Nimi atomi tulee antiikin kreikkalaisesta sanasta "ἄτομος", joka tarkoittaa jakamatonta.Päälle
Protoni on yksi kolmesta sellaisesta vakaasta subatomistahiukkaset (kaksi muuta ovat elektroneja ja neutroneja), jotka ovat atomien rakennuspalikoita. Tämän nimen (muinaisesta kreikasta "πρῶτος" - ensimmäinen) ehdotti Ernest Rutherford vuonna 1920. Koesarjassa brittiläinen fyysikko osoitti, että "vedyn ydin" (kevyin kemiallinen alkuaine) voidaan uuttaa typestä törmäämällä alfahiukkaseen (heliumatomin ydin).
Yli vuosisata Rutherfordin jälkeenlöysivät positiivisesti varautuneen hiukkasen jokaisen atomin sydämestä, fyysikot yrittävät edelleen ymmärtää, mikä protoni on. Koulujen opettajat kuvailevat niitä yleensä ominaisuuksittomiksi palloiksi, joissa on yksi positiivinen sähkövarausyksikkö. Monimutkaisemmalla tasolla nämä hiukkaset esitetään kolmen toisiinsa yhteydessä olevan kvarkin säteenä: kaksi ylös ja yksi alas.
Mutta tämäkin malli on vahva yksinkertaistus.Vuosikymmeniä jatkunut tutkimus on paljastanut ja edelleen tutkii syvempää kuvaa, joka on liian outo ilmaistaakseen täysin sanoin tai kuvin.
Taiteellinen esimerkki muuttuvista ideoista protonin koostumuksesta. Kuva: Brookhaven National Laboratory
Kuinka hajottaa protoni ja tutkia sen koostumusta
Todiste siitä, että protoni sisältäämonia hiukkasia, saatiin ensimmäisen kerran SLAC National Accelerator Laboratorysta Stanfordissa viime vuosisadan 60-luvun lopulla. Aiemmissa kokeissa tutkijat pommittivat niitä elektroneilla ja katselivat niiden kimppuun kuin biljardipalloja.
SLAC-hiukkaskiihdyttimessä fyysikot onnistuivat ensimmäistä kertaakiihdyttää elektroneja tarpeeksi voimakkaasti muuttaakseen havaintojen tuloksia. Elektronit syvästi joustamattoman sironnan aikana osuivat protoniin tarpeeksi lujasti murtaakseen sen ja pomppasivat pois protonin pistemäisistä fragmenteista, joita kutsutaan kvarkeiksi.
Tämän löydön kirjoittajat, joka oli ensimmäinentodiste kvarkkien olemassaolosta, voitti 1990 Nobelin fysiikan palkinnon. Ja tiedemiehet ympäri maailmaa ovat sittemmin suorittaneet satoja sirontakokeita. He tekevät johtopäätöksiä kohteen sisätilojen eri puolista säätämällä pommituksen voimakkuutta ja valitsemalla, mitä hajahiukkasia he tutkivat kokeen tuloksena.
Käyttämällä korkean energian elektroneja, fyysikotvoi havaita protonin hienompia yksityiskohtia. Siten elektronienergia asettaa syvän joustamattoman sironnan kokeen maksimiresoluution. Mitä tehokkaammat törmäajat, sitä kattavamman kuvan ne antavat protonin koostumuksesta.
Myös korkeamman energian törmäyslaitteettuottaa laajemman kirjon törmäystuloksia, jolloin tutkijat voivat valita eri osajoukkoja analysoitavaksi. Tämä joustavuus osoittautui avaimeksi ymmärtää kvarkeja, jotka liikkuvat protonin sisällä eri vauhdilla.
Mittaamalla kunkin hajallaan olevan energian ja lentoradanelektronin, tutkijat voivat kertoa, mistä kvarkista se pomppasi. Monien toistuvien kokeiden, kuten väestölaskennan, tilastollinen analyysi "kertoo" tutkijoille, kuinka protonin liikemäärä jakautuu tai millaisista kvarkeista se koostuu.
Enemmän kuin kolme kvarkkia
Ensimmäiset kokeet SLAC-törmäyttimellävahvisti Murray Gell-Mannin ja George Zweigin aiemmin kehittämän teorian kolmen kvarkin protonin koostumuksesta. Törmäyksen jälkeen elektronit lensivät erilleen ikään kuin ne törmäsivät kolmeen erilliseen hiukkaseen, joista jokainen kantaa kolmanneksen protonin liikemäärästä.
Gell-Mannin ja Zweigin kvarkkimalli kuvaaprotoni hiukkasena, joka koostuu kahdesta "ylös"-kvarkista, joiden sähkövaraus on +2/3, ja yhdestä "alas"-kvarkista, joiden varaus on -1/3, mikä antaa protonin kokonaisvarauksen +1.
Mutta kvarkkimalli on liiallinen yksinkertaistus,on vakavia puutteita. Se ei esimerkiksi toimi, kun on kyse pyörityksestä (takaisin) protoni, kvanttiominaisuus, joka on samanlainen kuin kulmamomentti. Tämän subatomisen hiukkasen spin on ½, kuten jokaisen sen ylös- ja alas-kvarkin.
Aluksi fyysikot olettivat, että vuonnaYksinkertaista varausaritmetiikkaa toistavissa laskelmissa puolet kahden ylös-kvarkin yksiköistä miinus alas-kvarkin osuus pitäisi olla yhtä suuri kuin puolet protonin yksiköstä kokonaisuutena. Mutta vuonna 1988 European Muon Collaboration laski, että kvarkkipyöräytykset ovat paljon vähemmän kuin puolet.
Samoin tutkimukset ovat osoittaneet, että massatkaksi up-kvarkkia ja yksi alaskvarkki muodostavat vain noin 1 % protonien kokonaismassasta. Tämä tarkoitti, että sen sisälle on piilotettava jotain muuta - muita alkuainehiukkasia, jotka selittäisivät tämän subatomisen hiukkasen ominaisuudet.
Yksinkertaistettu protonirakenteen malli. Animaatio: Brookhaven National Laboratory
Useita kvarkkeja ja antikvarkeja yhdessä hiukkasessa
HERA hiukkaskiihdytin saksaksiHampurissa sijaitseva tutkimuskeskus DESY tutki vuosina 1992–2007 elektronien ja protonien törmäystä noin tuhat kertaa suuremmalla voimalla kuin SLAC:ssa. Vaikka koe valmistui yli 10 vuotta sitten, fyysikot jatkavat kerättyjen tietojen analysointia.
HERA-kokeissa fyysikot pystyivät tutkimaanelektronit pomppasivat pois erittäin alhaisen liikemäärän kvarkeista, mukaan lukien ne, jotka kantavat vain 0,005 % protonin kokonaisliikemäärästä. Havaintotulokset vahvistivat, että protonin koostumus on paljon monimutkaisempi kuin Gell-Mannin ja Zweigin kvarkkimalli: elektronit pomppasivat matalan liikemäärän kvarkkien ja niiden antimateriaalivastineiden, antikvarkkien "pyörteestä".
Monimutkainen rakenne monista kvarkeista ja antikvarkeista. Animaatio: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Tulokset vahvistivat monimutkaisen ja omituisenkvanttikromodynamiikan teoria. Tämä on kvanttiteoria vahvasta voimasta, joka sitoo kvarkkeja. Tämä malli antaa kvarkeille uuden ominaisuuden, jota kutsutaan alustavasti "väriksi", ja esittelee uusia hiukkasia, gluoneja, jotka kantavat vahvaa vuorovaikutusta kvarkkien välillä.
Jokaisella kvarkilla ja jokaisella gluonilla on yksi kolmesta"värimaksujen" tyypit, jotka on merkitty punaiseksi, vihreäksi ja siniseksi. Nämä värivaratut hiukkaset vetävät toisiaan luonnollisesti puoleensa ja muodostavat protonin kaltaisen ryhmän, jonka värit muodostavat neutraalin valkoisen.
Kvanttikromodynamiikan teorian mukaan gluonitvoi poimia välittömiä energiapurskeita. Tällä energialla nämä hiukkaset hajoavat kvarkeiksi ja antikvarkeiksi, joista kumpikin kantaa vain pienen määrän vauhtia, ennen kuin pari tuhoutuu ja katoaa. Juuri tämän siirtymägluonien, kvarkkien ja antikvarkkien "meren" löysivät HERA:n herkät ilmaisimet.
Protonien visualisointi. Animaatio: MIT
Viehättävä uusi ilme
Korkean energian äärimmäiset törmäyksetNäytä valtava valikoima kvarkeja, anikirkkeja ja gluoneja, joihin protonit hajoavat. Vähemmän energian törmäykset osoittavat vain kolme valenssikvarkkia, jotka määräävät alkuainehiukkasen kvanttiluvun. Mutta uusi tutkimus osoittaa, että joskus protoni toimii viidestä kvarkista koostuvana rakenteena.
Juan Rojon johtama tutkimusryhmäAlankomaiden National Institute for Subatomic Physics ja VU University of Amsterdam analysoivat yli 5 000 protoneista otettua kuvaa viimeisten 50 vuoden aikana käyttämällä koneoppimista määrittääkseen kvarkkien ja gluonien liikkeen protonin sisällä.
Uusi sekki löysi taustan sumennuksenkuvia, jotka olivat jääneet aikaisempien tutkijoiden ulkopuolelle. Suhteellisen lievissä törmäyksissä, jotka tuskin repivät protonin, suurin osa vauhdista oli tavanomaisissa kolmessa kvarkissa: kaksi ylös ja yksi alas. Mutta pieni määrä vauhtia, tutkimukset ovat osoittaneet, tuli "viehättävästä" kvarkista ja hurmaavasta antikvarkista. Nämä ovat suuria alkuainehiukkasia, joista jokainen on yli kolmanneksen raskaampi kuin koko protoni.
Tutkimus osoitti, että vaikka korkeallaEnergisissä törmäyksissä gluonit voivat jakautua mihin tahansa kuudesta eri kvarkista, jos niillä on tarpeeksi energiaa, hurmattuja kvarkeja ja antikvarkeja muodostuu paljon useammin, mikä tekee niistä havaittavissa jopa suhteellisen lievissä törmäyksissä.
Näissä törmäyksissä protoni näkyy muodossauseiden tilojen kvanttseos tai superpositio: elektroni törmää yleensä kolmen valokvarkin kanssa. Mutta aika ajoin hän kohtaa harvinaisemman viiden kvarkin "molekyylin", kuten ylös-, ala- ja charmikvarkin, joka on ryhmitelty toiselle puolelle, ja ylös-kvarkin ja hurmatun antikvarkin toiselle.
Nämä tulokset eivät ole vain teoreettisiamerkitys. Esimerkiksi kosmisen säteilyn protonien törmäyksessä maapallon ilmakehän atomien koostumuksessa olevien alkuainehiukkasten kanssa voidaan tuottaa riittävä määrä energiaa. Tällaisten törmäysten prosessissa protonit voivat hajota ihastuneiksi kvarkeiksi ja "vuotaa" Maahan korkeaenergisten neutriinojen muodossa. Tämä voi hämmentää tarkkailijoita, jotka käyttävät näitä hiukkasia kaukaisen maailmankaikkeuden tutkimiseen.
Sata vuotta protonifysiikan keksimisen jälkeenjatkaa näiden alkuainehiukkasten sisäisen rakenteen tutkimista. Seuraavan sukupolven kokeet etsivät vielä enemmän tuntemattomia ominaisuuksia. Esimerkiksi yhdysvaltalaisen Brookhaven National Laboratoryn fyysikot suunnittelevat käynnistävänsä elektroni-ionitörmäimen 2030-luvulla ja jatkavansa siitä, mihin HERA jäi. He ottavat korkeamman resoluution kuvia, jotka mahdollistavat protonin ensimmäiset 3D-rekonstruktiot.
Tämän pitäisi auttaa tutkijoita lopullisestimäärittää protonin pyörimisen alkuperä ja vastata muihin peruskysymyksiin epämääräisestä hiukkasesta, joka muodostaa suurimman osan ympäröivästä tavallisesta (baryonisesta) aineesta.
Lue lisää:
Erikoisruokavalio laukaisee aivosyöpäsolujen itsensä tuhoutumisen hiirillä
Tiedemiehet ovat selvittäneet Ptolemaioksen salaperäisen käsikirjoituksen. Se oli piilotettu muun tekstin alle
Uusi kuva Hubblesta hämmensi tutkijoita
Kannessa: taiteellinen esitys monista kvarkeista, antikvarkeista ja gluoneista yhden protonin sisällä. Kuva: D. Dominguez, CERN