원자라는 이름은 분할할 수 없다는 뜻의 고대 그리스어 "ἄτομος"에서 유래되었습니다. ~에
양성자는 이러한 세 가지 안정한 아원자 중 하나입니다.원자의 구성 요소인 입자(다른 두 개는 전자와 중성자)입니다. 이 이름(고대 그리스어 "πρῶτος" - 첫 번째 이름)은 1920년 Ernest Rutherford가 제안했습니다. 일련의 실험에서 영국의 한 물리학자는 "수소의 핵"(가장 가벼운 화학 원소)이 알파 입자(헬륨 원자의 핵)와 충돌하여 질소에서 추출될 수 있음을 보여주었습니다.
러더퍼드 이후 100년 이상모든 원자의 중심에 있는 양전하 입자를 발견한 후에도 물리학자들은 여전히 양성자가 무엇인지 이해하려고 노력하고 있습니다. 학교 교사는 일반적으로 이를 한 단위의 양전하를 지닌 특징 없는 공으로 묘사합니다. 더 복잡한 수준에서 이러한 입자는 세 개의 상호 연결된 쿼크(위 2개, 아래 1개)의 빔으로 표시됩니다.
그러나이 모델조차도 강력한 단순화입니다.수십 년간의 연구를 통해 말이나 그림으로 완전히 전달하기에는 너무 기괴한 더 깊은 그림을 발견하고 계속해서 탐구하고 있습니다.
양성자의 구성에 대한 생각의 변화를 예술적으로 보여줍니다. 이미지: Brookhaven 국립 연구소
양성자를 분해하고 구성을 연구하는 방법
양성자가 포함되어 있다는 증거많은 입자가 지난 세기 60년대 후반 스탠포드의 SLAC 국립 가속기 연구소에서 처음으로 얻어졌습니다. 이전 실험에서 연구자들은 전자로 충격을 가하고 당구공처럼 튕기는 것을 관찰했습니다.
SLAC 입자가속기에서 물리학자들 최초로 성공관찰 결과를 바꿀 수 있을 만큼 전자를 강하게 가속합니다. 깊은 비탄성 산란 과정에서 전자는 양성자를 깨뜨릴 만큼 세게 부딪치고 쿼크라고 불리는 점 모양의 양성자 조각에서 튕겨 나옵니다.
이 발견의 저자는 최초의쿼크의 존재를 증명하여 1990년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그리고 전 세계의 과학자들은 그 이후로 수백 건의 산란 실험을 수행했습니다. 그들은 폭격의 강도를 조정하고 실험 결과로 연구하는 산란 입자를 선택하여 물체 내부의 다양한 측면에 대한 결론을 도출합니다.
고에너지 전자를 사용하는 물리학자양성자의 더 미세한 세부 사항을 감지할 수 있습니다. 따라서 전자 에너지는 깊은 비탄성 산란 실험의 최대 해상도를 설정합니다. 더 강력한 충돌체일수록 양성자의 구성에 대해 더 완전한 그림을 제공합니다.
더 높은 에너지 충돌체도더 넓은 범위의 충돌 결과를 생성하여 연구자가 분석을 위해 다른 하위 집합을 선택할 수 있습니다. 이러한 유연성은 다양한 양의 운동량으로 양성자 내부를 이동하는 쿼크를 이해하는 데 핵심적인 것으로 밝혀졌습니다.
흩어진 각각의 에너지와 궤적을 측정하여어떤 쿼크가 튀어나왔는지 알 수 있습니다. 인구 조사와 같은 많은 반복 실험의 통계 분석은 연구자에게 양성자의 운동량이 어떻게 분포되어 있는지 또는 어떤 종류의 쿼크로 구성되어 있는지 "알려줍니다".
세 개 이상의 쿼크
SLAC 충돌기에서의 첫 번째 실험머레이 겔만(Murray Gell-Mann)과 조지 츠바이그(George Zweig)가 세 개의 쿼크에서 양성자의 구성에 대해 이전에 개발한 이론을 확인했습니다. 충돌 후 전자는 마치 양성자 운동량의 1/3을 운반하는 세 개의 개별 입자로 충돌하는 것과 같은 방식으로 날아갔습니다.
Gell-Mann과 Zweig의 쿼크 모델은 다음과 같습니다.양성자는 각각 +2/3의 전하를 갖는 두 개의 "업" 쿼크와 -1/3의 전하를 갖는 하나의 "다운" 쿼크로 구성된 입자로서 양성자의 총 전하 +1을 제공합니다.
하지만 쿼크 모델은 지나치게 단순화된 것입니다.심각한 단점이 있습니다. 예를 들어 회전(뒤)의 경우에는 작동하지 않습니다 각운동량과 유사한 양자 특성인 양성자. 이 아원자 입자는 위쪽 및 아래쪽 쿼크와 마찬가지로 ½의 스핀을 갖습니다.
처음에 물리학자들은 다음과 같이 가정했습니다.단순 전하 산술을 반복하는 계산에서 두 업 쿼크 단위의 절반에서 다운 쿼크의 비율을 뺀 값은 전체 양성자 단위의 절반과 같아야 합니다. 그러나 1988년에 유럽 뮤온 협력(European Muon Collaboration)에서는 쿼크 스핀의 합이 절반에도 훨씬 못 미친다는 사실을 계산했습니다.
마찬가지로, 연구에 따르면 대중은2개의 업 쿼크와 1개의 다운 쿼크는 전체 양성자 질량의 약 1%만을 차지합니다. 이것은 이 아원자 입자의 속성을 설명할 다른 기본 입자가 내부에 숨겨져 있어야 함을 의미했습니다.
양성자 구조의 단순화된 모델. 애니메이션: Brookhaven 국립 연구소
하나의 입자에 많은 쿼크와 반쿼크
독일어로 된 HERA 입자 가속기1992년부터 2007년까지 함부르크에 있는 연구 센터 DESY는 SLAC에서 달성한 것보다 약 1000배 더 높은 힘으로 전자와 양성자의 충돌을 연구했습니다. 실험이 완료된 지 10년이 넘었지만 물리학자들은 수집된 데이터를 계속해서 분석하고 있습니다.
HERA 실험에서 물리학자들은 다음을 연구할 수 있었습니다.전자는 양성자 총 운동량의 0.005%만을 운반하는 쿼크를 포함하여 매우 낮은 운동량의 쿼크에서 튕겨 나갔습니다. 관찰 결과는 양성자의 구성이 Gell-Mann 및 Zweig의 쿼크 모델보다 훨씬 더 복잡하다는 것을 확인했습니다.
많은 쿼크와 반쿼크의 복잡한 구조. 애니메이션: MIT/Jefferson Lab/Sputnik 애니메이션
결과는 복잡하고 이상한 것을 확인했습니다.양자 색역학 이론. 이것이 쿼크를 묶는 강한 힘의 양자 이론입니다. 이 모델은 쿼크에 잠정적으로 "색상"이라고 하는 새로운 속성을 부여하고 쿼크 간의 강력한 상호 작용을 수행하는 새로운 입자인 글루온을 도입합니다.
모든 쿼크와 모든 글루온은 세 가지 중 하나를 가지고 있습니다.빨간색, 녹색, 파란색으로 지정된 "색상" 요금 유형입니다. 이러한 색상으로 대전된 입자는 자연스럽게 서로를 끌어당겨 양성자와 같은 그룹을 형성하며, 그 색상이 합쳐져 중성 흰색이 됩니다.
양자 색역학 이론에 따르면 글루온은즉각적인 에너지 폭발을 일으킬 수 있습니다. 이 에너지로 이 입자들은 쿼크와 반쿼크로 붕괴되고, 각 입자는 작은 양의 운동량만 가지고 쌍이 소멸되어 사라집니다. HERA의 민감한 검출기에 의해 발견된 것은 전이 글루온, 쿼크 및 반쿼크의 "바다"입니다.
양성자 시각화. 애니메이션: MIT
매력적인 새로운 모습
고에너지 극한 충돌양성자가 붕괴하는 매우 다양한 쿼크, 아니키크 및 글루온을 보여줍니다. 에너지가 적은 충돌은 기본 입자의 양자수를 결정하는 3개의 원자가 쿼크만 나타냅니다. 그러나 새로운 연구에 따르면 때때로 양성자는 5개의 쿼크로 구성된 구조로 작용합니다.
Juan Rojo가 이끄는 연구팀네덜란드 국립아원자물리학연구소(National Institute for Subatomic Physics)와 암스테르담 VU 대학교(VU University of Amsterdam)는 양성자 내부의 쿼크와 글루온의 움직임을 결정하기 위해 기계 학습을 사용하여 지난 50년 동안 촬영한 5,000개 이상의 양성자 이미지를 분석했습니다.
새 수표에서 배경 흐림 효과를 찾았습니다.이전 연구원을 피했던 이미지. 양성자를 간신히 쪼개는 상대적으로 가벼운 충돌에서 대부분의 운동량은 보통 3개의 쿼크(위로 2개, 아래로 1개)에 있었습니다. 그러나 약간의 모멘텀은 "참" 쿼크와 참된 반쿼크에서 온 것으로 연구 결과 밝혀졌습니다. 이들은 각각 전체 양성자보다 1/3 이상 무거운 큰 소립자입니다.
연구 결과에 따르면 비록 높은활발한 충돌에서 글루온은 에너지가 충분하면 6가지 유형의 쿼크로 분리될 수 있으며, 매력적인 쿼크와 반쿼크는 훨씬 더 자주 형성되어 상대적으로 가벼운 충돌에서도 눈에 띕니다.
이러한 충돌에서 양성자는 다음과 같이 나타납니다.여러 상태의 양자 혼합 또는 중첩: 전자는 일반적으로 세 개의 가벼운 쿼크와 충돌합니다. 그러나 때때로 그는 한쪽에 모여 있는 업, 다운, 참 쿼크, 다른 한쪽에 모여 있는 업 쿼크와 참드 안티쿼크와 같은 5개의 쿼크로 이루어진 보다 희귀한 "분자"를 만날 것입니다.
이러한 결과는 이론적일 뿐만 아니라의미. 예를 들어, 지구 대기의 원자 구성에서 기본 입자와 우주 방사선 양성자의 충돌에 의해 충분한 양의 에너지가 생성될 수 있습니다. 이러한 충돌 과정에서 양성자는 매력적인 쿼크로 붕괴되어 고에너지 중성미자의 형태로 지구에 "유출"될 수 있습니다. 이것은 이 입자를 사용하여 먼 우주를 연구하는 관찰자를 혼란스럽게 할 수 있습니다.
양성자 물리학 발견 후 100년이 기본 입자의 내부 구조를 계속 연구합니다. 차세대 실험은 훨씬 더 알려지지 않은 기능을 찾을 것입니다. 예를 들어, 미국 브룩헤이븐 국립 연구소의 물리학자들은 2030년대에 전자 이온 충돌기를 발사하고 HERA가 중단한 지점에서 시작할 계획입니다. 그들은 양성자의 첫 번째 3D 재구성을 가능하게 할 더 높은 해상도의 이미지를 찍을 것입니다.
이는 연구자에게 확실히 도움이 될 것입니다.양성자 회전의 기원을 결정하고 주변 일반(중입자) 물질의 대부분을 구성하는 모호한 입자에 대한 다른 근본적인 질문에 답하십시오.
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표지: 단일 양성자 안에 있는 많은 쿼크, 반쿼크 및 글루온의 예술적인 삽화. 이미지: D. Dominguez, CERN