Naziv atom dolazi od starogrčke riječi "ἄτομος", što se prevodi kao nedjeljiv. Na
Proton je jedan od tri takva stabilna subatomačestice (druge dvije su elektroni i neutroni), koje su građevni blokovi atoma. Ovaj naziv (od starogrčkog "πρῶτος" - prvi) predložio je Ernest Rutherford 1920. godine. U nizu pokusa, britanski fizičar pokazao je da se "jezgra vodika" (najlakši kemijski element) može izdvojiti iz dušika sudarom s alfa česticom (jezgrom atoma helija).
Više od stoljeća nakon Rutherfordaotkrili pozitivno nabijenu česticu u srcu svakog atoma, fizičari još uvijek pokušavaju shvatiti što je proton. Učitelji ih obično opisuju kao kuglice bez obilježja s jednom jedinicom pozitivnog električnog naboja. Na složenijoj razini, te se čestice predstavljaju kao snop triju međusobno povezanih kvarkova: dva gore i jedan dolje.
Ali čak je i ovaj model jako pojednostavljen.Desetljeća istraživanja otkrila su i nastavljaju istraživati dublju sliku koja je previše bizarna da bi se u potpunosti prenijela riječima ili slikama.
Umjetnička ilustracija mijenjanja ideja o sastavu protona. Slika: Nacionalni laboratorij Brookhaven
Kako rastaviti proton i proučavati njegov sastav
Dokaz da proton sadržimnogo čestica, prvi put je dobiven u SLAC Nacionalnom akceleratorskom laboratoriju na Stanfordu kasnih 60-ih godina prošlog stoljeća. U prijašnjim eksperimentima istraživači su ih bombardirali elektronima i gledali kako se odbijaju poput kugli za bilijar.
Na SLAC akceleratoru čestica fizičari su prvi put uspjeliubrzati elektrone dovoljno snažno da promijeni rezultate promatranja. Elektroni, u procesu dubokog neelastičnog raspršenja, udaraju o proton dovoljno snažno da ga slome i odbijaju se od točkastih fragmenata protona koji se nazivaju kvarkovi.
Autori ovog otkrića, koje je bilo prvodokaz postojanja kvarkova, dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1990. A znanstvenici diljem svijeta od tada su proveli stotine eksperimenata raspršivanja. Oni donose zaključke o različitim aspektima unutrašnjosti objekta prilagođavanjem snage bombardiranja i odabirom raspršenih čestica koje proučavaju kao rezultat eksperimenta.
Koristeći elektrone visoke energije, fizičarimože otkriti sitnije detalje protona. Dakle, energija elektrona postavlja maksimalnu rezoluciju eksperimenta duboko neelastičnog raspršenja. Što su sudarači snažniji, daju potpuniju sliku o sastavu protona.
Također i sudarači viših energijaproizvode širi raspon rezultata kolizije, omogućujući istraživačima odabir različitih podskupova za analizu. Pokazalo se da je ta fleksibilnost ključna za razumijevanje kvarkova koji se kreću unutar protona s različitim količinama zamaha.
Mjerenjem energije i putanje svakog raspršenogelektrona, istraživači mogu reći od kojeg se kvarka odbio. Statistička analiza mnogih ponovljenih eksperimenata, poput popisa stanovništva, "govori" istraživačima kako je impuls protona raspoređen ili od kakve se vrste kvarkova sastoji.
Više od samo tri kvarka
Prvi eksperimenti na sudaraču SLACpotvrdio je teoriju koju su ranije razvili Murray Gell-Mann i George Zweig o sastavu protona od tri kvarka. Elektroni su se nakon sudara razletjeli na takav način kao da su se srušili na tri odvojene čestice od kojih svaka nosi trećinu impulsa protona.
Kvarkov model Gell-Mann-a i Zweiga opisujeproton kao čestica koja se sastoji od dva “gore” kvarka s električnim nabojem od +2/3 svaki i jednog “dolje” kvarka s nabojem -1/3, što daje ukupni naboj protona +1.
Ali kvarkov model je pretjerano pojednostavljen,ima ozbiljne nedostatke. Primjerice, ne radi kada je u pitanju rotacija (natrag) proton, kvantno svojstvo slično kutnom momentu. Ova subatomska čestica ima spin ½, kao i svaki njen gornji i donji kvark.
U početku su fizičari pretpostavili da uU proračunima koji ponavljaju jednostavnu aritmetiku naboja, polovica jedinica dva gornja kvarka minus udio donjeg kvarka trebala bi biti jednaka polovici jedinice protona kao cjeline. No 1988. Europska muonska kolaboracija izračunala je da zbroj spinova kvarkova iznosi mnogo manje od polovice.
Slično tome, studije su pokazale da masedva gornja kvarka i jedan donji kvark čine samo oko 1% ukupne mase protona. To je značilo da se u njemu mora kriti još nešto - druge elementarne čestice koje bi objasnile svojstva ove subatomske čestice.
Pojednostavljeni model strukture protona. Animacija: Brookhaven National Laboratory
Mnogo kvarkova i antikvarkova u jednoj čestici
HERA akcelerator čestica na njemačkomistraživački centar DESY u Hamburgu od 1992. do 2007. proučavao je sudar elektrona i protona sa silom oko tisuću puta većom od one postignute u SLAC-u. Iako je eksperiment završen prije više od 10 godina, fizičari nastavljaju analizirati prikupljene podatke.
U eksperimentima HERA fizičari su mogli proučavatielektroni su se odbijali od kvarkova s ekstremno niskim momentom momenta, uključujući one koji su nosili samo 0,005% ukupnog momenta protona. Rezultati promatranja potvrdili su da je sastav protona puno kompliciraniji od kvarkovog modela Gell-Mann-a i Zweiga: elektroni su se odbijali od "vrtloga" kvarkova s niskim momentom i njihovih dvojnika iz antimaterije, antikvarkova.
Složena struktura mnogih kvarkova i antikvarkova. Animacija: MIT/Jefferson Lab/Sputnik animacija
Rezultati su potvrdili složenost i neobičnostteorija kvantne kromodinamike. Ovo je kvantna teorija jake sile koja veže kvarkove. Ovaj model daje kvarkovima novo svojstvo, uvjetno nazvano "boja", i uvodi nove čestice, gluone, koji nose snažnu interakciju između kvarkova.
Svaki kvark i svaki gluon ima jedno od trivrste naboja u boji, označene crvenom, zelenom i plavom bojom. Te čestice nabijene bojom prirodno privlače jedna drugu i tvore grupu - poput protona - čije se boje zbrajaju u neutralnu bijelu.
Prema teoriji kvantne kromodinamike, gluonimože pokupiti trenutne nalete energije. Uz ovu energiju, te se čestice raspadaju na kvark i antikvark, od kojih svaki nosi samo malu količinu zamaha, prije nego što se par poništi i nestane. Upravo to "more" prijelaznih gluona, kvarkova i antikvarkova otkrili su osjetljivi detektori HERA-e.
Vizualizacija protona. Animacija: MIT
Šarmantan novi izgled
Ekstremni sudari visoke energijepokazuju veliku raznolikost kvarkova, anikirkova i gluona u koje se protoni raspadaju. Sudari s manjom energijom pokazuju samo tri valentna kvarka, koji određuju kvantni broj elementarne čestice. Ali nova studija pokazuje da ponekad proton djeluje kao struktura sastavljena od pet kvarkova.
Istraživački tim predvođen Juanom Rojoms Nacionalnog instituta za subatomsku fiziku u Nizozemskoj i VU Sveučilišta u Amsterdamu analizirali su više od 5000 slika protona snimljenih u posljednjih 50 godina, koristeći strojno učenje za određivanje kretanja kvarkova i gluona unutar protona.
Nova provjera otkrila je uključeno zamućenje pozadineslike koje su promakle prethodnim istraživačima. U relativno blagim sudarima koji su jedva rastrgali proton, većina momenta bila je u uobičajena tri kvarka: dva gore i jedan dolje. Ali mala količina zamaha, pokazala su istraživanja, dolazi od "charm" kvarka i charmed antiquarka. To su velike elementarne čestice, od kojih je svaka teža od cijelog protona za više od jedne trećine.
Studija je pokazala da iako na visokimU energetskim sudarima, gluoni se mogu podijeliti u bilo koju od šest različitih vrsta kvarkova ako imaju dovoljno energije, začarani kvarkovi i antikvarkovi nastaju mnogo češće, što ih čini vidljivima čak i u relativno blagim sudarima.
U tim sudarima proton se pojavljuje kaokvantna smjesa ili superpozicija nekoliko stanja: elektron se obično sudara s tri laka kvarka. Ali s vremena na vrijeme naići će na rjeđu "molekulu" od pet kvarkova, kao što su gornji, donji i šarm kvark grupirani s jedne strane, te gornji kvark i šarmirani antikvark s druge strane.
Ovi rezultati nisu samo teoretskiznačenje. Primjerice, dovoljna količina energije može se generirati sudarom protona kozmičkog zračenja s elementarnim česticama u sastavu atoma zemljine atmosfere. U procesu takvih sudara protoni se mogu raspasti u začarane kvarkove i "preliti" se Zemljom u obliku visokoenergetskih neutrina. To može zbuniti promatrače koji koriste ove čestice za proučavanje dalekog svemira.
Stotinu godina nakon otkrića fizike protonanastaviti proučavati unutarnju strukturu ovih elementarnih čestica. Eksperimenti sljedeće generacije tražit će još više nepoznatih značajki. Na primjer, fizičari iz Nacionalnog laboratorija Brookhaven u SAD-u planiraju pokrenuti sudarač elektrona i iona 2030-ih godina i nastaviti tamo gdje je HERA stala. Oni će snimiti slike veće rezolucije koje će omogućiti prve 3D rekonstrukcije protona.
Ovo bi definitivno trebalo pomoći istraživačimaodrediti podrijetlo rotacije protona i odgovoriti na druga temeljna pitanja o opskurnoj čestici koja čini većinu okolne obične (barionske) materije.
Čitaj više:
Posebna prehrana kod miševa izaziva samouništenje stanica raka mozga
Znanstvenici su dešifrirali misteriozni Ptolemejev rukopis. Bilo je skriveno ispod drugog teksta
Nova slika Hubblea zbunila je znanstvenike
Na naslovnici: umjetnička ilustracija mnogih kvarkova, antikvarkova i gluona unutar jednog protona. Slika: D. Dominguez, CERN