השם אטום בא מהמילה היוונית העתיקה "ἄτομος", שמתורגמת כבלתי ניתן לחלוקה. עַל
הפרוטון הוא אחד משלושה תת-אטומיים יציבים כאלהחלקיקים (השניים האחרים הם אלקטרונים ונויטרונים), שהם אבני הבניין של אטומים. שם זה (מהיוונית העתיקה "πρῶτος" - ראשון) הוצע על ידי ארנסט רתרפורד ב-1920. בסדרת ניסויים, הראה פיזיקאי בריטי שניתן להפיק את "גרעין המימן" (היסוד הכימי הקל ביותר) מחנקן על ידי התנגשות עם חלקיק אלפא (גרעין אטום הליום).
יותר ממאה שנה אחרי רתרפורדגילו את החלקיק הטעון חיובי בלב כל אטום, פיזיקאים עדיין מנסים להבין מהו פרוטון. מורים בבית ספר בדרך כלל מתארים אותם ככדורים חסרי תכונה עם יחידה אחת של מטען חשמלי חיובי. ברמה מורכבת יותר, חלקיקים אלה מיוצגים כקרן של שלושה קווארקים מחוברים: שניים למעלה ואחד למטה.
אבל אפילו המודל הזה הוא פישוט חזק.עשרות שנים של מחקר חשפו וממשיכים לחקור תמונה עמוקה יותר שהיא מוזרה מכדי להיות מועברת במלואה במילים או בתמונות.
המחשה אמנותית של רעיונות משתנים לגבי הרכב הפרוטון. תמונה: המעבדה הלאומית ברוקהייבן
כיצד לפרק פרוטון ולחקור את הרכבו
הוכחה שהפרוטון מכילחלקיקים רבים, הושגו לראשונה במעבדת האצה הלאומית של SLAC בסטנפורד בסוף שנות ה-60 של המאה הקודמת. בניסויים קודמים, חוקרים הפציצו אותם באלקטרונים וצפו בהם ריקושטים כמו כדורי ביליארד.
במאיץ החלקיקים SLAC, הפיזיקאים הצליחו לראשונהלהאיץ את האלקטרונים חזק מספיק כדי לשנות את תוצאות התצפיות. האלקטרונים, בתהליך של פיזור לא-אלסטי עמוק, פגעו בפרוטון חזק מספיק כדי לשבור אותו והקפיצו שברים דמויי-נקודתיים של הפרוטון הנקראים קווארקים.
מחברי הגילוי הזה, שהיה הראשוןהוכחה לקיומם של קווארקים, זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1990. ומדענים ברחבי העולם ערכו מאז מאות ניסויי פיזור. הם מסיקים מסקנות לגבי היבטים שונים של פנים העצם על ידי התאמת עוצמת ההפצצה ובחירה אילו חלקיקים מפוזרים הם חוקרים כתוצאה מהניסוי.
שימוש באלקטרונים באנרגיה גבוהה, פיזיקאיםיכול לזהות פרטים עדינים יותר של הפרוטון. לפיכך, אנרגיית האלקטרונים קובעת את הרזולוציה המקסימלית של ניסוי הפיזור הלא אלסטי העמוק. ככל שמתנגשים חזקים יותר, כך הם נותנים תמונה שלמה יותר לגבי הרכב הפרוטון.
גם מתנגשים באנרגיה גבוהה יותרלייצר מגוון רחב יותר של תוצאות התנגשות, מה שמאפשר לחוקרים לבחור תת-קבוצות שונות לניתוח. התברר שהגמישות הזו היא המפתח להבנת הקווארקים, שמסתובבים בתוך הפרוטון בכמויות שונות של תנע.
על ידי מדידת האנרגיה והמסלול של כל מפוזראלקטרון, חוקרים יכולים לדעת מאיזה קווארק הוא הוקפץ. ניתוח סטטיסטי של ניסויים רבים שחוזרים על עצמם, כמו מפקד אוכלוסין, "אומר" לחוקרים כיצד מופץ התנע של פרוטון או מאיזה סוג של קווארקים הוא מורכב.
יותר משלושה קווארקים בלבד
ניסויים ראשונים במאיץ SLACאישרה את התיאוריה שפותחה קודם לכן על ידי מורי גל-מאן וג'ורג' צוויג לגבי הרכב הפרוטון משלושה קווארקים. האלקטרונים לאחר ההתנגשות התפרקו בצורה כזו כאילו התרסקו לתוך שלושה חלקיקים נפרדים, שכל אחד מהם נושא שליש מהתנופה של הפרוטון.
מודל הקווארק של גל-מאן וצוויג מתארפרוטון כחלקיק המורכב משני קווארקים "למעלה" בעלי מטען חשמלי של +2/3 כל אחד וקווארק "למטה" אחד במטען של -1/3, מה שנותן את המטען הכולל של הפרוטון +1.
אבל מודל הקווארק הוא פשטנות יתר,יש חסרונות חמורים. לדוגמה, זה לא עובד כשמדובר בסיבוב (חזרה) פרוטון, תכונה קוונטית הדומה לתנע זוויתי. לחלקיק התת-אטומי הזה יש ספין של ½, וכך גם לכל אחד מהקוורקים שלו למעלה ולמטה.
בתחילה, הפיזיקאים הניחו כי בבחישובים החוזרים על אריתמטיקה פשוטה של מטען, מחצית היחידות של שני הקווארקים למעלה מינוס חלקיק הקווארק למטה אמורות להיות שווה למחצית היחידה של הפרוטון בכללותו. אבל בשנת 1988, שיתוף הפעולה האירופי של Muon חישב שספינות הקווארק מסתכמות בהרבה פחות ממחצית.
באופן דומה, מחקרים הראו כי המוניםשני קווארקים למעלה וקווארק אחד למטה מהווים רק כ-1% ממסת הפרוטונים הכוללת. משמעות הדבר היא שמשהו אחר חייב להיות מוסתר בתוכו - חלקיקים אלמנטריים אחרים שיסבירו את התכונות של החלקיק התת-אטומי הזה.
מודל פשוט של מבנה הפרוטונים. אנימציה: המעבדה הלאומית ברוקהייבן
הרבה קווארקים ואנטי-קווארקים בחלקיק אחד
מאיץ החלקיקים של HERA בגרמניתמרכז המחקר DESY בהמבורג בין השנים 1992 עד 2007 חקר התנגשות של אלקטרונים ופרוטונים עם כוח גבוה פי אלף מזה שהושג ב-SLAC. למרות שהניסוי הושלם לפני יותר מ-10 שנים, פיזיקאים ממשיכים לנתח את הנתונים שנאספו.
בניסויי HERA, הפיזיקאים הצליחו ללמודאלקטרונים הוקפצו מקווארקים מומנטום נמוך במיוחד, כולל אלו הנושאים רק 0.005% מהתנופה הכוללת של הפרוטון. תוצאות התצפית אישרו שהרכב הפרוטון הרבה יותר מסובך ממודל הקווארקים של גל-מאן וצווייג: אלקטרונים ניתרו מ"מערבולת" של קווארקים בעלי מומנטום נמוך ומקביליהם האנטי-חומריים, אנטי-קווארקים.
מבנה מורכב של קווארקים ואנטי-קווארקים רבים. אנימציה: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
התוצאות אישרו את המורכב והמופרךתורת הכרומודינמיקה הקוונטית. זוהי תורת הקוונטים של הכוח החזק הקושר את הקווארקים. מודל זה מעניק לקווארקים תכונה חדשה, הנקראת "צבע", ומציג חלקיקים חדשים, גלוונים, הנושאים את האינטראקציה החזקה בין הקווארקים.
לכל קווארק ולכל גלואון יש אחד משלושהסוגי מטענים "צבע", המסומנים אדום, ירוק וכחול. חלקיקים טעוני צבע אלה מושכים זה את זה באופן טבעי ויוצרים קבוצה - כמו פרוטון - שצבעיה מסתכמים ללבן ניטרלי.
על פי תורת הכרומודינמיקה הקוונטית, גלווניםיכול לקלוט פרצי אנרגיה מיידיים. עם אנרגיה זו, החלקיקים הללו מתכלים לקווארק ולאנטיקווארק, כל אחד נושא רק כמות קטנה של תנופה, לפני שהזוג מתכלה ונעלם. זה ה"ים" הזה של גלואוני מעבר, קווארקים ואנטי-קווארקים שהתגלה על ידי הגלאים הרגישים של HERA.
הדמיית פרוטונים. אנימציה: MIT
מראה חדש ומקסים
התנגשויות קיצוניות באנרגיה גבוההמראים מגוון עצום של קווארקים, אניקירקים וגלואונים שלתוכם מתפרקים פרוטונים. התנגשויות עם פחות אנרגיה מציגות רק שלושה קווארקים ערכיים, שקובעים את המספר הקוונטי של חלקיק יסודי. אבל מחקר חדש מראה שלפעמים הפרוטון פועל כמבנה המורכב מחמישה קווארקים.
צוות מחקר בראשות חואן רוג'ומהמכון הלאומי לפיזיקה תת-אטומית בהולנד ואוניברסיטת VU של אמסטרדם ניתחו יותר מ-5,000 תמונות של פרוטונים שצולמו במהלך 50 השנים האחרונות, תוך שימוש בלמידת מכונה כדי לקבוע את התנועה של קווארקים וגלואונים בתוך פרוטון.
בדיקה חדשה נמצאה טשטוש רקעתמונות שחמקו מחוקרים קודמים. בהתנגשויות קלות יחסית שבקושי קרעו פרוטון, רוב המומנטום היה בשלושת הקווארקים הרגילים: שניים למעלה ואחד למטה. אבל כמות קטנה של מומנטום, כך הראו מחקרים, הגיעה מהקווארק ה"קסם" ומהאנטיקווארק המוקסם. אלו חלקיקים יסודיים גדולים, שכל אחד מהם כבד יותר מהפרוטון כולו ביותר משליש.
המחקר הראה שלמרות שהוא גבוהבהתנגשויות אנרגטיות, גלוונים יכולים להתפצל לכל אחד משישה סוגים שונים של קווארקים אם יש להם מספיק אנרגיה, קווארקים ואנטי-קווארקים קסומים נוצרים בתדירות גבוהה הרבה יותר, מה שהופך אותם בולטים אפילו בהתנגשויות קלות יחסית.
בהתנגשויות אלו, הפרוטון מופיע כתערובת קוונטית או סופרפוזיציה של מספר מצבים: אלקטרון מתנגש בדרך כלל עם שלושה קווארקים קלים. אבל מפעם לפעם הוא יתקל ב"מולקולה" נדירה יותר של חמישה קווארקים, כמו קווארק מעלה, מטה וצ'ארם המקובץ בצד אחד, וקווארק מעלה ואנטיקווארק מוקסם מהצד השני.
תוצאות אלו אינן רק תיאורטיותמַשְׁמָעוּת. לדוגמה, כמות מספקת של אנרגיה יכולה להיווצר בהתנגשות של פרוטוני קרינה קוסמית עם חלקיקים אלמנטריים בהרכב האטומים של האטמוספירה של כדור הארץ. בתהליך של התנגשויות כאלה, פרוטונים יכולים להתפרק לקוורקים מוקסמים ו"להישפך" לכדור הארץ בצורה של נויטרינו עתירי אנרגיה. זה יכול לבלבל צופים שמשתמשים בחלקיקים האלה כדי לחקור את היקום הרחוק.
מאה שנים לאחר גילוי פיזיקת הפרוטוניםלהמשיך ולחקור את המבנה הפנימי של חלקיקים יסודיים אלה. ניסויים מהדור הבא יחפשו עוד יותר תכונות לא ידועות. לדוגמה, פיזיקאים במעבדה הלאומית ברוקהייבן בארה"ב מתכננים לשגר את מתנגש האלקטרונים-יונים בשנות ה-30 ולהמשיך מהמקום שבו HERA הפסיקה. הם יצלמו תמונות ברזולוציה גבוהה יותר שיאפשרו את השחזורים התלת מימדיים הראשונים של הפרוטון.
זה אמור לעזור לחוקרים באופן סופילקבוע את מקור סיבוב הפרוטון ולענות על שאלות בסיסיות אחרות לגבי החלקיק הלא ברור המרכיב את רוב החומר הרגיל (הבריוני) שמסביב.
קרא עוד:
תזונה מיוחדת מעוררת הרס עצמי של תאי סרטן המוח בעכברים
מדענים פענחו את כתב היד המסתורי של תלמי. זה הוסתר מתחת לטקסט אחר
תמונה חדשה של האבל תמהה מדענים
על הכריכה: איור אמנותי של הקווארקים, האנטי-קווארקים והגלואונים הרבים בתוך פרוטון בודד. תמונה: D. Dominguez, CERN