Název atom pochází ze starořeckého slova „ἄτομος“, které se překládá jako nedělitelný. Na
Proton je jedním ze tří takových stabilních subatomárníchčástice (další dva jsou elektrony a neutrony), které jsou stavebními kameny atomů. Tento název (ze starořeckého „πρῶτος“ - první) navrhl Ernest Rutherford v roce 1920. V sérii experimentů britský fyzik ukázal, že „jádro vodíku“ (nejlehčí chemický prvek) lze extrahovat z dusíku srážkou s částicí alfa (jádro atomu helia).
Více než století po Rutherfordoviobjevili kladně nabitou částici v srdci každého atomu, fyzici se stále snaží pochopit, co je proton. Učitelé je obvykle popisují jako kuličky bez rysů s jednou jednotkou kladného elektrického náboje. Na složitější úrovni jsou tyto částice reprezentovány jako svazek tří vzájemně propojených kvarků: dvou nahoru a jednoho dolů.
Ale i tento model je výrazným zjednodušením.Desítky let výzkumu odhalily a pokračují v prozkoumávání hlubšího obrazu, který je příliš bizarní na to, aby byl plně vyjádřen slovy nebo obrázky.
Umělecká ilustrace měnících se představ o složení protonu. Obrázek: Brookhaven National Laboratory
Jak rozbít proton a studovat jeho složení
Důkaz, že proton obsahujemnoho částic, byl poprvé získán v SLAC National Accelerator Laboratory ve Stanfordu koncem 60. let minulého století. V předchozích experimentech je výzkumníci bombardovali elektrony a sledovali, jak se odrážejí jako kulečníkové koule.
U urychlovače částic SLAC se to fyzikům podařilo poprvéurychlit elektrony dostatečně silně, aby změnily výsledky pozorování. Elektrony v procesu hluboce nepružného rozptylu narazily na proton dostatečně silně, aby ho rozbily a odrazily se od bodových fragmentů protonu nazývaných kvarky.
Autoři tohoto objevu, který byl prvnídůkaz existence kvarků, získal v roce 1990 Nobelovu cenu za fyziku. A vědci z celého světa od té doby provedli stovky experimentů s rozptylem. Vyvozují závěry o různých aspektech vnitřku objektu úpravou síly bombardování a výběrem, které rozptýlené částice budou jako výsledek experimentu studovat.
Použití vysokoenergetických elektronů, fyzicidokáže detekovat jemnější detaily protonu. Energie elektronu tedy nastavuje maximální rozlišení experimentu hlubokého nepružného rozptylu. Čím výkonnější srážeče, tím úplnější obrázek o složení protonu poskytují.
Také srážeče s vyšší energiívytvářet širší rozsah výsledků kolizí, což umožňuje výzkumníkům vybrat různé podmnožiny pro analýzu. Tato flexibilita se ukázala být klíčem k pochopení kvarků, které se pohybují uvnitř protonu s různou hybností.
Měřením energie a trajektorie každého rozptýlenéhoelektronu, vědci mohou říct, od kterého kvarku se odrazila. Statistická analýza mnoha opakovaných experimentů, jako je sčítání lidu, "říká" výzkumníkům, jak je rozložena hybnost protonu nebo z jakého druhu kvarků se skládá.
Více než jen tři kvarky
První experimenty na urychlovači SLACpotvrdili teorii o složení protonu ze tří kvarků vyvinutou dříve Murray Gell-Mannem a Georgem Zweigem. Elektrony se po srážce rozletěly tak, jako by se rozbily na tři samostatné částice, z nichž každá nese třetinu hybnosti protonu.
Popisuje kvarkový model Gell-Manna a Zweigaproton jako částice sestávající ze dvou kvarků „up“ s elektrickým nábojem každého +2/3 a jednoho kvarku „down“ s nábojem -1/3, což udává celkový náboj protonu +1.
Ale kvarkový model je přílišné zjednodušení,má vážné nedostatky. Nefunguje například při rotaci (zpět) proton, kvantová vlastnost podobná momentu hybnosti. Tato subatomární částice má spin ½, stejně jako každý z jejích up a down kvarků.
Zpočátku fyzici předpokládali, že vVe výpočtech opakujících jednoduchou aritmetiku náboje by se polovina jednotek dvou up kvarků mínus zlomek down kvarku měla rovnat polovině jednotky protonu jako celku. Ale v roce 1988 European Muon Collaboration vypočítal, že součet spinů kvarků je mnohem méně než polovina.
Podobně studie ukázaly, že masdva up kvarky a jeden down kvark tvoří pouze asi 1 % celkové hmotnosti protonů. To znamenalo, že se v ní musí skrývat něco jiného – další elementární částice, které by vysvětlovaly vlastnosti této subatomární částice.
Zjednodušený model protonové struktury. Animace: Brookhaven National Laboratory
Mnoho kvarků a antikvarků v jedné částici
HERA Particle Accelerator v němčiněvýzkumné centrum DESY v Hamburku v letech 1992 až 2007 studovalo srážku elektronů a protonů o síle asi tisíckrát vyšší, než jaké bylo dosaženo v SLAC. Přestože byl experiment dokončen před více než 10 lety, fyzici pokračují v analýze shromážděných dat.
V experimentech HERA byli fyzici schopni studovatelektrony, které se odrazily od kvarků s extrémně nízkou hybností, včetně těch, které nesou pouze 0,005 % celkové hybnosti protonu. Pozorování potvrdila, že složení protonu bylo mnohem složitější než kvarkový model Gell-Manna a Zweiga: elektrony se odrážely od „víru“ kvarků s nízkou hybností a jejich antihmotových protějšků, antikvarků.
Složitá struktura mnoha kvarků a antikvarků. Animace: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Výsledky potvrdily složitost a výstřednostteorie kvantové chromodynamiky. Toto je kvantová teorie silné síly, která váže kvarky. Tento model dává kvarkům novou vlastnost, běžně nazývanou „barva“, a zavádí nové částice, gluony, které přenášejí silnou sílu mezi kvarky.
Každý kvark a každý gluon má jeden ze třítypy „barevných“ nábojů, označené jako červená, zelená a modrá. Tyto barevně nabité částice se přirozeně přitahují a tvoří skupinu – jako proton – jejíž barvy tvoří neutrální bílou.
Podle teorie kvantové chromodynamiky gluonydokáže vycítit chvilkové výbuchy energie. S touto energií se tyto částice rozpadají na kvark a antikvark, z nichž každá nese jen malou hybnost, než dvojice anihiluje a zmizí. Právě toto „moře“ přechodových gluonů, kvarků a antikvarků bylo objeveno citlivými detektory HERA.
Vizualizace protonů. Animace: MIT
Okouzlující nový vzhled
Extrémní srážky s vysokou energiíukazují obrovskou rozmanitost kvarků, aniquerků a gluonů, na které se protony rozpadají. Srážky s nižší energií odhalí pouze tři valenční kvarky, které určují kvantové číslo elementární částice. Nový výzkum ale ukazuje, že někdy proton funguje jako struktura složená z pěti kvarků.
Výzkumný tým vedený Juanem Rojoz National Institute of Subatomic Physics v Nizozemsku a University of Amsterdam, VU analyzovala více než 5 000 snímků protonů pořízených za posledních 50 let pomocí strojového učení k určení pohybu kvarků a gluonů uvnitř protonu.
Nová kontrola zjistila rozostření pozadíobrázky, které předchozím výzkumníkům unikaly. Při relativně mírných srážkách, které sotva rozbily proton, byla většina hybnosti obsažena v obvyklých třech kvarcích: dvou up kvarcích a jednom down kvarku. Studie však ukázala, že malé množství hybnosti pocházelo z magického kvarku a magického antikvaru. Jedná se o velké elementární částice, z nichž každá je o více než jednu třetinu těžší než celý proton.
Studie ukázala, že i když na vysokéZatímco gluony se mohou při energetických srážkách rozdělit na kterýkoli ze šesti různých typů kvarků, pokud mají dostatek energie, šarmové kvarky a antikvarky se tvoří mnohem častěji, takže jsou patrné i při relativně mírných srážkách.
V těchto srážkách se proton jeví jakokvantová směs nebo superpozice několika stavů: elektron se obvykle srazí se třemi lehkými kvarky. Ale tu a tam narazí na vzácnější "molekulu" pěti kvarků, jako je up, down a charm kvark seskupený na jedné straně a up kvark a magic antikvark na straně druhé.
Tyto výsledky nejsou pouze teoretickévýznam. Dostatečné množství energie může vzniknout například při srážce protonů z kosmického záření s elementárními částicemi v atomech zemské atmosféry. Během takových srážek se protony mohou rozpadnout na magické kvarky a „vysypat“ se na Zemi ve formě vysokoenergetických neutrin. To by mohlo zmást pozorovatele, kteří tyto částice používají ke studiu vzdáleného vesmíru.
Sto let po objevu protonů, fyzikapokračovat ve studiu vnitřní struktury těchto elementárních částic. Další generace experimentů bude hledat ještě neznámější funkce. Například fyzici z Brookhaven National Laboratory v USA plánují ve 30. letech 20. století spustit srážeč elektronů a iontů a navázat tam, kde HERA skončil. Budou pořizovat snímky s vyšším rozlišením, které umožní první 3D rekonstrukce protonu
To by mělo výzkumníkům definitivně pomociurčit původ rotace protonu a odpovědět na další zásadní otázky o záhadné částici, která tvoří většinu okolní běžné (baryonové) hmoty.
Přečtěte si více:
Speciální dieta spouští u myší sebedestrukci rakovinných buněk mozku
Vědci rozluštili záhadný Ptolemaiův rukopis. Bylo to skryté pod jiným textem
Nový snímek Hubblea zmátl vědce
Na obálce: umělecká ilustrace mnoha kvarků, antikvarků a gluonů uvnitř jediného protonu. Obrázek: D. Dominguez, CERN