Navnet atom kommer fra det oldgræske ord "ἄτομος", som oversættes som udeleligt. På
Protonen er en af tre sådanne stabile subatomarepartikler (de to andre er elektroner og neutroner), som er atomernes byggesten. Dette navn (fra det antikke græske "πρῶτος" - først) blev foreslået af Ernest Rutherford i 1920. I en række eksperimenter viste en britisk fysiker, at "brintkernen" (det letteste kemiske grundstof) kunne udvindes fra nitrogen ved at kollidere med en alfapartikel (kernen af et heliumatom).
Mere end et århundrede efter Rutherfordopdagede den positivt ladede partikel i hjertet af hvert atom, forsøger fysikere stadig at forstå, hvad en proton er. Skolelærere beskriver dem normalt som karakterløse bolde med én enhed positiv elektrisk ladning. På et mere komplekst niveau er disse partikler repræsenteret som en stråle af tre indbyrdes forbundne kvarker: to op og en ned.
Men selv denne model er en stærk forenkling.Årtiers forskning har afsløret og fortsætter med at udforske et dybere billede, der er for bizart til at blive fuldt ud formidlet i ord eller billeder.
Kunstnerisk illustration af skiftende ideer om protonens sammensætning. Billede: Brookhaven National Laboratory
Hvordan man skiller en proton fra hinanden og studerer dens sammensætning
Bevis på, at en proton indeholdermange partikler, blev først opnået på SLAC National Accelerator Laboratory i Stanford i slutningen af 60'erne af forrige århundrede. I tidligere eksperimenter bombarderede forskere dem med elektroner og så dem rikochere som billardkugler.
Ved SLAC-partikelacceleratoren lykkedes det for fysikere for første gangaccelerer elektronerne kraftigt nok til at ændre resultaterne af observationer. Elektronerne, der var i færd med dybt uelastisk spredning, ramte protonen hårdt nok til at bryde den og prellede af punktlignende fragmenter af protonen kaldet kvarker.
Forfatterne til denne opdagelse, som var den førstebevis på eksistensen af kvarker, vandt 1990 Nobelprisen i fysik. Og videnskabsmænd over hele verden har siden udført hundredvis af spredningsforsøg. De drager konklusioner om forskellige aspekter af objektets indre ved at justere styrken af bombardementet og vælge, hvilke spredte partikler de studerer som et resultat af eksperimentet.
Ved hjælp af højenergielektroner, fysikerekan detektere finere detaljer af protonen. Således sætter elektronenergien den maksimale opløsning af det dybe uelastiske spredningseksperiment. Jo kraftigere kollidere, jo mere fuldstændigt billede giver de om protonens sammensætning.
Højere energi kolliderer ogsåproducere en bredere vifte af kollisionsresultater, hvilket giver forskere mulighed for at vælge forskellige delmængder til analyse. Denne fleksibilitet viste sig at være nøglen til at forstå kvarker, som bevæger sig rundt inde i protonen med forskelligt momentum.
Ved at måle energien og banen for hver spredtelektron, kan forskere fortælle, hvilken kvark den prellede af. Statistisk analyse af mange gentagne eksperimenter, som en folketælling, "fortæller" forskerne, hvordan en protons momentum er fordelt, eller hvilken slags kvarker den består af.
Mere end blot tre kvarker
Første eksperimenter ved SLAC-kolliderenbekræftede teorien udviklet tidligere af Murray Gell-Mann og George Zweig om sammensætningen af protonen fra tre kvarker. Elektronerne efter kollisionen fløj fra hinanden på en sådan måde, som om de styrtede ind i tre separate partikler, som hver bærer en tredjedel af protonens momentum.
Quark-modellen af Gell-Mann og Zweig beskriverproton som en partikel bestående af to "op"-kvarker med en elektrisk ladning på +2/3 hver og en "ned"-kvark med en ladning på -1/3, hvilket giver protonens samlede ladning +1.
Men kvarkmodellen er en overforenkling,har alvorlige mangler. Det virker for eksempel ikke, når det kommer til rotation (tilbage) proton, en kvanteegenskab svarende til vinkelmomentum. Denne subatomare partikel har et spin på ½, ligesom hver af dens op- og ned-kvarker.
Oprindeligt antog fysikere, at iI beregninger, der gentager simpel ladningsaritmetik, skal halvdelen af enhederne af de to op-kvarker minus brøkdelen af ned-kvarken svare til halvdelen af protonens enhed som helhed. Men i 1988 beregnede European Muon Collaboration, at kvarkspindene summer til meget mindre end det halve.
Tilsvarende har undersøgelser vist, at masserto up-quarks og en down-quark udgør kun omkring 1% af den samlede protonmasse. Det betød, at der måtte være noget andet gemt inde i det - andre elementarpartikler, der ville forklare egenskaberne ved denne subatomære partikel.
Forenklet model af protonstrukturen. Animation: Brookhaven National Laboratory
Mange kvarker og antikvarker i en partikel
HERA partikelaccelerator på tyskforskningscenter DESY i Hamborg fra 1992 til 2007 undersøgte kollisionen af elektroner og protoner med en kraft omkring tusind gange højere end den, der blev opnået ved SLAC. Selvom eksperimentet blev afsluttet for over 10 år siden, fortsætter fysikere med at analysere de indsamlede data.
I HERA-eksperimenterne var fysikere i stand til at studereelektroner prellede af kvarker med ekstremt lavt momentum, inklusive dem, der kun bærer 0,005% af protonens samlede momentum. Resultaterne af observationen bekræftede, at sammensætningen af protonen er meget mere kompliceret end kvarkmodellen af Gell-Mann og Zweig: elektroner hoppede af "hvirvelstrømmen" af kvarker med lavt momentum og deres antistof-modstykker, antikvarker.
En kompleks struktur af mange kvarker og antikvarker. Animation: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Resultaterne bekræftede det komplekse og besynderligeteori om kvantekromodynamik. Dette er kvanteteorien om den stærke kraft, der binder kvarker. Denne model giver kvarker en ny egenskab, foreløbigt kaldet "farve", og introducerer nye partikler, gluoner, som bærer den stærke interaktion mellem kvarker.
Hver kvark og hver gluon har en af tretyper af "farve" afgifter, betegnet rød, grøn og blå. Disse farveladede partikler tiltrækker naturligt hinanden og danner en gruppe – som en proton – hvis farver lægger op til neutral hvid.
Ifølge teorien om kvantekromodynamik, gluonerkan opfange øjeblikkelige energiudbrud. Med denne energi henfalder disse partikler til en kvark og en antikvark, der hver kun bærer en lille mængde momentum, før parret tilintetgøres og forsvinder. Det er dette "hav" af overgangsgluoner, kvarker og antikvarker, der blev opdaget af HERAs følsomme detektorer.
Protonvisualisering. Animation: MIT
Charmerende nyt look
Højenergi ekstreme kollisionerviser et stort udvalg af kvarker, anikirker og gluoner, hvori protoner henfalder. Kollisioner med mindre energi viser kun tre valenskvarker, som bestemmer kvantetallet for en elementarpartikel. Men en ny undersøgelse viser, at protonen nogle gange fungerer som en struktur, der består af fem kvarker.
Forskerhold ledet af Juan Rojofra National Institute for Subatomic Physics i Holland og VU University of Amsterdam analyseret mere end 5.000 billeder af protoner taget i løbet af de sidste 50 år, ved hjælp af maskinlæring til at bestemme bevægelsen af kvarker og gluoner inde i en proton.
Ny check fundet baggrundsslør påbilleder, der havde undgået tidligere forskere. I relativt milde kollisioner, der knap rev en proton fra hinanden, var det meste af momentum i de sædvanlige tre kvarker: to op og en ned. Men en lille mængde momentum, undersøgelser har vist, kom fra "charme"-kvarken og den charmerede antikvark. Disse er store elementarpartikler, som hver især er mere end en tredjedel tungere end hele protonen.
Undersøgelsen viste, at selvom på højVed energiske kollisioner kan gluoner opdeles i en hvilken som helst af seks forskellige typer kvarker, hvis de har nok energi, charmerede kvarker og antikvarker dannes meget hyppigere, hvilket gør dem mærkbare selv ved relativt milde kollisioner.
I disse kollisioner fremstår protonen somkvanteblanding eller superposition af flere tilstande: en elektron kolliderer normalt med tre lette kvarker. Men fra tid til anden vil han støde på et sjældnere "molekyle" af fem kvarker, såsom en op-, ned- og charme-kvark samlet på den ene side og en op-kvark og en charmeret antikvark på den anden.
Disse resultater er ikke kun teoretiskebetyder. For eksempel kan en tilstrækkelig mængde energi genereres ved kollision af kosmiske strålingsprotoner med elementarpartikler i sammensætningen af atomerne i jordens atmosfære. I processen med sådanne kollisioner kan protoner henfalde til charmerede kvarker og "spilde" til Jorden i form af højenergiske neutrinoer. Dette kan forvirre observatører, der bruger disse partikler til at studere det fjerne univers.
Hundrede år efter opdagelsen af protonfysikkenfortsætte med at studere den indre struktur af disse elementarpartikler. Næste generations eksperimenter vil lede efter endnu flere ukendte funktioner. For eksempel planlægger fysikere ved Brookhaven National Laboratory i USA at lancere elektron-ion-kollideren i 2030'erne og fortsætte, hvor HERA slap. De vil tage billeder i højere opløsning, som vil muliggøre de første 3D-rekonstruktioner af protonen.
Dette burde hjælpe forskerne definitivtbestemme oprindelsen af protonens rotation og besvare andre grundlæggende spørgsmål om den obskure partikel, der udgør det meste af det omgivende almindelige (baryoniske) stof.
Læs mere:
Særlig diæt udløser selvdestruktion af hjernekræftceller hos mus
Forskere har dechifreret Ptolemæus' mystiske manuskript. Det var skjult under anden tekst
Nyt billede af Hubble forundrede videnskabsmænd
På omslaget: en kunstnerisk illustration af de mange kvarker, antikvarker og gluoner inde i en enkelt proton. Billede: D. Dominguez, CERN