"بحر" الكواركات داخل بروتون واحد: مما يتكون الجسيم الأولي

يأتي اسم الذرة من الكلمة اليونانية القديمة "ἄτομος"، والتي تُترجم على أنها غير قابلة للتجزئة. على

لعدة قرون كان يعتقد أنه أصغر جسيم من المادة. لكن في نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين، دحض الفيزيائيون هذه الفرضية: تم اكتشاف الجسيمات دون الذرية.

البروتون هو واحد من ثلاث ذرات دون ذرية مستقرةالجسيمات (الاثنان الآخران هما الإلكترونات والنيوترونات) ، وهي اللبنات الأساسية للذرات. هذا الاسم (من اليونانية القديمة "πρῶτος" - أولاً) اقترحه إرنست رذرفورد في عام 1920. في سلسلة من التجارب ، أظهر فيزيائي بريطاني أن "نواة الهيدروجين" (أخف عنصر كيميائي) يمكن استخلاصها من النيتروجين عن طريق الاصطدام بجسيم ألفا (نواة ذرة الهيليوم).

بعد مرور أكثر من قرن على رذرفورداكتشف الجسيمات الموجبة الشحنة في قلب كل ذرة، ولا يزال الفيزيائيون يحاولون فهم ماهية البروتون. عادةً ما يصفها معلمو المدارس بأنها كرات عديمة الملامح تحتوي على وحدة واحدة من الشحنة الكهربائية الإيجابية. على مستوى أكثر تعقيدًا، يتم تمثيل هذه الجسيمات كحزمة من ثلاثة كواركات مترابطة: اثنان لأعلى وواحد لأسفل.

لكن حتى هذا النموذج هو تبسيط قوي.كشفت عقود من البحث واستمرت في استكشاف صورة أعمق غريبة جدًا بحيث لا يمكن نقلها بالكامل بالكلمات أو الصور.

توضيح فني لتغيير الأفكار حول تكوين البروتون. الصورة: مختبر Brookhaven الوطني

كيفية تفكيك البروتون ودراسة تكوينه

إثبات أن البروتون يحتوي علىتم الحصول على العديد من الجسيمات لأول مرة في مختبر المسرع الوطني SLAC في جامعة ستانفورد في أواخر الستينيات من القرن الماضي. وفي تجارب سابقة، قصفها الباحثون بالإلكترونات وشاهدوها وهي ترتد مثل كرات البلياردو.

في مسرع الجسيمات SLAC، نجح الفيزيائيون لأول مرةتسريع الإلكترونات بقوة كافية لتغيير نتائج الملاحظات. تضرب الإلكترونات، في عملية تشتت غير مرن للغاية، البروتون بقوة كافية لكسره وترتد عن شظايا البروتون التي تشبه النقطة والتي تسمى الكواركات.

واضعو هذا الاكتشاف الذي كان الأولدليل على وجود الكواركات ، حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1990. ومنذ ذلك الحين أجرى العلماء حول العالم مئات من تجارب التشتت. يتوصلون إلى استنتاجات حول جوانب مختلفة من داخل الجسم من خلال تعديل قوة القصف واختيار الجزيئات المتناثرة التي يدرسونها نتيجة للتجربة.

باستخدام الإلكترونات عالية الطاقة والفيزيائيينيمكن الكشف عن التفاصيل الدقيقة للبروتون. وهكذا ، فإن طاقة الإلكترون تحدد الدقة القصوى لتجربة التشتت العميق غير المرن. كلما زادت قوة المصادمات ، كلما أعطت صورة أكثر اكتمالاً عن تكوين البروتون.

مصادمات طاقة أعلى أيضًاتنتج مجموعة واسعة من نتائج الاصطدام ، مما يسمح للباحثين باختيار مجموعات فرعية مختلفة لتحليلها. تبين أن هذه المرونة هي المفتاح لفهم الكواركات ، التي تتحرك داخل البروتون بكميات مختلفة من الزخم.

عن طريق قياس الطاقة ومسار كل متناثرةالإلكترون ، يمكن للباحثين معرفة الكوارك الذي ارتد عنه. التحليل الإحصائي للعديد من التجارب المتكررة ، مثل التعداد السكاني ، "يخبر" الباحثين عن كيفية توزيع زخم البروتون أو نوع الكواركات التي يتكون منها.

أكثر من ثلاثة كواركات فقط

التجارب الأولى في مصادم SLACأكد النظرية التي طورها موراي جيل مان وجورج زويج في وقت سابق حول تكوين البروتون من ثلاثة كواركات. تطايرت الإلكترونات بعد الاصطدام بطريقة وكأنها اصطدمت بثلاثة جسيمات منفصلة ، يحمل كل منها ثلث زخم البروتون.

يصف نموذج الكوارك لجيلمان وزفايجالبروتون هو جسيم يتكون من كواركين علويين بشحنة كهربائية قدرها +2/3 لكل منهما وكوارك واحد "سفلي" بشحنة قدرها -1/3، وهو ما يعطي الشحنة الإجمالية للبروتون +1.

لكن نموذج الكوارك هو تبسيط مبالغ فيه،لديه عيوب خطيرة. على سبيل المثال، لا يعمل عندما يتعلق الأمر بالتدوير (الخلف)  البروتون، وهي خاصية كمومية تشبه الزخم الزاوي. هذا الجسيم دون الذري له دوران قدره ½، كما هو الحال مع كل من كواركاته العلوية والسفلية.

في البداية، افترض الفيزيائيون ذلكفي الحسابات التي تكرر حسابات الشحنة البسيطة، فإن نصف وحدات الكواركين العلويين مطروحًا منها جزء الكوارك السفلي يجب أن يساوي نصف وحدة البروتون ككل. لكن في عام 1988، حسبت مؤسسة التعاون الأوروبي للميون أن عدد لفات الكواركات يصل إلى أقل من النصف بكثير.

وبالمثل ، فقد أظهرت الدراسات أن الجماهيركواركان علويان وكوارك سفلي واحد يشكلان حوالي 1٪ فقط من إجمالي كتلة البروتون. هذا يعني أنه يجب إخفاء شيء آخر بداخله - جسيمات أولية أخرى من شأنها أن تفسر خصائص هذا الجسيم دون الذري.

نموذج مبسط لبنية البروتون. الرسوم المتحركة: مختبر Brookhaven الوطني

العديد من الكواركات والكواركات المضادة في جسيم واحد

مسرع الجسيمات HERA باللغة الألمانيةدرس مركز الأبحاث DESY في هامبورغ من عام 1992 إلى عام 2007 تصادم الإلكترونات والبروتونات بقوة تزيد بنحو ألف مرة عن تلك التي تم تحقيقها في SLAC. على الرغم من اكتمال التجربة منذ أكثر من 10 سنوات ، يواصل الفيزيائيون تحليل البيانات التي تم جمعها.

في تجارب HERA ، تمكن الفيزيائيون من الدراسةارتدت الإلكترونات من الكواركات الزخم المنخفضة للغاية ، بما في ذلك تلك التي تحمل 0.005٪ فقط من الزخم الكلي للبروتون. أكدت نتائج الملاحظة أن تكوين البروتون أكثر تعقيدًا بكثير من نموذج الكوارك الخاص بجيل مان وزويج: فقد ارتدت الإلكترونات من "دوامة" الكواركات منخفضة الزخم ونظيراتها من المادة المضادة ، الكواركات المضادة.

هيكل معقد من العديد من الكواركات والكواركات المضادة. الرسوم المتحركة: MIT / Jefferson Lab / Sputnik Animation

أكدت النتائج المعقدة والغريبةنظرية الديناميكا الكمومية. هذه هي النظرية الكمومية للقوة الشديدة التي تربط الكواركات. يمنح هذا النموذج الكواركات خاصية جديدة ، تسمى مؤقتًا "اللون" ، ويقدم جسيمات جديدة ، هي الغلوونات ، التي تحمل التفاعل القوي بين الكواركات.

كل كوارك وكل غلوون لديه واحد من ثلاثةأنواع الشحنات "الملونة"، المعينة باللون الأحمر والأخضر والأزرق. تنجذب هذه الجسيمات المشحونة بالألوان بشكل طبيعي إلى بعضها البعض وتشكل مجموعة - مثل البروتون - تضاف ألوانها إلى اللون الأبيض المحايد.

وفقًا لنظرية الديناميكا اللونية الكمومية ، الغلووناتيمكنه التقاط دفعات فورية من الطاقة. بهذه الطاقة ، تتحلل هذه الجسيمات إلى كوارك وكوارك مضاد ، يحمل كل منهما كمية صغيرة فقط من الزخم ، قبل أن يفنى الزوجان ويختفيان. إن هذا "البحر" من الغلوونات الانتقالية والكواركات والكواركات المضادة هو الذي تم اكتشافه بواسطة أجهزة الكشف الحساسة لـ HERA.

تصور البروتون. الرسوم المتحركة: MIT

مظهر جديد ساحر

تصادمات شديدة الطاقة عاليةتُظهر مجموعة كبيرة ومتنوعة من الكواركات والنيكيركس والغلوونات التي تتحلل فيها البروتونات. تُظهر التصادمات مع طاقة أقل ثلاثة كواركات تكافؤ فقط ، والتي تحدد الرقم الكمي للجسيم الأولي. لكن دراسة جديدة تظهر أنه في بعض الأحيان يعمل البروتون كبنية مكونة من خمسة كواركات.

فريق البحث بقيادة خوان روجومن المعهد الوطني للفيزياء دون الذرية في هولندا وجامعة VU بأمستردام ، حللوا أكثر من 5000 صورة للبروتونات تم التقاطها على مدار الخمسين عامًا الماضية ، باستخدام التعلم الآلي لتحديد حركة الكواركات والغلونات داخل البروتون.

عثر الفحص الجديد على تمويه الخلفية قيد التشغيلالصور التي استعصت على الباحثين السابقين. في التصادمات الخفيفة نسبيًا التي بالكاد تمزق البروتون ، كان معظم الزخم في الكواركات الثلاثة المعتادة: اثنان لأعلى وواحد لأسفل. لكن الدراسات أظهرت أن قدرًا ضئيلًا من الزخم جاء من الكوارك "الساحر" والكوارك الساحر المضاد. هذه جسيمات أولية كبيرة ، كل منها أثقل من البروتون بأكمله بأكثر من الثلث.

أظهرت الدراسة أنه على الرغم من ارتفاعفي التصادمات النشطة ، يمكن أن تنقسم الغلوونات إلى ستة أنواع مختلفة من الكواركات إذا كان لديها ما يكفي من الطاقة ، وتتشكل الكواركات الساحرة والكواركات المضادة بشكل متكرر ، مما يجعلها ملحوظة حتى في التصادمات الخفيفة نسبيًا.

في هذه الاصطدامات ، يظهر البروتون على شكلخليط كمي أو تراكب لحالات متعددة: يصطدم الإلكترون عادة بثلاثة كواركات ضوئية. ولكن من وقت لآخر سيواجه "جزيءًا" نادرًا مكونًا من خمسة كواركات ، مثل كوارك علوي وسفلي ساحر متجمع على جانب واحد ، وكوارك علوي وكوارك مضاد ساحر على الجانب الآخر.

هذه النتائج ليست نظرية فقطمعنى. على سبيل المثال ، يمكن توليد كمية كافية من الطاقة عن طريق اصطدام بروتونات الإشعاع الكوني بالجسيمات الأولية في تكوين ذرات الغلاف الجوي للأرض. في عملية مثل هذه الاصطدامات ، يمكن أن تتحلل البروتونات إلى كواركات ساحرة و "تتسرب" إلى الأرض على شكل نيوترينوات عالية الطاقة. هذا يمكن أن يربك المراقبين الذين يستخدمون هذه الجسيمات لدراسة الكون البعيد.

بعد مائة عام من اكتشاف فيزياء البروتونمواصلة دراسة التركيب الداخلي لهذه الجسيمات الأولية. ستبحث تجارب الجيل القادم عن المزيد من الميزات غير المعروفة. على سبيل المثال ، يخطط علماء الفيزياء في مختبر Brookhaven الوطني في الولايات المتحدة لإطلاق مصادم الأيون الإلكترون في ثلاثينيات القرن الحالي والتقاط من حيث توقفت HERA. سوف يلتقطون صورًا عالية الدقة تمكنهم من إعادة البناء ثلاثية الأبعاد الأولى للبروتون.

هذا يجب أن يساعد الباحثين بشكل نهائيتحديد أصل دوران البروتون والإجابة على أسئلة أساسية أخرى حول الجسيم الغامض الذي يشكل معظم المادة العادية (الباريونية) المحيطة.

قراءة المزيد:

يؤدي النظام الغذائي الخاص إلى التدمير الذاتي لخلايا سرطان الدماغ لدى الفئران

فك العلماء مخطوطة غامضة لبطليموس. كانت مخبأة تحت نص آخر

الصورة الجديدة لهابل حيرت العلماء

على الغلاف: رسم توضيحي فني للعديد من الكواركات والكواركات المضادة والغلوونات داخل بروتون واحد. الصورة: D. Dominguez، CERN