原子という名前は、分割できないことを意味する古代ギリシャ語の「ἄτομος」に由来しています。の上
陽子は、そのような安定した 3 つの亜原子のうちの 1 つです。原子のビルディングブロックである粒子（他の2つは電子と中性子）。この名前 (古代ギリシャ語の「πρῶτος」から - 最初) は、1920 年にアーネスト ラザフォードによって提案されました。一連の実験で、英国の物理学者は、アルファ粒子 (ヘリウム原子の原子核) と衝突することによって、窒素から「水素の原子核」 (最も軽い化学元素) を抽出できることを示しました。
ラザフォードから1世紀以上後すべての原子の中心に正に荷電した粒子を発見しましたが、物理学者は依然として陽子とは何かを理解しようとしています。学校教師は通常、それらを 1 単位の正の電荷を持つ特徴のないボールであると説明します。より複雑なレベルでは、これらの粒子は、相互に接続された 3 つのクォーク (上に 2 つと下に 1 つ) のビームとして表現されます。
しかし、このモデルでさえ非常に単純化されています。何十年にもわたる研究により、奇妙すぎて言葉や画像で完全に伝えることができないより深い状況が明らかになり、探求が続けられています。
陽子の組成に関するアイデアの変化の芸術的なイラスト。画像: ブルックヘブン国立研究所
陽子を分解してその組成を調べる方法
陽子が含まれていることの証明多くの粒子は、前世紀の 60 年代後半にスタンフォードの SLAC 国立加速器研究所で初めて取得されました。以前の実験では、研究者らはそれらに電子を照射し、ビリヤードの玉のように跳ね返る様子を観察した。
SLAC粒子加速器で物理学者が初めて成功観測結果を変えるほど電子を強く加速します。電子は、深い非弾性散乱の過程で陽子を破壊するほど強く衝突し、クォークと呼ばれる陽子の点状の破片で跳ね返ります。
最初の発見であるこの発見の著者クォークの存在を証明し、1990 年のノーベル物理学賞を受賞しました。それ以来、世界中の科学者が何百もの散乱実験を行ってきました。彼らは、砲撃の強さを調整し、実験の結果としてどの散乱粒子を研究するかを選択することにより、オブジェクトの内部のさまざまな側面について結論を導き出します。
高エネルギー電子を使って、物理学者陽子をより細かく検出できます。したがって、電子エネルギーは、深部非弾性散乱実験の最大分解能を設定します。コライダーが強力になればなるほど、陽子の組成についてより完全な全体像が得られます。
高エネルギーコライダーもより広い範囲の衝突結果を生成し、研究者が分析のために異なるサブセットを選択できるようにします。この柔軟性は、異なる量の運動量で陽子内を動き回るクォークを理解するための鍵であることが判明しました。
散乱したそれぞれのエネルギーと軌道を測定することにより、電子、研究者はそれが跳ね返ったクォークを知ることができます.人口調査のような多くの反復実験の統計分析は、陽子の運動量がどのように分布しているか、またはそれがどのような種類のクォークで構成されているかを研究者に「伝えます」。
3つのクォーク以上
SLAC コライダーでの最初の実験3 つのクォークからの陽子の組成について、マレー ゲルマンとジョージ ツヴァイクによって以前に開発された理論を確認しました。衝突後の電子は、それぞれが陽子の 3 分の 1 の運動量を運ぶ 3 つの別々の粒子に衝突したかのように飛び散りました。
ゲルマンとツヴァイクのクォークモデルは次のように説明します。陽子は、それぞれ +2/3 の電荷を持つ 2 つの「アップ」クォークと、-1/3 の電荷を持つ 1 つの「ダウン」クォークで構成される粒子であり、陽子の総電荷は +1 になります。
しかし、クォークモデルは単純化しすぎています。重大な欠点があります。たとえば、回転（バック）に関しては機能しません。陽子、角運動量に似た量子特性。この素粒子のスピンは 1/2 で、アップ クォークとダウン クォークも同様です。
当初、物理学者は次のように想定していました。単純な電荷計算を繰り返す計算では、2 つのアップ クォークの単位の半分からダウン クォークの割合を引いたものが、全体としての陽子の単位の半分に等しくなるはずです。しかし、1988 年にヨーロッパのミュオン共同研究者は、クォークのスピンの合計は半分よりはるかに少ないと計算しました。
同様に、研究は質量が2 つのアップ クォークと 1 つのダウン クォークは、全陽子質量の約 1% しか占めていません。これは、この亜原子粒子の特性を説明する他の素粒子が内部に隠されている必要があることを意味しました。
プロトン構造の簡略化されたモデル。アニメーション：ブルックヘブン国立研究所
1つの粒子に多くのクォークと反クォーク
ドイツ語で HERA 粒子加速器1992 年から 2007 年まで、ハンブルグの研究センター DESY は、SLAC で達成された力よりも約 1000 倍高い力による電子と陽子の衝突を研究しました。実験は 10 年以上前に完了しましたが、物理学者は収集されたデータの分析を続けています。
HERA実験では、物理学者は研究することができました電子は、陽子の総運動量の 0.005% しか持たないものを含む、非常に運動量の低いクォークから跳ね返ります。観測の結果、陽子の組成はゲルマンとツヴァイクのクォークモデルよりもはるかに複雑であることが確認されました。電子は、低運動量のクォークとそれに対応する反物質である反クォークの「渦」から跳ね返ります。
多くのクォークと反クォークの複雑な構造。アニメーション: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
結果は、複雑で風変わりなものを確認しました量子色力学の理論。これがクォークを束縛する強い力の量子論です。このモデルは、暫定的に「色」と呼ばれる新しい特性をクォークに付与し、クォーク間の強い相互作用を運ぶ新しい粒子であるグルオンを導入します。
すべてのクォークとすべてのグルーオンは 3 つのうちの 1 つを持っています「カラー」チャージの種類、指定された赤、緑、青。これらの色を帯びた粒子は自然に互いに引き付け合い、陽子のようなグループを形成し、その色を合計すると中間の白になります。
量子色力学の理論によれば、グルオンはエネルギーの瞬間バーストを拾うことができます。このエネルギーにより、これらの粒子は崩壊してクォークと反クォークになり、ペアが消滅して消滅する前に、それぞれが少量の運動量しか持ちません。 HERA の高感度検出器によって発見されたのは、遷移グルオン、クォーク、反クォークのこの「海」です。
プロトンの可視化。アニメーション：MIT
魅力的な新しい外観
高エネルギー極限衝突は、陽子が崩壊してさまざまなクォーク、アニカーク、グルオンになることを示しています。より少ないエネルギーの衝突は、素粒子の量子数を決定する 3 つの価クォークのみを示します。しかし、新しい研究によると、陽子は 5 つのクォークで構成される構造として機能することがあります。
フアン・ロホ率いる研究チームオランダの国立素粒子物理学研究所とアムステルダム VU 大学の研究チームは、過去 50 年間に撮影された陽子の 5,000 枚以上の画像を分析し、機械学習を使用して陽子内のクォークとグルオンの動きを特定しました。
新しいチェックで背景のぼかしがオンになっていることがわかりました以前の研究者を逃した画像。陽子をかろうじて引き裂く比較的穏やかな衝突では、ほとんどの運動量は通常の 3 つのクォーク (2 つのアップと 1 つのダウン) にありました。しかし、研究によると、少量の運動量は「チャーム」クォークとチャームド反クォークに由来することが示されています。これらは大きな素粒子で、それぞれが陽子全体よりも 3 分の 1 以上重いです。
調査によると、エネルギー衝突では、十分なエネルギーがあれば、グルオンは 6 つの異なるタイプのクォークのいずれかに分裂する可能性があり、チャーム クォークと反クォークがはるかに頻繁に形成され、比較的穏やかな衝突でも目立つようになります。
これらの衝突では、陽子は次のように表示されます。複数の状態の量子混合または重ね合わせ。通常、電子は 3 つの軽いクォークと衝突します。しかし時折、彼は 5 つのクォークからなるまれな「分子」に遭遇します。たとえば、アップ クォーク、ダウン クォーク、チャーム クォークが片側に集まり、アップ クォークとチャームド アンチクォークが反対側に集まります。
これらの結果は理論的なものだけではありません意味。例えば、宇宙線の陽子が地球の大気の原子の組成に含まれる素粒子と衝突することによって、十分な量のエネルギーを発生させることができます。このような衝突の過程で、陽子は崩壊してチャームド クォークになり、高エネルギー ニュートリノの形で地球に「流出」する可能性があります。これは、これらの粒子を使用して遠い宇宙を研究する観測者を混乱させる可能性があります。
陽子物理学の発見から100年これらの素粒子の内部構造の研究を続けています。次世代の実験では、さらに未知の機能を探します。たとえば、米国のブルックヘブン国立研究所の物理学者は、2030 年代に電子イオン衝突型加速器を打ち上げ、HERA が中断したところから再開することを計画しています。彼らは、陽子の最初の 3D 再構成を可能にする高解像度の画像を取得します。
これは研究者を決定的に助けるはずです陽子の回転の起源を決定し、周囲の通常の (バリオン) 物質の大部分を構成するあいまいな粒子に関する他の基本的な質問に答えます。
続きを読む：
特別食がマウスの脳腫瘍細胞の自己破壊を引き起こす
科学者たちは、プトレマイオスの謎の写本を解読しました。他のテキストの下に隠れていました
ハッブルが困惑した科学者の新しい画像
表紙: 単一の陽子内の多くのクォーク、反クォーク、およびグルオンの芸術的なイラスト。画像: D. ドミンゲス、CERN