'qnashuvlar soni ko'payib boradi, bu esa oqimlarni aniqlash uchun juda zaif bo'lib qoladi.
Guruch. 4: energiya funktsiyasi sifatida to'qnashuvlar soni (m jj)
7 TeV = 7000 GeV energiyaga ega bo'lgan proton-proton to'qnashuvlarining umumiy soni 100 000 000 000 000 ga yaqinlashganini e'tiborga oling.Va bu to'qnashuvlardan faqat ikkita mini to'qnashuv 3500 GeV dan oshdi - bu proton to'qnashuvining yarmi energiyasi. Nazariy jihatdan, mini-to'qnashuvning energiyasi 7000 GeV gacha ko'tarilishi mumkin, ammo buning ehtimoli doimo pasayib bormoqda. Biz 6000 GeV mini-to'qnashuvlarni juda kamdan-kam ko'ramizki, hatto 100 baravar ko'proq ma'lumot to'plaganimizda ham 7000 GeVni ko'rishimiz dargumon.
To'qnashuv energiyasini 2010-2011 yillarda 7 TeV dan 2012 yilda 8 TeV ga oshirishning afzalliklari nimada? Shubhasiz, siz E energiya darajasida nima qila olgan bo'lsangiz, endi siz 8/7 E ≈ 1,14 E energiya darajasida qilishingiz mumkin. Shunday qilib, agar siz ilgari ma'lum bir turdagi gipotetik zarracha belgilarini ko'rishga umid qilsangiz. massasi 1000 GeV/c 2 bo'lsa, endi biz bir xil ma'lumotlar to'plami bilan kamida 1100 GeV/c 2 ga erishishga umid qilishimiz mumkin. Mashinaning imkoniyatlari ortib bormoqda - siz biroz kattaroq massa zarralarini qidirishingiz mumkin. Va agar siz 2012 yilda 2011 yilga qaraganda uch barobar ko'proq ma'lumot to'plasangiz, siz har bir energiya darajasi uchun ko'proq to'qnashuvlarga ega bo'lasiz va siz, masalan, 1200 GeV/s 2 massali faraziy zarrachaning imzosini ko'rishingiz mumkin bo'ladi.
Lekin bu hammasi emas. Rasmdagi ko'k va yashil chiziqlarga qarang. 4: ular 1400 va 1600 GeV darajali energiyalarda sodir bo'lishini ko'rsatadi - ular bir-biri bilan 7 dan 8 gacha korrelyatsiya qiladi. 7 TeV proton to'qnashuvi energiya darajasida kvarklarning kvarklar bilan mini to'qnashuvlari soni , glyuonli kvarklar va boshqalar P. 1400 GeV energiya bilan 1600 GeV energiya bilan to'qnashuvlar sonidan ikki baravar ko'p. Ammo mashina energiyani 8/7 ga oshirganda, 1400 uchun ishlagan narsa 1600 uchun ishlay boshlaydi. Boshqacha qilib aytganda, agar siz qattiq energiyaning mini-to'qnashuvi bilan qiziqsangiz, ularning soni ortadi - va 14% dan ko'proq o'sish. proton to'qnashuvi energiyasida! Bu shuni anglatadiki, afzal energiyaga ega bo'lgan har qanday jarayon uchun, aytaylik, 100-200 GeV gacha bo'lgan energiyalarda sodir bo'ladigan engil Higgs zarralari paydo bo'lsa, xuddi shu pul uchun ko'proq natijalarga erishasiz. 7 dan 8 TeV ga o'tish proton to'qnashuvlarining bir xil soni uchun siz ko'proq Xiggs zarralarini olishingizni anglatadi. Higgs zarralarini ishlab chiqarish taxminan 1,5 ga oshadi. Yuqori kvarklar va gipotetik zarralarning ayrim turlari soni biroz ko'proq oshadi.
Bu shuni anglatadiki, 2012 yilda protonlar to'qnashuvi soni 2011 yilga nisbatan 3 baravar ko'p bo'lsa-da, ishlab chiqarilgan Xiggs zarralarining umumiy soni shunchaki energiyaning ko'payishi hisobiga deyarli 4 barobar ortadi.
Aytgancha, rasm. 4-rasm, shuningdek, rasmda ko'rsatilganidek, protonlar ikkita yuqoriga va bitta pastga kvarkdan iborat emasligini isbotlaydi. 3. Agar ular bo'lganida, u holda kvarklar proton energiyasining taxminan uchdan bir qismini o'tkazishi kerak bo'lar edi va ko'pchilik mini-to'qnashuvlar proton to'qnashuv energiyasining taxminan uchdan biriga teng energiyada sodir bo'ladi: taxminan 2300 GeV. Ammo grafik 2300 GeV mintaqasida hech qanday maxsus narsa sodir bo'lmasligini ko'rsatadi. 2300 GeV dan past bo'lgan energiyalarda ko'proq to'qnashuvlar bo'ladi va qanchalik past bo'lsa, shuncha ko'p to'qnashuvlarni ko'rasiz. Buning sababi shundaki, protonda juda ko'p sonli glyuonlar, kvarklar va antikvarklar mavjud bo'lib, ularning har biri proton energiyasining ozgina qismini o'tkazadi, ammo ularning soni shunchalik ko'pki, ular juda ko'p miqdordagi mini-to'qnashuvlarda ishtirok etadilar. Protonning bu xususiyati rasmda ko'rsatilgan. 2 - aslida kam energiyali glyuonlar va kvark-antiquark juftlarining soni rasmda ko'rsatilganidan ancha ko'p bo'lsa-da.
Grafikda ko'rsatilmagan narsa shundaki, ma'lum energiyaga ega bo'lgan mini-to'qnashuvlarda kvarklarning kvarklar bilan, kvarklar bilan glyuonlar, glyuonlar bilan glyuonlar, antikvarklar bilan to'qnashuvlarda va hokazo. Aslida, buni LHCda o'tkazilgan tajribalardan to'g'ridan-to'g'ri aytish mumkin emas - kvarklar, antikvarklar va glyuonlarning reaktivlari bir xil ko'rinadi. Biz bu aktsiyalarni qanday bilamiz - bu juda ko'p turli xil o'tmishdagi tajribalar va ularni birlashtiruvchi nazariyani o'z ichiga olgan murakkab hikoya. Va bundan biz bilamizki, eng yuqori energiyali mini-to'qnashuvlar odatda kvarklar va kvarklar o'rtasida va kvarklar va glyonlar o'rtasida sodir bo'ladi. Kam energiyali to'qnashuvlar odatda glyuonlar o'rtasida sodir bo'ladi. Kvarklar va antikvarklar o'rtasidagi to'qnashuvlar nisbatan kam uchraydi, lekin ular muayyan jismoniy jarayonlar uchun juda muhimdir.
Proton ichida zarrachalarning tarqalishi
Guruch. 5
Vertikal o'qning masshtabida farq qiluvchi ikkita grafik proton energiyasining x ga teng qismini olib yuruvchi glyuon, yuqoriga yoki pastga kvark yoki antikvark bilan to'qnashuvning nisbiy ehtimolini ko'rsatadi. Kichik x da glyuonlar hukmronlik qiladi (va kvarklar va antikvarklar teng darajada ehtimoliy va ko'p bo'ladi, garchi ular hali ham glyuonlarga qaraganda kamroq bo'lsa ham) va o'rta x da kvarklar hukmronlik qiladi (garchi ular soni juda oz bo'lsa ham).
Ikkala grafik ham bir xil narsani ko'rsatadi, faqat boshqa miqyosda, shuning uchun ulardan birida ko'rish qiyin bo'lgan narsani boshqasida ko'rish osonroq. Ular shuni ko'rsatadiki, agar proton nurlari Katta adron kollayderida sizga tushsa va siz proton ichidagi biror narsaga urilsa, siz yuqoriga ko'tarilgan kvark yoki pastga kvark, glyon yoki yuqori antikvarkmi yoki pastga kvarkmi, proton energiyasining x ga teng qismini olib yuradigan antikvarkmi? Ushbu grafiklardan xulosa qilish mumkin:
Barcha egri chiziqlar kichik x da (pastki grafikda ko'rsatilgan) juda tez o'sib borishidan kelib chiqadiki, protondagi zarralarning aksariyati 10% dan kamroq (x) o'tadi.< 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.
Sariq egri chiziq (pastda) boshqalarga qaraganda ancha yuqori bo'lgani uchun, agar siz proton energiyasining 10% dan kamrog'ini olib yuradigan narsaga duch kelsangiz, bu glyuon bo'lishi mumkin; va proton energiyasining 2% dan pastga tushsa, u bir xil darajada kvarklar yoki antikvarklar bo'lishi mumkin.
Glyuon egri chizig'i (yuqori) x ortishi bilan kvark egri chizig'idan pastga tushib ketganligi sababli, agar siz proton energiyasining 20% dan (x > 0,2) ko'prog'ini tashuvchi biror narsaga duch kelsangiz, bu juda kamdan-kam hollarda bo'ladi. kvark va uning yuqori kvark bo'lish ehtimoli uning pastga kvark bo'lish ehtimolidan ikki baravar ko'p. Bu "proton ikkita yuqori kvark va bitta pastga kvark" degan g'oyaning qoldig'idir.
Barcha egri chiziqlar x ortishi bilan keskin pasayadi; Proton energiyasining 50% dan ko'prog'ini o'z ichiga olgan biror narsaga duch kelishingiz dargumon.
Ushbu kuzatishlar bilvosita shakldagi grafikda aks ettirilgan. 4. Ikki grafik haqida yana bir nechta noaniq narsalar:
Proton energiyasining katta qismi (taxminan teng) oz sonli yuqori energiyali kvarklar va juda ko'p sonli kam energiyali glyuonlar o'rtasida bo'linadi.
Zarrachalar orasida kam energiyali glyuonlar, keyin esa juda kam energiyali kvarklar va antikvarklar ustunlik qiladi.
Kvarklar va antikvarklar soni juda katta, lekin: yuqori kvarklarning umumiy soni minus yuqori antikvarklarning umumiy soni ikkitaga, pastga kvarklarning umumiy soni minus pastga antikvarklarning umumiy soni bittaga teng. Yuqorida ko'rganimizdek, qo'shimcha kvarklar sizga qarab uchayotgan proton energiyasining muhim qismini (lekin ko'p qismini emas) olib yuradi. Va faqat shu ma'noda proton asosan ikkita yuqori kvark va bitta pastga kvarkdan iborat deb aytishimiz mumkin.
Aytgancha, bu ma'lumotlarning barchasi eksperimentlarning ajoyib kombinatsiyasidan (asosan elektronlar yoki neytrinolarning protonlardan yoki og'ir vodorodning atom yadrolaridan - bitta proton va bitta neytronni o'z ichiga olgan deyteriydan) batafsil tenglamalar yordamida birlashtirilgan holda olingan. elektromagnit, kuchli yadro va kuchsiz yadroviy o'zaro ta'sirlarni tavsiflash. Bu uzoq hikoya 1960-yillarning oxiri va 1970-yillarning boshlariga borib taqaladi. Va protonlar protonlar bilan va protonlar antiprotonlar bilan, masalan, Tevatron va LHC bilan to'qnashadigan kollayderlarda kuzatiladigan hodisalarni bashorat qilish uchun juda yaxshi ishlaydi.
Protonning murakkab tuzilishining boshqa dalillari
Keling, LHCda olingan ba'zi ma'lumotlarni va u protonning tuzilishi haqidagi da'volarni qanday qo'llab-quvvatlashini ko'rib chiqaylik (garchi protonning hozirgi tushunchasi ko'plab tajribalar tufayli 3-4 o'n yilliklarga borib taqalsa ham).Shakldagi grafik. 4 to'qnashuv kuzatuvlari natijasida olingan bo'lib, bunda 1-rasmda ko'rsatilganiga o'xshash narsa sodir bo'ladi. 6: bir protonning kvarkı yoki antikvarki yoki glyuoni boshqa protonning kvarki yoki antikvarki yoki glyuni bilan to'qnashadi, undan tarqaladi (yoki undan murakkabroq narsa sodir bo'ladi - masalan, ikkita glyuon to'qnashib, kvark va antikvarkka aylanadi), natijada ikkita zarrachada (kvarklar, antikvarklar yoki glyuonlar) to'qnashuv nuqtasidan uchib ketadi. Bu ikki zarra jetlarga (adron jetlariga) aylanadi. Jetlarning energiyasi va yo'nalishi zarba nuqtasini o'rab turgan zarracha detektorlarida kuzatiladi. Ushbu ma'lumot ikkita asl kvark/glyuon/antikvarkning to'qnashuvida qancha energiya borligini tushunish uchun ishlatiladi. Aniqroq qilib aytadigan bo'lsak, ikkita reaktivning o'zgarmas massasi c 2 ga ko'paytirilib, ikkita asl kvark/glyuon/antikvarkning to'qnashuvi energiyasini beradi.
Guruch. 6
Energiyaga qarab ushbu turdagi to'qnashuvlar soni rasmda ko'rsatilgan. 4. Kam energiyalarda to‘qnashuvlar soni ancha ko‘p bo‘lishi proton ichidagi zarrachalarning ko‘pchiligi uning energiyasining faqat kichik qismini o‘tkazishi bilan tasdiqlanadi. Ma'lumotlar 750 GeV energiyada boshlanadi.
Guruch. 7: Kichikroq ma'lumotlar to'plamidan olingan past energiya uchun ma'lumotlar. Dijet massasi - rasmdagi m jj bilan bir xil. 4.
Shakl uchun ma'lumotlar. 7 ta 2010 yildagi CMS tajribasidan olingan bo'lib, ularda 220 GeV energiyagacha bo'lgan tana to'qnashuvi chizilgan. Bu erdagi grafik to'qnashuvlar soni emas, balki biroz murakkabroq: GeV bo'yicha to'qnashuvlar soni, ya'ni gistogramma ustunining kengligiga bo'lingan to'qnashuvlar soni. Ko'rinib turibdiki, xuddi shu effekt butun ma'lumotlar oralig'ida ishlashda davom etmoqda. Rasmda ko'rsatilgan kabi to'qnashuvlar. 6, yuqori energiyaga qaraganda past energiyada ko'proq sodir bo'ladi. Va bu raqam samolyotlarni farqlashning iloji bo'lmaguncha o'sishda davom etadi. Proton juda ko'p kam energiyali zarralarni o'z ichiga oladi va ularning bir nechtasi energiyaning muhim qismini o'z ichiga oladi.
Protonda antikvarklar mavjudligi haqida nima deyish mumkin? Shaklda tasvirlangan to'qnashuvga o'xshamaydigan eng qiziqarli uchta jarayon. 6, ba'zan LHCda (bir necha million proton-proton to'qnashuvlaridan birida) sodir bo'ladigan jarayonni o'z ichiga oladi:
Kvark + antikvark -> W +, W - yoki Z zarrasi.
Ular rasmda ko'rsatilgan. 8.
Guruch. 8
CMS dan tegishli ma'lumotlar rasmda keltirilgan. 9 va 10. rasm. 9-rasmda elektron yoki pozitron (chapda) va aniqlanmaydigan narsa (ehtimol neytrino yoki antineytrino) yoki muon va antimyuon (o'ngda) hosil qiluvchi to'qnashuvlar soni to'g'ri prognoz qilinganligini ko'rsatadi. Bashorat standart model (ma'lum elementar zarrachalarning harakatini bashorat qiluvchi tenglamalar) va protonning tuzilishini birlashtirish orqali amalga oshiriladi. Ma'lumotlardagi katta cho'qqilar W va Z zarrachalarining paydo bo'lishi bilan bog'liq.Nazariya ma'lumotlarga to'liq mos keladi.
Guruch. 9: qora nuqta - ma'lumotlar, sariq - bashorat. Voqealar soni minglab ko'rsatilgan. Chapda: Markaziy cho'qqi W zarrachalaridagi neytrinolar hisobiga to'g'ri keladi.O'ngda to'qnashuvda hosil bo'lgan lepton va antilepton birlashtirilgan va ular kelgan zarrachaning massasi nazarda tutilgan. Pik hosil bo'lgan Z zarralari tufayli paydo bo'ladi.
Batafsilroq ma'lumotlarni rasmda ko'rish mumkin. 10, bu erda nazariya nafaqat bularning, balki ko'plab bog'liq o'lchovlarning soni bo'yicha - ularning aksariyati kvarklarning antikvarklar bilan to'qnashuvi bilan bog'liq - ma'lumotlarga to'liq mos kelishi ko'rsatilgan. Ma'lumotlar (qizil nuqta) va nazariya (ko'k chiziqlar) statistik tebranishlar tufayli hech qachon to'liq mos kelmaydi, xuddi shu sababga ko'ra, agar siz tangani o'n marta aylantirsangiz, beshta bosh va besh dumga ega bo'lishingiz shart emas. Shuning uchun ma'lumotlar nuqtalari "xato satri" ga, vertikal qizil chiziqqa joylashtiriladi. Bandning o'lchami shundayki, o'lchovlarning 30% uchun xatolik diapazoni nazariya bilan chegaralanishi kerak va faqat 5% o'lchovlar uchun u nazariyadan ikki diapazon uzoqda bo'lishi kerak. Ko'rinib turibdiki, barcha dalillar protonda ko'plab antikvarklar mavjudligini tasdiqlaydi. Va biz proton energiyasining ma'lum bir qismini olib yuradigan antikvarklar sonini to'g'ri tushunamiz.
Guruch. 10
Keyin hamma narsa biroz murakkabroq. Hatto bizda qancha yuqoriga va pastga kvarklar borligini ular olib yuradigan energiyaga qarab bilamiz, chunki biz to'g'ri bashorat qilamiz - 10% dan kam xato bilan - W - zarralardan qancha ko'p W + zarrachalar olamiz (11-rasm).
Guruch. o'n bir
Yuqori antikvarklarning pastga kvarklarga nisbati 1 ga yaqin bo'lishi kerak, lekin yuqoridagi kvarklar pastga kvarklarga qaraganda ko'proq bo'lishi kerak, ayniqsa yuqori energiyalarda. Shaklda. 6 dan ko'rishimiz mumkinki, hosil bo'lgan W + va W - zarrachalarning nisbati bizga W zarrachalarini ishlab chiqarishda ishtirok etadigan yuqori va pastga kvarklarning nisbatini taxminan berishi kerak. 11-rasmda W + ning W - zarrachalarining o'lchangan nisbati 2 dan 1 gacha emas, 3 dan 2 gacha ekanligini ko'rsatadi. Bu shuningdek, protonning ikkita yuqoriga va bitta pastga kvarkdan iboratligi haqidagi sodda fikr juda sodda ekanligini ko'rsatadi. Soddalashtirilgan 2 dan 1 gacha bo'lgan nisbat xiralashgan, chunki proton ko'plab kvark-antikvark juftlarini o'z ichiga oladi, ularning yuqori va pastki qismi taxminan tengdir. Loyqalanish darajasi 80 GeV bo'lgan Vt zarrachaning massasi bilan aniqlanadi. Agar siz uni engilroq qilsangiz, loyqalanish ko'proq bo'ladi va agar u og'irroq bo'lsa, kamroq loyqalik bo'ladi, chunki protondagi kvark-antikvark juftlarining aksariyati kam energiya olib yuradi.
Nihoyat, protondagi zarralarning aksariyati glyuonlar ekanligini tasdiqlaylik.
Guruch. 12
Buning uchun biz yuqori kvarklarni ikki usulda yaratish mumkinligidan foydalanamiz: kvark + antikvark -> yuqori kvark + yuqori antikvark yoki glyuon + glyuon -> yuqori kvark + yuqori antikvark (12-rasm). Biz kvarklar va antikvarklar sonini ular olib yuradigan energiyaga qarab bilamiz. 9-11. Bundan kelib chiqib, biz standart model tenglamalaridan faqat kvarklar va antikvarklarning to'qnashuvidan qancha yuqori kvarklar hosil bo'lishini taxmin qilishimiz mumkin. Bundan tashqari, oldingi ma'lumotlarga asoslanib, protonda glyuonlar ko'proq ekanligiga ishonamiz, shuning uchun glyuon + glyuon -> yuqori kvark + yuqori antikvark jarayoni kamida 5 marta tez-tez sodir bo'lishi kerak. U erda glyuonlar bor yoki yo'qligini tekshirish oson; agar ular bo'lmasa, ma'lumotlar nazariy bashoratlardan ancha past bo'lishi kerak.
gluons Teglar qo'shish
Ushbu maqolada siz kimyo va fizikada qo'llaniladigan boshqa elementlar bilan birga koinotning asosini tashkil etuvchi elementar zarra sifatida proton haqida ma'lumot topasiz. Protonning xossalari, uning kimyodagi xususiyatlari va barqarorligi aniqlanadi.
Proton nima
Proton elementar zarralar vakillaridan biri bo'lib, u barion sifatida tasniflanadi, masalan. unda fermionlar kuchli o'zaro ta'sir qiladi va zarrachaning o'zi 3 ta kvarkdan iborat. Proton barqaror zarracha bo'lib, shaxsiy impulsga ega - spin ½. Proton uchun jismoniy belgi p(yoki p +)
Proton - termoyadro tipidagi jarayonlarda ishtirok etadigan elementar zarracha. Aynan shu turdagi reaksiya koinotdagi yulduzlar tomonidan ishlab chiqariladigan energiyaning asosiy manbai hisoblanadi. Quyosh tomonidan chiqarilgan energiyaning deyarli barcha miqdori faqat 4 protonning bitta geliy yadrosiga birlashishi va ikkita protondan bitta neytron hosil bo'lishi tufayli mavjud.
Protonga xos xususiyatlar
Proton barionlarning vakillaridan biridir. Bu haqiqat. Protonning zaryadi va massasi doimiy miqdorlardir. Proton elektr zaryadlangan +1 bo'lib, uning massasi turli o'lchov birliklarida aniqlanadi va MeV 938,272 0813(58), protonning kilogrammida og'irligi 1,672 621 898(21) 10 −27 kg raqamlarda, atom massalari birliklarida protonning og'irligi 1,007 276 466 879 (91) a. e.m. va elektronning massasiga nisbatan protonning og'irligi elektronga nisbatan 1836,152 673 89 (17) ni tashkil qiladi.
Fizika nuqtai nazaridan yuqorida ta'rifi berilgan proton izospin +½ proyeksiyasiga ega elementar zarrachadir va yadro fizikasi bu zarrachani qarama-qarshi belgi bilan qabul qiladi. Protonning o'zi nuklon bo'lib, 3 ta kvarkdan (ikki u kvark va bitta d kvark) iborat.
Protonning tuzilishini Amerika Qo'shma Shtatlaridan kelgan yadro fizigi Robert Xofstadter eksperimental ravishda o'rgangan. Ushbu maqsadga erishish uchun fizik protonlarni yuqori energiyali elektronlar bilan to'qnashtirdi va uning tavsifi uchun fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.
Protonda yadro (og'ir yadro) mavjud bo'lib, u protonning elektr zaryadi energiyasining o'ttiz besh foizini o'z ichiga oladi va juda yuqori zichlikka ega. Yadroni o'rab turgan qobiq nisbatan zaryadsizlangan. Qobiq asosan turdagi va p virtual mezonlardan iborat va protonning elektr potentsialining taxminan ellik foizini o'z ichiga oladi va taxminan 0,25 * 10 13 dan 1,4 * 10 13 gacha bo'lgan masofada joylashgan. Bundan tashqari, taxminan 2,5 * 10 13 santimetr masofada, qobiq virtual mezonlardan iborat va protonning elektr zaryadining qolgan o'n besh foizini o'z ichiga oladi.
Proton barqarorligi va barqarorligi
Erkin holatda proton hech qanday parchalanish belgilarini ko'rsatmaydi, bu uning barqarorligini ko'rsatadi. Barionlarning eng yengil vakili sifatida protonning barqaror holati barionlar sonining saqlanish qonuni bilan belgilanadi. SBC qonunini buzmasdan, protonlar neytrinolar, pozitronlar va boshqa engilroq elementar zarrachalarga parchalanishi mumkin.
Atomlar yadrosining protoni K, L, M atom qobig'iga ega bo'lgan ma'lum turdagi elektronlarni ushlab turish qobiliyatiga ega. Elektron tutilishini tugatgan proton neytronga aylanadi va natijada neytrinoni chiqaradi va elektron tutilishi natijasida hosil bo'lgan "teshik" atomning pastki qatlamlari ustidagi elektronlar bilan to'ldiriladi.
Inertial bo'lmagan sanoq sistemalarida protonlar hisoblanishi mumkin bo'lgan cheklangan umrga ega bo'lishi kerak; bu unruh effekti (nurlanish) bilan bog'liq bo'lib, u kvant maydon nazariyasida tezlashtirilgan mos yozuvlar tizimida termal nurlanishning mumkin bo'lgan tasavvurini bashorat qiladi. bu turdagi nurlanishning yo'qligi. Shunday qilib, proton, agar u cheklangan umrga ega bo'lsa, ZSE tomonidan bunday parchalanish jarayonining o'zi taqiqlanganiga qaramay, pozitron, neytron yoki neytrinoga beta parchalanishi mumkin.
Kimyoda protonlardan foydalanish
Proton - bu bitta protondan tuzilgan H atomi va elektronga ega emas, shuning uchun kimyoviy ma'noda proton H atomining bir yadrosidir.Proton bilan juftlashgan neytron atom yadrosini yaratadi. Dmitriy Ivanovich Mendeleevning PTCE da element raqami ma'lum bir element atomidagi protonlar sonini ko'rsatadi va element raqami atom zaryadi bilan belgilanadi.
Vodorod kationlari juda kuchli elektron qabul qiluvchilardir. Kimyoda protonlar asosan organik va mineral kislotalardan olinadi. Ionizatsiya - bu gaz fazalarida proton hosil qilish usuli.
Moddaning tuzilishini o'rganish orqali fiziklar atomlar nimadan iboratligini aniqladilar, atom yadrosiga etib borishdi va uni proton va neytronlarga bo'lishdi. Bu qadamlarning barchasi juda oson berilgan - siz zarrachalarni kerakli energiyaga tezlashtirishingiz, ularni bir-biriga surishingiz kerak edi, keyin ular o'zlarining tarkibiy qismlariga bo'linadi.
Ammo protonlar va neytronlar bilan bu hiyla endi ishlamadi. Ular kompozit zarralar bo'lsa-da, hatto eng shiddatli to'qnashuvda ham "bo'laklarga bo'linib" bo'lmaydi. Shuning uchun fiziklarga protonning ichiga qarash, uning tuzilishi va shaklini ko'rishning turli usullarini o'ylab topish uchun o'nlab yillar kerak bo'ldi. Bugungi kunda protonning tuzilishini o'rganish zarralar fizikasining eng faol yo'nalishlaridan biridir.
Tabiat maslahatlar beradi
Proton va neytronlarning tuzilishini o'rganish tarixi 1930-yillarga borib taqaladi. Protonlarga qo'shimcha ravishda neytronlar kashf etilganda (1932), ularning massasini o'lchab, fiziklar uning proton massasiga juda yaqin ekanligini bilib hayron bo'lishdi. Bundan tashqari, protonlar va neytronlar yadroviy o'zaro ta'sirni xuddi shu tarzda "his qilishlari" ma'lum bo'ldi. Yadro kuchlari nuqtai nazaridan proton va neytronni bir xil zarracha - nuklonning ikkita ko'rinishi deb hisoblash mumkin: proton elektr zaryadlangan nuklon, neytron esa neytral nuklon. Protonlarni neytronlar va yadro kuchlari bilan almashtirish (deyarli) hech narsani sezmaydi.
Fiziklar tabiatning bu xususiyatini simmetriya sifatida ifodalaydilar - yadroviy o'zaro ta'sir protonlarni neytronlar bilan almashtirishga nisbatan simmetrikdir, xuddi kapalak chapni o'ngga almashtirishga nisbatan simmetrikdir. Ushbu simmetriya yadro fizikasida muhim rol o'ynashdan tashqari, aslida nuklonlarning qiziqarli ichki tuzilishga ega ekanligiga birinchi ishora edi. To'g'ri, 30-yillarda fiziklar bu ishorani tushunishmagan.
Tushunish keyinroq paydo bo'ldi. Bu 1940-50-yillarda protonlarning turli elementlarning yadrolari bilan to'qnashuvi reaktsiyalarida olimlar tobora ko'proq yangi zarralarni kashf qilishdan hayratda qolishganidan boshlandi. Yadrolarda nuklonlarni ushlab turadigan protonlar, neytronlar emas, o'sha paytda kashf etilgan pi-mezonlar emas, balki butunlay yangi zarralar. Barcha xilma-xilligiga qaramay, bu yangi zarralar ikkita umumiy xususiyatga ega edi. Birinchidan, ular nuklonlar singari yadroviy o'zaro ta'sirlarda juda bajonidil ishtirok etishdi - endi bunday zarralar adronlar deb ataladi. Ikkinchidan, ular nihoyatda beqaror edi. Ularning eng beqarorlari nanosoniyaning trilliondan birida boshqa zarrachalarga parchalanib ketishdi, hatto atom yadrosi hajmida uchishga ham ulgurmadi!
Uzoq vaqt davomida hadron "hayvonot bog'i" butunlay tartibsizlik edi. 1950-yillarning oxirida fiziklar hadronlarning juda ko'p turlarini o'rganishdi, ularni bir-biri bilan solishtirishni boshladilar va birdan ularning xususiyatlarida ma'lum bir umumiy simmetriyani, hatto davriylikni ko'rdilar. Barcha adronlar (jumladan, nuklonlar) ichida "kvarklar" deb ataladigan oddiy jismlar borligi taxmin qilingan. Kvarklarni turli yo'llar bilan birlashtirib, tajribada aniqlangan bir xil turdagi va bir xil xususiyatlarga ega bo'lgan turli xil adronlarni olish mumkin.
Protonni protonga nima aylantiradi?
Fiziklar adronlarning kvark tuzilishini kashf etib, kvarklar bir necha xil navlarda bo‘lishini bilib olgach, kvarklardan juda ko‘p turli zarrachalar yasash mumkinligi ma’lum bo‘ldi. Shunday qilib, keyingi tajribalar birin-ketin yangi adronlarni topishda davom etganida, hech kim ajablanmadi. Ammo barcha adronlar orasida proton kabi atigi ikkitadan iborat butun zarralar oilasi topildi. u-kvarklar va bitta d-kvark. Protonning bir xil "akasi". Va bu erda fiziklarni hayratda qoldirdi.
Keling, birinchi navbatda bitta oddiy kuzatuvni qilaylik. Agar bizda bir xil "g'isht" dan iborat bir nechta ob'ektlar bo'lsa, unda og'irroq narsalar ko'proq "g'isht" ni, engilroq esa kamroq narsalarni o'z ichiga oladi. Bu juda tabiiy printsip bo'lib, uni kombinatsiya printsipi yoki ustki tuzilish printsipi deb atash mumkin va u kundalik hayotda ham, fizikada ham mukammal ishlaydi. Bu hatto atom yadrolarining tuzilishida ham namoyon bo'ladi - axir, og'irroq yadrolar shunchaki ko'proq proton va neytronlardan iborat.
Biroq, kvarklar darajasida bu tamoyil umuman ishlamaydi va tan olish kerakki, fiziklar nima uchun buni hali to'liq aniqlay olishmadi. Ma'lum bo'lishicha, protonning og'ir aka-ukalari ham proton bilan bir xil kvarklardan iborat, garchi ular protondan bir yarim yoki hatto ikki marta og'irroq bo'lsa ham. Ular protondan farq qiladi (va bir-biridan farq qiladi) emas tarkibi, va o'zaro Manzil kvarklar, bu kvarklar bir-biriga nisbatan bo'lgan holatga ko'ra. Kvarklarning nisbiy holatini o'zgartirish kifoya - va protondan biz boshqa, sezilarli darajada og'irroq zarrachani olamiz.
Agar siz hali ham uchtadan ortiq kvarklarni birga yig'sangiz nima bo'ladi? Yangi og'ir zarracha paydo bo'ladimi? Ajablanarlisi shundaki, u ishlamaydi - kvarklar uchga bo'linadi va bir nechta tarqoq zarrachalarga aylanadi. Negadir tabiat ko'p kvarklarni bir butunga birlashtirishni "yoqmaydi"! Yaqinda, tom ma'noda so'nggi yillarda, ba'zi ko'p kvark zarralari mavjudligiga ishoralar paydo bo'la boshladi, ammo bu tabiat ularni qanchalik yoqtirmasligini ta'kidlaydi.
Bu kombinatorikadan juda muhim va chuqur xulosa kelib chiqadi - adronlar massasi umuman kvarklar massasidan iborat emas. Ammo agar adronning massasini uning tarkibidagi g'ishtlarni oddiygina qayta birlashtirish orqali oshirish yoki kamaytirish mumkin bo'lsa, unda adronlarning massasi uchun kvarklarning o'zi javobgar emas. Haqiqatan ham, keyingi tajribalarda kvarklarning massasi proton massasining atigi ikki foizini tashkil etishini, qolgan tortishish kuchi esa kuch maydoni (maxsus zarralar - glyonlar) tufayli yuzaga kelishini aniqlash mumkin edi. kvarklarni bir-biriga bog'lang. Kvarklarning nisbiy holatini o'zgartirib, masalan, ularni bir-biridan uzoqlashtirib, biz shu bilan glyuon bulutini o'zgartiramiz, uni massiv qilamiz, shuning uchun adron massasi ortadi (1-rasm).
Tez harakatlanuvchi proton ichida nima sodir bo'ladi?
Yuqorida tavsiflangan hamma narsa statsionar protonga tegishli; fiziklar tili bilan aytganda, bu protonning dam olish doirasidagi tuzilishi. Biroq, tajribada protonning tuzilishi birinchi bo'lib boshqa sharoitlarda - ichkarida aniqlangan tez uchish proton.
1960-yillarning oxirida tezlatkichlarda zarrachalar toʻqnashuvi boʻyicha oʻtkazilgan tajribalarda yorugʻlikka yaqin tezlikda harakatlanuvchi protonlar oʻzini goʻyo ularning ichidagi energiya bir tekis taqsimlanmagan, balki alohida ixcham jismlarda toʻplangandek tutganligi aniqlandi. Mashhur fizik Richard Feynman bu materiya to'plamlarini protonlar deb atashni taklif qildi. partons(ingliz tilidan qismi - qismi).
Keyingi tajribalar partonlarning ko'pgina xususiyatlarini, masalan, ularning elektr zaryadini, ularning soni va har biri olib yuradigan proton energiyasining ulushini o'rganib chiqdi. Ma’lum bo‘lishicha, zaryadlangan partonlar kvarklar, neytral partonlar esa glyuonlardir. Ha, protonning dam olish tizimida kvarklarga oddiygina "xizmat qilgan" va ularni bir-biriga jalb qilgan o'sha glyuonlar endi mustaqil partonlar bo'lib, kvarklar bilan birga tez harakatlanuvchi protonning "materiya" va energiyasini olib yuradilar. Tajribalar shuni ko'rsatdiki, energiyaning taxminan yarmi kvarklarda, yarmi esa glyuonlarda saqlanadi.
Partonlar eng qulay tarzda protonlarning elektronlar bilan to'qnashuvida o'rganiladi. Gap shundaki, protondan farqli o'laroq, elektron kuchli yadroviy o'zaro ta'sirlarda qatnashmaydi va uning proton bilan to'qnashuvi juda oddiy ko'rinadi: elektron juda qisqa vaqt ichida virtual foton chiqaradi, u zaryadlangan partonga qulab tushadi va oxir-oqibat foton hosil qiladi. katta miqdordagi zarrachalar (2-rasm). Aytishimiz mumkinki, elektron protonni "ochish" va uni alohida qismlarga bo'lish uchun ajoyib skalpeldir - ammo juda qisqa vaqt ichida. Tezlatgichda bunday jarayonlar qanchalik tez-tez sodir bo'lishini bilib, proton ichidagi partonlar sonini va ularning zaryadlarini o'lchash mumkin.
Partonlar aslida kimlar?
Va bu erda biz fiziklar elementar zarrachalarning yuqori energiyadagi to'qnashuvlarini o'rganish paytida qilgan yana bir ajoyib kashfiyotga keldik.
Oddiy sharoitlarda u yoki bu ob'ekt nimadan iborat degan savolga barcha mos yozuvlar tizimlari uchun universal javob mavjud. Masalan, suv molekulasi ikkita vodorod atomi va bitta kislorod atomidan iborat - va biz harakatsiz yoki harakatlanuvchi molekulaga qaraymizmi, muhim emas. Biroq, bu qoida juda tabiiy ko'rinadi! - agar biz yorug'lik tezligiga yaqin tezlikda harakatlanadigan elementar zarralar haqida gapiradigan bo'lsak, buziladi. Bir sanoq sistemasida murakkab zarracha bir kichik zarrachalar to‘plamidan, boshqa sanoq sistemasida esa boshqasidan iborat bo‘lishi mumkin. Ma'lum bo'ladiki kompozitsiya nisbiy tushunchadir!
Bu qanday bo'lishi mumkin? Bu erda kalit bir muhim xususiyatdir: bizning dunyomizdagi zarralar soni aniq emas - zarralar tug'ilishi va yo'q bo'lib ketishi mumkin. Misol uchun, agar siz etarlicha yuqori energiyaga ega bo'lgan ikkita elektronni birlashtirsangiz, bu ikki elektronga qo'shimcha ravishda foton yoki elektron-pozitron juftligi yoki boshqa zarralar tug'ilishi mumkin. Bularning barchasiga kvant qonunlari ruxsat beradi va bu haqiqiy tajribalarda sodir bo'ladi.
Ammo zarralarning bu "saqlanmaslik qonuni" ishlaydi to'qnashuv holatlarida zarralar. Qanday qilib bir xil proton turli nuqtai nazardan u boshqa zarralar to'plamidan iborat bo'lib ko'rinadi? Gap shundaki, proton birlashtirilgan uchta kvark emas. Kvarklar orasida glyuon kuch maydoni mavjud. Umuman olganda, kuch maydoni (masalan, tortishish yoki elektr maydoni) kosmosga kirib boradigan va zarrachalarning bir-biriga kuchli ta'sir ko'rsatishiga imkon beruvchi o'ziga xos moddiy "ob'ekt" dir. Kvant nazariyasida maydon ham zarralardan iborat, garchi maxsus bo'lsa ham - virtual. Bu zarrachalarning soni aniq emas, ular doimiy ravishda kvarklardan "tomurcuklanadi" va boshqa kvarklar tomonidan so'riladi.
Dam olish Protonni haqiqatan ham ular orasida glyuonlar sakrab turadigan uchta kvark deb hisoblash mumkin. Ammo agar biz xuddi shu protonga boshqa mos yozuvlar doirasidan qarasak, xuddi o'tayotgan "relativistik poezd" derazasidan, biz butunlay boshqacha manzarani ko'ramiz. Kvarklarni bir-biriga yopishtirgan virtual glyuonlar kamroq virtual, "haqiqiy" zarralar bo'lib ko'rinadi. Ular, albatta, hali ham tug'iladi va kvarklar tomonidan so'riladi, lekin shu bilan birga ular haqiqiy zarralar kabi kvarklarning yonida uchib, ma'lum vaqt o'zlari yashaydilar. Bir mos yozuvlar doirasidagi oddiy kuch maydoniga o'xshagan narsa boshqa ramkada zarralar oqimiga aylanadi! E'tibor bering, biz protonning o'ziga tegmaymiz, balki unga faqat boshqa mos yozuvlar doirasidan qaraymiz.
Yana ko'proq. Bizning "nisbiy poyezdimiz" tezligi yorug'lik tezligiga qanchalik yaqin bo'lsa, proton ichidagi rasm shunchalik hayratlanarli bo'ladi. Yorug'lik tezligiga yaqinlashganda, proton ichida glyuonlar ko'payib borayotganini sezamiz. Bundan tashqari, ular ba'zan kvark-antikvark juftliklariga bo'linadi, ular ham yaqin atrofda uchadi va ular ham parton hisoblanadi. Natijada, ultrarelyativistik proton, ya'ni bizga nisbatan yorug'lik tezligiga juda yaqin tezlikda harakatlanuvchi proton birga uchadigan va bir-birini qo'llab-quvvatlayotganga o'xshab ko'rinadigan kvarklar, antikvarklar va glyuonlarning o'zaro kirib boruvchi bulutlari ko'rinishida paydo bo'ladi (2-rasm). 3).
Nisbiylik nazariyasi bilan tanish bo'lgan o'quvchi xavotirga tushishi mumkin. Barcha fizika har qanday jarayon barcha inertial sanoq sistemalarida bir xil tarzda davom etishi tamoyiliga asoslanadi. Ammo ma'lum bo'lishicha, protonning tarkibi biz uni kuzatadigan mos yozuvlar tizimiga bog'liqmi?!
Ha, aniq, lekin bu nisbiylik tamoyilini hech qanday tarzda buzmaydi. Jismoniy jarayonlarning natijalari - masalan, to'qnashuv natijasida qaysi zarralar va qancha hosil bo'lishi - o'zgarmas bo'lib chiqadi, garchi protonning tarkibi mos yozuvlar tizimiga bog'liq.
Bir qarashda g'ayrioddiy, lekin fizikaning barcha qonunlarini qondiradigan bu holat sxematik tarzda 4-rasmda ko'rsatilgan. Unda yuqori energiyaga ega bo'lgan ikkita protonning to'qnashuvi turli mos yozuvlar ramkalarida qanday ko'rinishi ko'rsatilgan: bir protonning qolgan ramkasida, massa markazining ramkasi, boshqa protonning qolgan ramkasida. Protonlar o'rtasidagi o'zaro ta'sir bo'linadigan glyuonlar kaskadi orqali amalga oshiriladi, lekin faqat bir holatda bu kaskad bir protonning "ichki" qismi hisoblanadi, boshqa holatda u boshqa protonning bir qismi hisoblanadi, uchinchisida esa oddiygina bir nechta. ikki proton o'rtasida almashinadigan ob'ekt. Bu kaskad mavjud, u haqiqiy, lekin jarayonning qaysi qismiga tegishli bo'lishi kerakligi mos yozuvlar doirasiga bog'liq.
Protonning 3D portreti
Biz hozir aytib o'tgan barcha natijalar ancha oldin - o'tgan asrning 60-70-yillarida o'tkazilgan tajribalarga asoslangan edi. O'shandan beri hamma narsani o'rganish va barcha savollarga javob topish kerak edi. Ammo yo'q - protonning tuzilishi hali ham zarralar fizikasining eng qiziqarli mavzularidan biri bo'lib qolmoqda. Bundan tashqari, so'nggi yillarda unga qiziqish yana ortdi, chunki fiziklar tez harakatlanuvchi protonning "uch o'lchovli" portretini qanday olish mumkinligini aniqladilar, bu esa statsionar proton portretiga qaraganda ancha qiyinroq bo'lib chiqdi.
Proton to'qnashuvi bo'yicha klassik tajribalar faqat partonlarning soni va ularning energiya taqsimoti haqida gapiradi. Bunday tajribalarda partonlar mustaqil ob'ektlar sifatida ishtirok etadilar, demak, ulardan partonlarning bir-biriga nisbatan qanday joylashganligini yoki ular protonga qanday aniq qo'shilishini bilib bo'lmaydi. Aytishimiz mumkinki, uzoq vaqt davomida fiziklar uchun faqat tez harakatlanuvchi protonning "bir o'lchovli" portreti mavjud edi.
Protonning haqiqiy, uch o'lchovli portretini yaratish va kosmosda partonlarning tarqalishini aniqlash uchun 40 yil oldin mumkin bo'lgan tajribalarga qaraganda ancha nozikroq tajribalar talab qilinadi. Fiziklar bunday tajribalarni yaqinda, so'nggi o'n yillikda o'rganishdi. Ular elektron proton bilan to'qnashganda sodir bo'ladigan juda ko'p turli xil reaktsiyalar orasida bitta maxsus reaktsiya mavjudligini tushunishdi - chuqur virtual Kompton tarqalishi, - protonning uch o'lchovli tuzilishi haqida bizga xabar berishi mumkin.
Umuman olganda, Komptonning tarqalishi yoki Kompton effekti fotonning zarracha, masalan, proton bilan elastik to'qnashuvidir. Bu shunday ko'rinadi: foton keladi, proton tomonidan so'riladi, u qisqa vaqt ichida hayajonlangan holatga o'tadi va keyin o'zining dastlabki holatiga qaytadi va qaysidir yo'nalishda foton chiqaradi.
Oddiy yorug'lik fotonlarining kompton tarqalishi hech qanday qiziq narsaga olib kelmaydi - bu shunchaki protondan yorug'likning aks etishi. Protonning ichki tuzilishi "o'yinga kirishi" va kvarklarning taqsimlanishi "sezilishi" uchun juda yuqori energiyali fotonlardan foydalanish kerak - oddiy yorug'likdan milliardlab marta. Va aynan shunday fotonlar - virtual bo'lsa ham - tushgan elektron tomonidan osongina hosil bo'ladi. Agar hozir birini ikkinchisi bilan birlashtirsak, chuqur virtual Kompton sochilishiga erishamiz (5-rasm).
Ushbu reaksiyaning asosiy xususiyati shundaki, u protonni yo'q qilmaydi. Voqea sodir bo'lgan foton protonga shunchaki urilmaydi, balki uni ehtiyotkorlik bilan his qiladi va keyin uchib ketadi. Uning uchishi va proton energiyaning qaysi qismini undan olishi protonning tuzilishiga, uning ichidagi partonlarning nisbiy joylashishiga bog'liq. Shuning uchun ham ushbu jarayonni o'rganish orqali protonning uch o'lchovli ko'rinishini tiklash mumkin, go'yo "uning haykalini haykaltaroshlik qilish" mumkin.
To'g'ri, bu tajriba fizik uchun juda qiyin. Kerakli jarayon juda kam uchraydi va uni ro'yxatdan o'tkazish qiyin. Ushbu reaktsiya bo'yicha birinchi eksperimental ma'lumotlar faqat 2001 yilda Germaniyaning Gamburgdagi DESY tezlatgich majmuasidagi HERA tezlatgichida olingan; ma'lumotlarning yangi seriyasi endi tajribachilar tomonidan qayta ishlanmoqda. Biroq, bugungi kunda birinchi ma'lumotlarga asoslanib, nazariyotchilar protonda kvark va glyuonlarning uch o'lchovli taqsimotini chizishmoqda. Ilgari fiziklar faqat taxmin qilgan jismoniy miqdor nihoyat tajribadan "paydo bo'la boshladi".
Bu sohada bizni kutilmagan kashfiyotlar kutmoqdami? Ehtimol, ha. Misol uchun, aytaylik, 2008 yil noyabr oyida qiziqarli nazariy maqola paydo bo'ldi, unda tez harakatlanuvchi proton tekis diskga o'xshamasligi kerak, lekin ikki qavakli linzaga o'xshab ketishi kerak. Bu protonning markaziy qismida joylashgan partonlarning chekkalarida o'tirgan partonlarga qaraganda uzunlamasına yo'nalishda kuchliroq siqilganligi sababli sodir bo'ladi. Ushbu nazariy bashoratlarni eksperimental tarzda sinab ko'rish juda qiziqarli bo'lar edi!
Nega bularning barchasi fiziklarni qiziqtiradi?
Nega fiziklar materiyaning proton va neytronlar ichida qanday taqsimlanishini aniq bilishlari kerak?
Birinchidan, buni fizika taraqqiyotining o'zi mantiqiy talab qiladi. Dunyoda zamonaviy nazariy fizika hali to'liq bardosh bera olmaydigan juda ko'p hayratlanarli darajada murakkab tizimlar mavjud. Adronlar ana shunday tizimlardan biridir. Hadronlarning tuzilishini tushunib, biz nazariy fizikaning qobiliyatlarini aniqlaymiz, bu universal bo'lib chiqishi mumkin va, ehtimol, butunlay boshqacha narsada, masalan, o'ta o'tkazgichlarni yoki g'ayrioddiy xususiyatlarga ega boshqa materiallarni o'rganishda yordam beradi.
Ikkinchidan, yadro fizikasi uchun bevosita foyda bor. Atom yadrolarini o'rganishning qariyb asrlik tarixiga qaramay, nazariyotchilar proton va neytronlarning o'zaro ta'sirining aniq qonunini haligacha bilishmaydi.
Ular bu qonunni qisman eksperimental ma'lumotlarga asoslangan holda taxmin qilishlari va qisman nuklonlarning tuzilishi haqidagi bilimlarga asoslangan holda qurishlari kerak. Bu erda nuklonlarning uch o'lchovli tuzilishi haqidagi yangi ma'lumotlar yordam beradi.
Uchinchidan, bir necha yil oldin fiziklar materiyaning yangi agregat holatini - kvark-gluon plazmasini olishga muvaffaq bo'lishdi. Bu holatda kvarklar alohida proton va neytronlar ichida o'tirmaydi, balki yadro materiyasining butun to'plami bo'ylab erkin yuradi. Bunga, masalan, shunday erishish mumkin: og'ir yadrolar tezlatgichda yorug'lik tezligiga juda yaqin tezlikka tezlashadi va keyin to'qnash keladi. Ushbu to'qnashuvda trillionlab darajali haroratlar juda qisqa vaqt ichida paydo bo'ladi, bu esa yadrolarni kvark-glyuon plazmasiga eritadi. Demak, bu yadroviy erishning nazariy hisob-kitoblari nuklonlarning uch o‘lchovli tuzilishini yaxshi bilishni talab qiladi.
Nihoyat, bu ma'lumotlar astrofizika uchun juda zarur. Og'ir yulduzlar umrining oxirida portlaganda, ular ko'pincha juda ixcham jismlarni - neytron va ehtimol kvark yulduzlarni qoldiradilar. Ushbu yulduzlarning yadrosi butunlay neytronlardan va hatto sovuq kvark-glyuon plazmasidan iborat. Bunday yulduzlar uzoq vaqtdan beri kashf etilgan, ammo ularning ichida nima sodir bo'layotganini faqat taxmin qilish mumkin. Shunday qilib, kvark taqsimotini yaxshi tushunish astrofizikada taraqqiyotga olib kelishi mumkin.