Името атом идва от древногръцката дума "ἄτομος", която се превежда като неделима.На
Протонът е един от трите такива стабилни субатомничастици (другите две са електрони и неутрони), които са градивните елементи на атомите. Това име (от старогръцки "πρῶτος" - първи) е предложено от Ърнест Ръдърфорд през 1920 г. В поредица от експерименти британски физик показа, че „ядрото на водорода“ (най-лекият химичен елемент) може да бъде извлечено от азота чрез сблъсък с алфа частица (ядрото на атом на хелий).
Повече от век след Ръдърфордоткриха положително заредената частица в сърцето на всеки атом, физиците все още се опитват да разберат какво е протон. Училищните учители обикновено ги описват като безлики топки с една единица положителен електрически заряд. На по-сложно ниво тези частици са представени като лъч от три взаимосвързани кварка: два нагоре и един надолу.
Но дори този модел е силно опростяване.Десетилетия изследвания разкриха и продължават да изследват по-дълбока картина, която е твърде странна, за да бъде напълно предадена с думи или снимки.
Художествена илюстрация на променящите се идеи за състава на протона. Изображение: Национална лаборатория Брукхейвън
Как да разделим протон и да изследваме неговия състав
Доказателство, че протонът съдържамного частици, е получен за първи път в SLAC National Accelerator Laboratory в Станфорд в края на 60-те години на миналия век. В предишни експерименти изследователите ги бомбардираха с електрони и ги наблюдаваха как рикошират като билярдни топки.
В ускорителя на частици SLAC физиците успяха за първи пътускоряват електроните достатъчно силно, за да променят резултатите от наблюденията. Електроните, в процеса на дълбоко нееластично разсейване, удрят протона достатъчно силно, за да го счупят и отскачат от точковидни фрагменти от протона, наречени кварки.
Авторите на това откритие, което е първотодоказателство за съществуването на кварки, спечели Нобелова награда за физика през 1990 г. И оттогава учените по света са провели стотици експерименти с разсейване. Те правят заключения за различни аспекти от вътрешността на обекта, като регулират силата на бомбардировката и избират кои разпръснати частици да изследват в резултат на експеримента.
Използване на електрони с висока енергия, физициможе да открие по-фини детайли на протона. По този начин енергията на електрона определя максималната разделителна способност на експеримента за дълбоко нееластично разсейване. Колкото по-мощни са колайдерите, толкова по-пълна картина те дават за състава на протона.
Колайдери с по-висока енергия същопроизвеждат по-широк диапазон от резултати от сблъсък, което позволява на изследователите да избират различни подгрупи за анализ. Тази гъвкавост се оказа ключът към разбирането на кварките, които се движат вътре в протона с различни количества импулс.
Чрез измерване на енергията и траекторията на всяко разпръснатоелектрон, изследователите могат да кажат от кой кварк е отскочил. Статистическият анализ на много повтарящи се експерименти, като преброяване на населението, "казва" на изследователите как е разпределен импулсът на протона или от какъв вид кварки се състои.
Повече от три кварка
Първи експерименти в колайдера SLACпотвърди теорията, разработена по-рано от Мъри Гел-Ман и Джордж Цвайг за състава на протона от три кварка. Електроните след сблъсъка се разлетяха по такъв начин, сякаш се разбиха в три отделни частици, всяка от които носи една трета от импулса на протона.
Кварковият модел на Гел-Ман и Цвайг описвапротон като частица, състояща се от два „горе“ кварка с електрически заряд +2/3 всеки и един „долу“ кварк със заряд -1/3, което дава общия заряд на протона +1.
Но кварковият модел е прекалено опростено,има сериозни недостатъци. Например, не работи, когато става въпрос за завъртане (назад) протон, квантово свойство, подобно на ъгловия момент. Тази субатомна частица има спин ½, както и всеки от нейните кварки нагоре и надолу.
Първоначално физиците предположиха, че вПри изчисления, повтарящи проста аритметика на заряда, половината от единиците на двата горни кварка минус фракцията на низходящия кварк трябва да се равнява на половината от единицата на протона като цяло. Но през 1988 г. European Muon Collaboration изчисли, че завъртанията на кварките дават много по-малко от половината.
По същия начин проучванията показват, че маситедва горни кварка и един низходящ кварк съставляват само около 1% от общата протонна маса. Това означаваше, че вътре в него трябва да се крие нещо друго - други елементарни частици, които да обяснят свойствата на тази субатомна частица.
Опростен модел на структурата на протона. Анимация: Националната лаборатория Брукхейвън
Много кварки и антикварки в една частица
Ускорител на частици HERA на немскиизследователският център DESY в Хамбург от 1992 до 2007 г. изследва сблъсъка на електрони и протони със сила около хиляда пъти по-висока от тази, постигната в SLAC. Въпреки че експериментът е завършен преди повече от 10 години, физиците продължават да анализират събраните данни.
В експериментите HERA физиците успяха да проучателектроните отскачат от кварки с изключително нисък импулс, включително тези, носещи само 0,005% от общия импулс на протона. Резултатите от наблюдението потвърдиха, че съставът на протона е много по-сложен от кварковия модел на Гел-Ман и Цвайг: електроните отскачаха от „вихъра“ на кварките с нисък импулс и техните двойници от антиматерия, антикварки.
Сложна структура от много кварки и антикварки. Анимация: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Резултатите потвърдиха сложността и странносттатеория на квантовата хромодинамика. Това е квантовата теория за силната сила, която свързва кварките. Този модел придава на кварките ново свойство, условно наречено "цвят", и въвежда нови частици, глуони, които носят силното взаимодействие между кварките.
Всеки кварк и всеки глуон има едно от тритевидове "цветни" заряди, обозначени като червени, зелени и сини. Тези цветно заредени частици естествено се привличат една друга и образуват група като протон, чиито цветове се събират до неутрално бяло.
Според теорията на квантовата хромодинамика глуонитеможе да улови моментални изблици на енергия. С тази енергия тези частици се разпадат на кварк и антикварк, всеки от които носи само малко количество импулс, преди двойката да анихилира и изчезне. Именно това "море" от преходни глуони, кварки и антикварки беше открито от чувствителните детектори на HERA.
Протонна визуализация. Анимация: MIT
Очарователна нова визия
Екстремни сблъсъци с висока енергияпоказват огромно разнообразие от кварки, аникирки и глуони, в които се разпадат протони. Сблъсъци с по-малка енергия показват само три валентни кварка, които определят квантовото число на една елементарна частица. Но ново проучване показва, че понякога протонът действа като структура, съставена от пет кварка.
Изследователски екип, ръководен от Хуан Рохоот Националния институт за субатомна физика в Холандия и VU University of Amsterdam анализираха повече от 5000 изображения на протони, направени през последните 50 години, използвайки машинно обучение за определяне на движението на кварки и глуони вътре в протон.
Нова проверка установи замъгляване на фонаизображения, които са убягвали на предишни изследователи. При сравнително леки сблъсъци, които едва разкъсаха протон, по-голямата част от импулса беше в обичайните три кварка: два нагоре и един надолу. Но малка част от инерцията, както показват проучванията, идва от "чаровия" кварк и очарования антикварк. Това са големи елементарни частици, всяка от които е по-тежка от целия протон с повече от една трета.
Проучването показа, че макар и при високоПри енергийни сблъсъци глуоните могат да се разделят на всеки от шест различни вида кварки, ако имат достатъчно енергия, очарованите кварки и антикварки се образуват много по-често, което ги прави забележими дори при относително леки сблъсъци.
При тези сблъсъци протонът изглежда катоквантова смес или суперпозиция на няколко състояния: един електрон обикновено се сблъсква с три леки кварка. Но от време на време той ще срещне по-рядка „молекула“ от пет кварка, като кварк нагоре, надолу и очарователен кварк, групирани от едната страна, и кварк нагоре и очарован антикварк от другата.
Тези резултати не са само теоретичнизначение. Например, достатъчно количество енергия може да бъде генерирано от сблъсъка на протони на космическата радиация с елементарни частици в състава на атомите на земната атмосфера. В процеса на такива сблъсъци протоните могат да се разпаднат на очаровани кварки и да се „разлеят“ към Земята под формата на високоенергийни неутрино. Това може да обърка наблюдателите, които използват тези частици за изследване на далечната вселена.
Сто години след откриването на физиката на протонитепродължете да изучавате вътрешната структура на тези елементарни частици. Експериментите от следващо поколение ще търсят още повече неизвестни функции. Например, физици от Националната лаборатория Брукхейвън в САЩ планират да пуснат електронно-йонния колайдер през 2030 г. и да продължат там, където е спряла HERA. Те ще направят изображения с по-висока разделителна способност, които ще позволят първите 3D реконструкции на протона.
Това трябва да помогне на изследователите окончателноопределят произхода на въртенето на протона и отговарят на други фундаментални въпроси относно неясната частица, която съставлява по-голямата част от околната обикновена (барионна) материя.
Прочетете още:
Специална диета предизвиква самоунищожение на мозъчни ракови клетки при мишки
Учени са дешифрирали мистериозния ръкопис на Птолемей. Беше скрит под друг текст
Ново изображение на Хъбъл озадачи учените
На корицата: художествена илюстрация на множеството кварки, антикварки и глуони в един протон. Изображение: Д. Домингес, CERN