Az atom elnevezés az ógörög „ἄτομος” szóból származik, ami oszthatatlant jelent. On
A proton a három ilyen stabil szubatomi egyikerészecskék (a másik kettő elektronok és neutronok), amelyek az atomok építőkövei. Ezt a nevet (az ógörög "πρῶτος" - először) Ernest Rutherford javasolta 1920-ban. Egy brit fizikus kísérletsorozatban kimutatta, hogy a „hidrogén atommagja” (a legkönnyebb kémiai elem) kinyerhető a nitrogénből alfa-részecskével (a hélium atommagjával) való ütközéssel.
Több mint egy évszázaddal Rutherford utánfelfedezte a pozitív töltésű részecskét minden atom szívében, a fizikusok még mindig próbálják megérteni, mi az a proton. Az iskolai tanárok általában olyan jellegtelen golyóknak írják le őket, amelyek egy egységnyi pozitív elektromos töltéssel rendelkeznek. Bonyolultabb szinten ezek a részecskék három egymással összefüggő kvark nyalábjaként jelennek meg: kettő felfelé és egy lefelé.
De még ez a modell is durva leegyszerűsítés.Évtizedes kutatások feltártak és továbbra is kutatnak egy mélyebb képet, amely túl bizarr ahhoz, hogy szavakban vagy képekben teljesen átadható legyen.
A proton összetételével kapcsolatos változó elképzelések művészi illusztrációja. Kép: Brookhaven National Laboratory
Hogyan lehet darabokra törni a protont és tanulmányozni az összetételét
Bizonyíték arra, hogy egy proton tartalmazsok részecske, először a stanfordi SLAC National Accelerator Laboratory-ban szerezték be a múlt század 60-as éveinek végén. Korábbi kísérleteik során a kutatók elektronokkal bombázták őket, és figyelték, ahogy biliárdgolyóként száguldanak.
Az SLAC részecskegyorsítónál a fizikusok először jártak sikerrelelég erősen felgyorsítja az elektronokat ahhoz, hogy megváltoztassa a megfigyelések eredményeit. Az elektronok a mélyen rugalmatlan szóródás folyamatában elég erősen találták a protont, hogy megtörjék, és a proton kvarkoknak nevezett pontszerű töredékeiről visszapattantak.
Ennek a felfedezésnek a szerzői, amely az első volta kvarkok létezésének bizonyítékaként 1990-ben megkapták a fizikai Nobel-díjat. A tudósok pedig világszerte több száz diszperziós kísérletet végeztek. Következtetéseket vonnak le egy objektum belsejének különböző aspektusaira a bombázás intenzitásának beállításával, és kiválasztják, hogy a kísérletből mely szórt részecskéket tanulmányozzák.
Nagy energiájú elektronok felhasználásával, fizikusokképes észlelni a proton finomabb részleteit. Így az elektronenergia határozza meg a mély rugalmatlan szórási kísérlet maximális felbontását. Minél erősebbek az ütközők, annál teljesebb képet adnak a proton összetételéről.
Nagyobb energiájú ütköztetők isszélesebb körű ütközési eredményeket produkál, lehetővé téve a kutatóknak, hogy különböző részhalmazokat válasszanak ki az elemzéshez. Ez a rugalmasság kulcsfontosságúnak bizonyult a kvarkok megértésében, amelyek különböző lendülettel mozognak a protonban.
Az egyes szórványok energiájának és pályájának mérésévelelektron, a kutatók meg tudják mondani, melyik kvarkról pattant vissza. Számos ismételt kísérlet statisztikai elemzése, mint például a népszámlálás, „megmondja” a kutatóknak, hogyan oszlik el a proton lendülete, vagy milyen kvarkokból áll.
Több, mint három kvark
Az első kísérletek az SLAC ütközőnélmegerősítette a Murray Gell-Mann és George Zweig által korábban kidolgozott elméletet a három kvark protonjának összetételéről. Az elektronok az ütközés után úgy szóródtak szét, mintha három különálló részecskére csapódtak volna, amelyek mindegyike a proton lendületének egyharmadát hordozta.
Gell-Mann és Zweig kvark modellje leírjaproton, mint két +2/3 elektromos töltésű „fel” kvarkból és egy –1/3 töltésű „le” kvarkból álló részecske, amely a proton +1 teljes töltését adja.
De a kvark modell túlzott leegyszerűsítés,komoly hiányosságai vannak. Például nem működik, ha elforgatásról van szó (vissza) proton, a szögimpulzushoz hasonló kvantumtulajdonság. Ennek a szubatomi részecske spinje ½, csakúgy, mint minden egyes felfelé és lefelé irányuló kvarkja.
Kezdetben a fizikusok azt feltételezték, hogy inAz egyszerű töltésaritmetikát megismétlő számításoknál a két felfelé kvark egységeinek fele mínusz a le kvark hányadának egyenlőnek kell lennie a proton egészének egységének felével. Ám 1988-ban az Európai Muon Együttműködés számításai szerint a kvark-pörgetések összege jóval kevesebb, mint a fele.
Ugyanígy a vizsgálatok kimutatták, hogy tömegekkét up kvark és egy down kvark a teljes protontömegnek csak körülbelül 1%-át teszi ki. Ez azt jelentette, hogy valami másnak kell lennie benne – más elemi részecskéknek, amelyek megmagyarázzák ennek a szubatomi részecske tulajdonságait.
A protonszerkezet egyszerűsített modellje. Animáció: Brookhaven National Laboratory
Sok kvark és antikvark egy részecskében
HERA részecskegyorsító németülA hamburgi DESY kutatóközpontban 1992 és 2007 között elektronok és protonok ütközéseit tanulmányozta, amelyek erői körülbelül ezerszer nagyobbak, mint az SLAC-nál. Bár a kísérletet több mint 10 éve fejezték be, a fizikusok továbbra is elemzik az összegyűjtött adatokat.
A HERA kísérletekben a fizikusok tanulmányozhattákelektronok, amelyek rendkívül alacsony impulzussal verték vissza a kvarkokat, beleértve azokat is, amelyek a proton teljes lendületének csak 0,005%-át hordozzák. A megfigyelések megerősítették, hogy a proton összetétele sokkal összetettebb, mint Gell-Mann és Zweig kvarkmodellje: az elektronok visszaverődtek az alacsony lendületű kvarkok és antianyag megfelelőik, az antikvarkok „örvényéből”.
Sok kvark és antikvark összetett szerkezete. Animáció: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Az eredmények megerősítették, hogy ez az összetett és rendkívülia kvantumkromodinamika elmélete. Ez a kvarkokat megkötő erős erő kvantumelmélete. Ez a modell egy új tulajdonságot ad a kvarknak, amelyet hagyományosan "színnek" neveznek, és új részecskéket, gluonokat vezet be, amelyek a kvarkok közötti erős erőt hordozzák.
Minden kvarknak és minden gluonnak van egy a három közül"színes" töltetek típusai, piros, zöld és kék jelöléssel. Ezek a színes töltésű részecskék természetesen vonzzák egymást, és egy protonthoz hasonló csoportot alkotnak, amelynek színei semleges fehéret alkotnak.
A kvantumkromodinamika elmélete szerint a gluonokképes érzékelni a pillanatnyi energiakitöréseket. Ezzel az energiával ezek a részecskék kvarkká és antikvarkká bomlanak, és mindegyik csak egy kis lendületet hordoz, mielőtt a pár megsemmisül és eltűnik. Az átmeneti gluonok, kvarkok és antikvarkok „tengerét” fedezték fel az érzékeny HERA detektorok.
Proton vizualizáció. Animáció: MIT
Bájos új megjelenés
Nagy energiájú extrém ütközésekbemutatják a kvarkok, aniquerkek és gluonok hatalmas választékát, amelyekbe a protonok bomlanak. Az alacsonyabb energiájú ütközések csak három vegyérték-kvarkot tárnak fel, amelyek meghatározzák az elemi részecske kvantumszámát. Az új kutatások azonban azt mutatják, hogy néha egy proton öt kvarkból álló szerkezetként működik.
Juan Rojo vezette kutatócsoporta Hollandiában található National Institute of Subatomic Physics és az Amszterdami Egyetem munkatársai a VU több mint 5000 protonfelvételt elemzett az elmúlt 50 évben, gépi tanulás segítségével meghatározva a kvarkok és gluonok mozgását a protonon belül.
Az új csekk háttérelmosódást találtképek, amelyek elkerülték a korábbi kutatókat. Viszonylag enyhe ütközésekben, amelyekben egy proton alig tört szét, a lendület nagy része a szokásos három kvarkban volt: két felfelé és egy lefelé kvark. De a tanulmány kimutatta, hogy egy kis lendületet a bájkvark és az elbűvölő antikvark adott. Ezek nagy elemi részecskék, amelyek mindegyike több mint egyharmadával nehezebb, mint a teljes proton.
A tanulmány kimutatta, hogy bár magasMíg a gluonok hat különböző típusú kvark bármelyikére hasadhatnak energetikai ütközések során, ha elegendő energiával rendelkeznek, a bájkvarkok és antikvarkok sokkal gyakrabban keletkeznek, így még viszonylag enyhe ütközések esetén is észrevehetők.
Ezekben az ütközésekben a proton így jelenik megtöbb állapot kvantumkeverése vagy szuperpozíciója: egy elektron általában három fénykvarkkal ütközik. De időnként találkozik egy ritkább öt kvarkból álló "molekulával", például egy felfelé, lefelé és varázslatos kvarkkal csoportosulva az egyik oldalon, és egy up kvarkkal és egy báj antikvarkkal a másik oldalon.
Ezek az eredmények nem csak elméletiekjelentése. Például elegendő mennyiségű energia keletkezhet, amikor a kozmikus sugárzásból származó protonok ütköznek a földi légkör atomjaiban lévő elemi részecskékkel. Az ilyen ütközések során a protonok bájkvarkokká bomlhatnak, és nagyenergiájú neutrínók formájában „leszállhatnak” a Földre. Ez megzavarhatja azokat a megfigyelőket, akik ezeket a részecskéket használják a távoli Univerzum tanulmányozására.
Száz évvel a protonok felfedezése után, a fizikafolytassa ezen elemi részecskék belső szerkezetének tanulmányozását. A kísérletek következő generációja még több ismeretlen funkciót fog keresni. Például az amerikai Brookhaven National Laboratory fizikusai azt tervezik, hogy a 2030-as években elektron-ion ütköztetőt indítanak, és ott folytatják, ahol a HERA abbahagyta. Nagyobb felbontású képeket készítenek, amelyek lehetővé teszik a proton első 3D-s rekonstrukcióját
Ez határozottan segíti a kutatókathatározza meg a proton spinjének eredetét, és válaszoljon más alapvető kérdésekre a környező közönséges (barioni) anyag nagy részét alkotó homályos részecskével kapcsolatban.
Olvass tovább:
A speciális étrend kiváltja az agyráksejtek önpusztítását egerekben
A tudósok megfejtették Ptolemaiosz titokzatos kéziratát. Más szöveg alatt volt elrejtve
A Hubble új képe megzavarta a tudósokat
A borítón: számos kvark, antikvark és gluon művészi illusztrációja egyetlen protonban. Kép: D. Dominguez, CERN