Το όνομα άτομο προέρχεται από την αρχαία ελληνική λέξη «ἄτομος», που μεταφράζεται ως αδιαίρετο. Επί
Το πρωτόνιο είναι ένα από τα τρία τέτοια σταθερά υποατομικάσωματίδια (τα άλλα δύο είναι ηλεκτρόνια και νετρόνια), τα οποία είναι τα δομικά στοιχεία των ατόμων. Αυτό το όνομα (από το αρχαίο ελληνικό «πρῶτος» - πρώτα) προτάθηκε από τον Ernest Rutherford το 1920. Σε μια σειρά πειραμάτων, ένας Βρετανός φυσικός έδειξε ότι ο «πυρήνας του υδρογόνου» (το ελαφρύτερο χημικό στοιχείο) μπορούσε να εξαχθεί από το άζωτο με σύγκρουση με ένα σωματίδιο άλφα (τον πυρήνα ενός ατόμου ηλίου).
Πάνω από έναν αιώνα μετά τον Ράδερφορντανακάλυψαν το θετικά φορτισμένο σωματίδιο στην καρδιά κάθε ατόμου, οι φυσικοί εξακολουθούν να προσπαθούν να καταλάβουν τι είναι ένα πρωτόνιο. Οι δάσκαλοι του σχολείου τα περιγράφουν συνήθως ως άχαρες μπάλες με μία μονάδα θετικού ηλεκτρικού φορτίου. Σε πιο πολύπλοκο επίπεδο, αυτά τα σωματίδια αναπαρίστανται ως μια δέσμη τριών διασυνδεδεμένων κουάρκ: δύο προς τα πάνω και ένα προς τα κάτω.
Αλλά ακόμη και αυτό το μοντέλο είναι μια ισχυρή απλοποίηση.Δεκαετίες έρευνας έχουν αποκαλύψει και συνεχίζουν να διερευνούν μια βαθύτερη εικόνα που είναι πολύ παράξενη για να μεταφερθεί πλήρως με λέξεις ή εικόνες.
Καλλιτεχνική απεικόνιση των μεταβαλλόμενων ιδεών για τη σύνθεση του πρωτονίου. Εικόνα: Brookhaven National Laboratory
Πώς να διασπάσετε ένα πρωτόνιο και να μελετήσετε τη σύνθεσή του
Απόδειξη ότι ένα πρωτόνιο περιέχειπολλά σωματίδια, ελήφθη για πρώτη φορά στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC στο Στάνφορντ στα τέλη της δεκαετίας του '60 του περασμένου αιώνα. Σε προηγούμενα πειράματα, οι ερευνητές τα βομβάρδισαν με ηλεκτρόνια και τα παρακολούθησαν να κάνουν ριτσοκέτες σαν μπάλες του μπιλιάρδου.
Στον επιταχυντή σωματιδίων SLAC, οι φυσικοί τα κατάφεραν για πρώτη φοράεπιταχύνουν τα ηλεκτρόνια αρκετά δυνατά ώστε να αλλάξουν τα αποτελέσματα των παρατηρήσεων. Τα ηλεκτρόνια, στη διαδικασία της βαθιάς ανελαστικής σκέδασης, χτύπησαν το πρωτόνιο αρκετά δυνατά για να το σπάσουν και αναπήδησαν από σημειακά θραύσματα του πρωτονίου που ονομάζονται κουάρκ.
Οι συγγραφείς αυτής της ανακάλυψης, που ήταν η πρώτηαπόδειξη της ύπαρξης κουάρκ, κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής το 1990. Και οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο έχουν από τότε πραγματοποιήσει εκατοντάδες πειράματα διασποράς. Εξάγουν συμπεράσματα για διάφορες πτυχές του εσωτερικού του αντικειμένου προσαρμόζοντας την ισχύ του βομβαρδισμού και επιλέγοντας ποια διάσπαρτα σωματίδια μελετούν ως αποτέλεσμα του πειράματος.
Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας, φυσικοίμπορεί να ανιχνεύσει λεπτότερες λεπτομέρειες του πρωτονίου. Έτσι, η ενέργεια των ηλεκτρονίων θέτει τη μέγιστη ανάλυση του πειράματος βαθιάς ανελαστικής σκέδασης. Όσο πιο ισχυροί επιταχυντές, τόσο πιο ολοκληρωμένη εικόνα δίνουν για τη σύνθεση του πρωτονίου.
Επιταχυντές υψηλότερης ενέργειας επίσηςπαράγουν ένα ευρύτερο φάσμα αποτελεσμάτων σύγκρουσης, επιτρέποντας στους ερευνητές να επιλέξουν διαφορετικά υποσύνολα για ανάλυση. Αυτή η ευελιξία αποδείχθηκε ότι ήταν το κλειδί για την κατανόηση των κουάρκ, τα οποία κινούνται μέσα στο πρωτόνιο με διαφορετικές ποσότητες ορμής.
Με τη μέτρηση της ενέργειας και της τροχιάς κάθε διάσπαρτουηλεκτρόνιο, οι ερευνητές μπορούν να πουν από ποιο κουάρκ αναπήδησε. Η στατιστική ανάλυση πολλών επαναλαμβανόμενων πειραμάτων, όπως μια απογραφή πληθυσμού, «λέει» στους ερευνητές πώς κατανέμεται η ορμή ενός πρωτονίου ή από τι είδους κουάρκ αποτελείται.
Περισσότερα από τρία κουάρκ
Πρώτα πειράματα στον επιταχυντή SLACεπιβεβαίωσε τη θεωρία που αναπτύχθηκε νωρίτερα από τους Murray Gell-Mann και George Zweig σχετικά με τη σύνθεση του πρωτονίου από τρία κουάρκ. Τα ηλεκτρόνια μετά τη σύγκρουση απομακρύνθηκαν με τέτοιο τρόπο σαν να συνέτριψαν σε τρία ξεχωριστά σωματίδια, καθένα από τα οποία φέρει το ένα τρίτο της ορμής του πρωτονίου.
Το μοντέλο κουάρκ των Gell-Mann και Zweig περιγράφειπρωτόνιο ως σωματίδιο που αποτελείται από δύο «επάνω» κουάρκ με ηλεκτρικό φορτίο +2/3 το καθένα και ένα «κάτω» κουάρκ με φορτίο -1/3, που δίνει το συνολικό φορτίο του πρωτονίου +1.
Αλλά το μοντέλο κουάρκ είναι μια υπεραπλούστευση,έχει σοβαρές ελλείψεις. Για παράδειγμα, δεν λειτουργεί όταν πρόκειται για περιστροφή (πίσω) πρωτόνιο, μια κβαντική ιδιότητα παρόμοια με τη γωνιακή ορμή. Αυτό το υποατομικό σωματίδιο έχει σπιν ½, όπως και καθένα από τα άνω και κάτω κουάρκ του.
Αρχικά, οι φυσικοί υπέθεσαν ότι σεΣε υπολογισμούς που επαναλαμβάνουν την απλή αριθμητική φόρτιση, οι μισές μονάδες των δύο άνω κουάρκ μείον το κλάσμα του κάτω κουάρκ θα πρέπει να ισούται με τη μισή μονάδα του πρωτονίου ως σύνολο. Αλλά το 1988, η European Muon Collaboration υπολόγισε ότι οι περιστροφές των κουάρκ αθροίζονται σε πολύ λιγότερο από το μισό.
Ομοίως, μελέτες έχουν δείξει ότι οι μάζεςδύο up quark και ένα down quark αποτελούν μόνο περίπου το 1% της συνολικής μάζας πρωτονίων. Αυτό σήμαινε ότι κάτι άλλο πρέπει να κρύβεται μέσα του - άλλα στοιχειώδη σωματίδια που θα εξηγούσαν τις ιδιότητες αυτού του υποατομικού σωματιδίου.
Απλοποιημένο μοντέλο δομής πρωτονίων. Κινούμενα σχέδια: Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven
Πολλά κουάρκ και αντικουάρκ σε ένα σωματίδιο
Επιταχυντής σωματιδίων HERA στα γερμανικάΤο ερευνητικό κέντρο DESY στο Αμβούργο από το 1992 έως το 2007 μελέτησε τη σύγκρουση ηλεκτρονίων και πρωτονίων με δύναμη περίπου χίλιες φορές μεγαλύτερη από αυτή που επιτεύχθηκε στο SLAC. Αν και το πείραμα ολοκληρώθηκε πριν από περισσότερα από 10 χρόνια, οι φυσικοί συνεχίζουν να αναλύουν τα δεδομένα που συλλέχθηκαν.
Στα πειράματα HERA, οι φυσικοί μπόρεσαν να μελετήσουνΤα ηλεκτρόνια αναπήδησαν από κουάρκ εξαιρετικά χαμηλής ορμής, συμπεριλαμβανομένων αυτών που έφεραν μόνο το 0,005% της συνολικής ορμής του πρωτονίου. Τα αποτελέσματα της παρατήρησης επιβεβαίωσαν ότι η σύνθεση του πρωτονίου είναι πολύ πιο περίπλοκη από το μοντέλο κουάρκ των Gell-Mann και Zweig: ηλεκτρόνια αναπήδησαν από τη «δίνη» των κουάρκ χαμηλής ορμής και των αντίστοιχων αντιύλης τους, των αντικουάρκ.
Μια πολύπλοκη δομή πολλών κουάρκ και αντικουάρκ. Κινούμενα σχέδια: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν το περίπλοκο και παράξενοθεωρία της κβαντικής χρωμοδυναμικής. Αυτή είναι η κβαντική θεωρία της ισχυρής δύναμης που δεσμεύει τα κουάρκ. Αυτό το μοντέλο προικίζει στα κουάρκ μια νέα ιδιότητα, που προσωρινά ονομάζεται "χρώμα", και εισάγει νέα σωματίδια, τα γκλουόνια, τα οποία φέρουν την ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ.
Κάθε κουάρκ και κάθε γκλουόνιο έχει ένα από τα τρίατύπους χρεώσεων "χρώμα", που χαρακτηρίζονται κόκκινο, πράσινο και μπλε. Αυτά τα χρωματικά φορτισμένα σωματίδια ελκύουν φυσικά το ένα το άλλο και σχηματίζουν μια ομάδα—σαν ένα πρωτόνιο—τα χρώματα της οποίας αθροίζονται σε ουδέτερο λευκό.
Σύμφωνα με τη θεωρία της κβαντικής χρωμοδυναμικής, τα γκλουόνιαμπορεί να πάρει στιγμιαίες εκρήξεις ενέργειας. Με αυτήν την ενέργεια, αυτά τα σωματίδια διασπώνται σε ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ, το καθένα φέρει μόνο μια μικρή ποσότητα ορμής, πριν το ζεύγος εκμηδενιστεί και εξαφανιστεί. Είναι αυτή η «θάλασσα» μεταβατικών γλουονίων, κουάρκ και αντικουάρκ που ανακαλύφθηκε από τους ευαίσθητους ανιχνευτές της ΗΡΑ.
Οπτικοποίηση πρωτονίων. Κινούμενα σχέδια: MIT
Γοητευτική νέα εμφάνιση
Ακραίες συγκρούσεις υψηλής ενέργειαςδείχνουν μια τεράστια ποικιλία από κουάρκ, ανικίρκ και γκλουόνια στα οποία διασπώνται τα πρωτόνια. Οι συγκρούσεις με λιγότερη ενέργεια δείχνουν μόνο τρία κουάρκ σθένους, τα οποία καθορίζουν τον κβαντικό αριθμό ενός στοιχειώδους σωματιδίου. Αλλά μια νέα μελέτη δείχνει ότι μερικές φορές το πρωτόνιο δρα ως δομή που αποτελείται από πέντε κουάρκ.
Ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Χουάν Ρόχοαπό το Εθνικό Ινστιτούτο Υποατομικής Φυσικής στην Ολλανδία και το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ, η VU ανέλυσε περισσότερες από 5.000 εικόνες πρωτονίων που τραβήχτηκαν τα τελευταία 50 χρόνια, χρησιμοποιώντας μηχανική μάθηση για να προσδιορίσει την κίνηση των κουάρκ και των γκλουονίων μέσα στο πρωτόνιο.
Εντοπίστηκε νέα επιταγή θαμπάδα φόντουεικόνες που είχαν ξεφύγει από προηγούμενους ερευνητές. Σε σχετικά ήπιες συγκρούσεις που μετά βίας διέλυσαν ένα πρωτόνιο, το μεγαλύτερο μέρος της ορμής περιοριζόταν στα συνήθη τρία κουάρκ: δύο κουάρκ επάνω και ένα κάτω κουάρκ. Αλλά μια μικρή ποσότητα ορμής, έδειξε η μελέτη, προήλθε από το κουάρκ γοητείας και το γοητευμένο αντικουάρκ. Αυτά είναι μεγάλα στοιχειώδη σωματίδια, καθένα από τα οποία είναι περισσότερο από το ένα τρίτο βαρύτερο από ολόκληρο το πρωτόνιο.
Η μελέτη έδειξε ότι αν και σε υψηλήΕνώ τα γκλουόνια μπορούν να χωριστούν σε οποιονδήποτε από τους έξι διαφορετικούς τύπους κουάρκ σε ενεργητικές συγκρούσεις εάν έχουν αρκετή ενέργεια, τα κουάρκ γοητείας και τα αντικουάρκ σχηματίζονται πολύ πιο συχνά, καθιστώντας τα αισθητά ακόμη και σε σχετικά ήπιες συγκρούσεις.
Σε αυτές τις συγκρούσεις το πρωτόνιο εμφανίζεται ωςκβαντικό μείγμα ή υπέρθεση πολλών καταστάσεων: ένα ηλεκτρόνιο συνήθως συγκρούεται με τρία ελαφρά κουάρκ. Αλλά κάθε τόσο θα συναντά ένα πιο σπάνιο «μόριο» πέντε κουάρκ, όπως ένα κουάρκ πάνω, κάτω και γοητείας ομαδοποιημένο στη μία πλευρά και ένα κουάρκ επάνω και ένα αντικουάρκ γοητείας από την άλλη.
Αυτά τα αποτελέσματα δεν είναι μόνο θεωρητικάέννοια. Για παράδειγμα, μπορεί να δημιουργηθεί επαρκής ποσότητα ενέργειας όταν τα πρωτόνια από την κοσμική ακτινοβολία συγκρούονται με στοιχειώδη σωματίδια στα άτομα της ατμόσφαιρας της γης. Κατά τη διάρκεια τέτοιων συγκρούσεων, τα πρωτόνια μπορούν να διασπαστούν σε κουάρκ γοητείας και να «χυθούν» στη Γη με τη μορφή νετρίνων υψηλής ενέργειας. Αυτό θα μπορούσε να προκαλέσει σύγχυση στους παρατηρητές που χρησιμοποιούν αυτά τα σωματίδια για να μελετήσουν το μακρινό Σύμπαν.
Εκατό χρόνια μετά την ανακάλυψη των πρωτονίων, η φυσικήσυνεχίσει να μελετά την εσωτερική δομή αυτών των στοιχειωδών σωματιδίων. Η επόμενη γενιά πειραμάτων θα αναζητήσει ακόμη πιο άγνωστα χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στις ΗΠΑ σχεδιάζουν να εκτοξεύσουν έναν επιταχυντή ιόντων ηλεκτρονίων στη δεκαετία του 2030 και να συνεχίσουν από εκεί που σταμάτησε το HERA. Θα τραβήξουν εικόνες υψηλότερης ανάλυσης που θα επιτρέψουν τις πρώτες 3D ανακατασκευές του πρωτονίου
Αυτό θα πρέπει να βοηθήσει οριστικά τους ερευνητέςπροσδιορίστε την προέλευση του σπιν του πρωτονίου και απαντήστε σε άλλες θεμελιώδεις ερωτήσεις σχετικά με το μυστηριώδες σωματίδιο που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της περιβάλλουσας συνηθισμένης (βαρυονικής) ύλης.
Διαβάστε περισσότερα:
Η ειδική δίαιτα πυροδοτεί την αυτοκαταστροφή των καρκινικών κυττάρων του εγκεφάλου σε ποντίκια
Οι επιστήμονες αποκρυπτογράφησαν το μυστηριώδες χειρόγραφο του Πτολεμαίου. Ήταν κρυμμένο κάτω από άλλο κείμενο
Νέα εικόνα του Χαμπλ μπέρδεψε τους επιστήμονες
Στο εξώφυλλο: μια καλλιτεχνική απεικόνιση πολλών κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουονίων μέσα σε ένα μόνο πρωτόνιο. Εικόνα: D. Dominguez, CERN