Der Name Atom kommt vom altgriechischen Wort „ἄτομος“, was übersetzt „unteilbar“ bedeutet. An
Das Proton ist eines von drei solchen stabilen subatomarenTeilchen (die anderen beiden sind Elektronen und Neutronen), die die Bausteine der Atome sind. Dieser Name (vom altgriechischen „πρῶτος“ – zuerst) wurde 1920 von Ernest Rutherford vorgeschlagen. Ein britischer Physiker zeigte in einer Reihe von Experimenten, dass der „Wasserstoffkern“ (das leichteste chemische Element) durch Kollision mit einem Alphateilchen (dem Kern eines Heliumatoms) aus Stickstoff herausgelöst werden kann.
Mehr als ein Jahrhundert nach RutherfordObwohl die Physiker das positiv geladene Teilchen im Herzen jedes Atoms entdeckten, versuchen sie immer noch zu verstehen, was ein Proton ist. Schullehrer beschreiben sie normalerweise als konturlose Kugeln mit einer Einheit positiver elektrischer Ladung. Auf einer komplexeren Ebene werden diese Teilchen als Strahl aus drei miteinander verbundenen Quarks dargestellt: zwei nach oben und eines nach unten.
Aber auch dieses Modell ist eine starke Vereinfachung.Jahrzehnte der Forschung haben ein tieferes Bild aufgedeckt und erforschen es weiter, das zu bizarr ist, um es vollständig in Worten oder Bildern zu vermitteln.
Künstlerische Darstellung wechselnder Vorstellungen über die Zusammensetzung des Protons. Bild: Brookhaven National Laboratory
Wie man ein Proton zerlegt und seine Zusammensetzung untersucht
Beweis, dass ein Proton enthältViele Teilchen wurden erstmals in den späten 60er Jahren des letzten Jahrhunderts am SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford gewonnen. In früheren Experimenten bombardierten Forscher sie mit Elektronen und beobachteten, wie sie wie Billardkugeln abprallten.
Am Teilchenbeschleuniger SLAC gelang den Physikern erstmals ein ErfolgBeschleunigen Sie die Elektronen stark genug, um die Ergebnisse der Beobachtungen zu verändern. Die Elektronen treffen im Prozess der tiefen inelastischen Streuung hart genug auf das Proton, um es zu zerbrechen, und prallen von Punktfragmenten des Protons, sogenannten Quarks, ab.
Die Autoren dieser Entdeckung, die die erste warBeweis für die Existenz von Quarks, gewann 1990 den Nobelpreis für Physik. Und Wissenschaftler auf der ganzen Welt haben seitdem Hunderte von Streuexperimenten durchgeführt. Sie ziehen Rückschlüsse auf verschiedene Aspekte des Inneren des Objekts, indem sie die Stärke des Beschusses anpassen und auswählen, welche verstreuten Partikel sie als Ergebnis des Experiments untersuchen.
Mit hochenergetischen Elektronen, Physikerkann feinere Details des Protons erkennen. Somit bestimmt die Elektronenenergie die maximale Auflösung des Experiments zur tiefinelastischen Streuung. Je leistungsfähiger Collider sind, desto vollständiger geben sie ein Bild über die Zusammensetzung des Protons.
Auch Collider mit höherer Energieeine breitere Palette von Kollisionsergebnissen erzeugen, sodass Forscher verschiedene Teilmengen für die Analyse auswählen können. Diese Flexibilität erwies sich als Schlüssel zum Verständnis von Quarks, die sich im Inneren des Protons mit unterschiedlichem Impuls bewegen.
Durch Messen der Energie und Flugbahn jeder StreuungElektron, können Forscher sagen, von welchem Quark es abprallt. Die statistische Analyse vieler wiederholter Experimente, wie eine Volkszählung, „sagt“ den Forschern, wie der Impuls eines Protons verteilt ist oder aus welcher Art von Quarks es besteht.
Mehr als nur drei Quarks
Erste Experimente am SLAC Colliderbestätigte die früher von Murray Gell-Mann und George Zweig entwickelte Theorie über den Aufbau des Protons aus drei Quarks. Die Elektronen flogen nach der Kollision so auseinander, als ob sie in drei getrennte Teilchen prallten, von denen jedes ein Drittel des Impulses des Protons trägt.
Das Quarkmodell von Gell-Mann und Zweig beschreibtProton als Teilchen bestehend aus zwei „Up“-Quarks mit einer elektrischen Ladung von jeweils +2/3 und einem „Down“-Quark mit einer Ladung von -1/3, was die Gesamtladung des Protons +1 ergibt.
Aber das Quark-Modell ist eine zu starke Vereinfachung,weist gravierende Mängel auf. Es funktioniert beispielsweise nicht, wenn es um die Drehung (zurück) geht. Proton, eine dem Drehimpuls ähnliche Quanteneigenschaft. Dieses subatomare Teilchen hat einen Spin von ½, ebenso wie jedes seiner Up- und Down-Quarks.
Zunächst gingen die Physiker davon ausBei Berechnungen, die einfache Ladungsarithmetik wiederholen, sollte die Hälfte der Einheiten der beiden Up-Quarks minus dem Anteil des Down-Quarks der Hälfte der Einheit des Protons als Ganzes entsprechen. Doch 1988 berechnete die European Muon Collaboration, dass sich die Spins der Quarks auf deutlich weniger als die Hälfte summieren.
Ebenso haben Studien gezeigt, dass MassenZwei Up-Quarks und ein Down-Quark machen nur etwa 1% der gesamten Protonenmasse aus. Das bedeutete, dass sich darin etwas anderes verbergen musste – andere Elementarteilchen, die die Eigenschaften dieses subatomaren Teilchens erklären würden.
Vereinfachtes Modell der Protonenstruktur. Animation: Brookhaven National Laboratory
Viele Quarks und Antiquarks in einem Teilchen
HERA Teilchenbeschleuniger auf DeutschDas Forschungszentrum DESY in Hamburg untersuchte von 1992 bis 2007 den Zusammenstoß von Elektronen und Protonen mit einer etwa tausendmal höheren Kraft als am SLAC. Obwohl das Experiment vor über 10 Jahren abgeschlossen wurde, analysieren Physiker weiterhin die gesammelten Daten.
In den HERA-Experimenten konnten Physiker studierenElektronen prallten von Quarks mit extrem niedrigem Impuls ab, darunter solche, die nur 0,005 % des Gesamtimpulses des Protons trugen. Die Ergebnisse der Beobachtung bestätigten, dass die Zusammensetzung des Protons viel komplizierter ist als das Quark-Modell von Gell-Mann und Zweig: Elektronen prallten vom „Whirlpool“ von Quarks mit niedrigem Impuls und ihren Anti-Materie-Gegenstücken, Antiquarks, ab.
Eine komplexe Struktur aus vielen Quarks und Antiquarks. Animation: MIT/Jefferson Lab/Sputnik-Animation
Die Ergebnisse bestätigten das Komplexe und AusgefalleneTheorie der Quantenchromodynamik. Das ist die Quantentheorie der starken Kraft, die Quarks bindet. Dieses Modell stattet Quarks mit einer neuen Eigenschaft aus, die vorläufig „Farbe“ genannt wird, und führt neue Teilchen ein, Gluonen, die die starke Wechselwirkung zwischen Quarks tragen.
Jedes Quark und jedes Gluon hat eines von dreiArten von „Farb“-Ladungen, bezeichnet als Rot, Grün und Blau. Diese farbgeladenen Teilchen ziehen sich auf natürliche Weise gegenseitig an und bilden – wie ein Proton – eine Gruppe, deren Farben sich zu neutralem Weiß addieren.
Nach der Theorie der Quantenchromodynamik sind Gluonenkann sofortige Energieschübe aufnehmen. Mit dieser Energie zerfallen diese Teilchen in ein Quark und ein Antiquark, die jeweils nur einen geringen Impuls tragen, bevor das Paar vernichtet und verschwindet. Dieses „Meer“ von Übergangsgluonen, Quarks und Antiquarks wurde von den empfindlichen Detektoren von HERA entdeckt.
Protonen-Visualisierung. Animation: MIT
Charmanter neuer Look
Hochenergetische extreme Kollisionenzeigen eine große Vielfalt an Quarks, Anikirks und Gluonen, in die Protonen zerfallen. Kollisionen mit geringerer Energie zeigen nur drei Valenzquarks, die die Quantenzahl eines Elementarteilchens bestimmen. Aber eine neue Studie zeigt, dass das Proton manchmal als eine Struktur aus fünf Quarks fungiert.
Forschungsteam unter der Leitung von Juan Rojovom National Institute for Subatomic Physics in den Niederlanden und der VU University of Amsterdam analysierten mehr als 5.000 Bilder von Protonen, die in den letzten 50 Jahren aufgenommen wurden, und nutzten maschinelles Lernen, um die Bewegung von Quarks und Gluonen innerhalb eines Protons zu bestimmen.
Neue Prüfung hat Hintergrundunschärfe gefundenBilder, die früheren Forschern entgangen waren. Bei relativ milden Kollisionen, bei denen ein Proton kaum zerrissen wurde, lag der größte Teil des Impulses in den üblichen drei Quarks: zwei nach oben und eines nach unten. Studien haben jedoch gezeigt, dass ein kleiner Impuls vom „Charm“-Quark und vom Charmed-Antiquark ausging. Das sind große Elementarteilchen, die jeweils um mehr als ein Drittel schwerer sind als das gesamte Proton.
Die Studie zeigte, dass zwar hochBei energetischen Stößen können sich Gluonen bei ausreichender Energie in sechs verschiedene Quarksorten aufspalten, Charmed-Quarks und Antiquarks bilden sich viel häufiger und machen sich schon bei relativ milden Stößen bemerkbar.
Bei diesen Kollisionen erscheint das Proton alsQuantenmischung oder Überlagerung mehrerer Zustände: Ein Elektron kollidiert normalerweise mit drei leichten Quarks. Aber von Zeit zu Zeit wird er auf ein selteneres „Molekül“ aus fünf Quarks stoßen, wie zum Beispiel ein Up-, Down- und Charm-Quark, das auf der einen Seite gehäuft ist, und ein Up-Quark und ein Charmed-Antiquark auf der anderen Seite.
Diese Ergebnisse sind nicht nur theoretischBedeutung. Beispielsweise kann durch die Kollision von Protonen der kosmischen Strahlung mit Elementarteilchen in der Zusammensetzung der Atome der Erdatmosphäre eine ausreichende Energiemenge erzeugt werden. Bei solchen Kollisionen können Protonen in verzauberte Quarks zerfallen und in Form von hochenergetischen Neutrinos auf die Erde „schwappen“. Dies kann Beobachter verwirren, die diese Teilchen verwenden, um das ferne Universum zu studieren.
Hundert Jahre nach der Entdeckung der Protonenphysikweiterhin die innere Struktur dieser Elementarteilchen untersuchen. Experimente der nächsten Generation werden nach noch mehr unbekannten Merkmalen suchen. Beispielsweise planen Physiker des Brookhaven National Laboratory in den USA, den Elektron-Ionen-Collider in den 2030er Jahren zu starten und dort weiterzumachen, wo HERA aufgehört hat. Sie werden Bilder mit höherer Auflösung aufnehmen, die erste 3D-Rekonstruktionen des Protons ermöglichen.
Das soll den Forschern definitiv helfenden Ursprung der Rotation des Protons bestimmen und andere grundlegende Fragen zu dem obskuren Teilchen beantworten, das den größten Teil der umgebenden gewöhnlichen (baryonischen) Materie ausmacht.
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Auf dem Cover: eine künstlerische Illustration der vielen Quarks, Antiquarks und Gluonen in einem einzigen Proton. Bild: D. Dominguez, CERN