Pavadinimas atomas kilęs iš senovės graikų žodžio „ἄτομος“, kuris verčiamas kaip nedalomas. Įjungta
Protonas yra vienas iš trijų tokių stabilių subatomųdalelės (kiti du yra elektronai ir neutronai), kurie yra atomų statybiniai blokai. Šį pavadinimą (iš senovės graikų kalbos „πρῶτος“ – pirmasis) pasiūlė Ernestas Rutherfordas 1920 m. Atlikdamas daugybę eksperimentų, britų fizikas įrodė, kad „vandenilio branduolys“ (lengviausias cheminis elementas) gali būti išgaunamas iš azoto, susidūrus su alfa dalele (helio atomo branduoliu).
Praėjus daugiau nei šimtmečiui po Rutherfordoatrado teigiamai įkrautą dalelę kiekvieno atomo širdyje, fizikai vis dar bando suprasti, kas yra protonas. Mokyklų mokytojai paprastai juos apibūdina kaip be savybių kamuoliukus, turinčius vieną teigiamo elektros krūvio vienetą. Sudėtingesniu lygmeniu šios dalelės vaizduojamos kaip trijų tarpusavyje susijusių kvarkų pluoštas: du aukštyn ir vienas žemyn.
Tačiau net ir šis modelis yra stiprus supaprastinimas.Dešimtmečius trukę tyrimai atskleidė ir toliau tyrinėja gilesnį vaizdą, kuris yra pernelyg keistas, kad jį būtų galima perteikti žodžiais ar vaizdais.
Meninė iliustracija kintančių idėjų apie protono sudėtį. Vaizdas: Brookhaven nacionalinė laboratorija
Kaip suskaidyti protoną ir ištirti jo sudėtį
Įrodymas, kad protone yradaug dalelių, pirmą kartą buvo gauta SLAC nacionalinėje greitintuvo laboratorijoje Stanforde praėjusio amžiaus 60-ųjų pabaigoje. Ankstesnių eksperimentų metu mokslininkai bombarduodavo juos elektronais ir stebėjo, kaip jie rikošeto kaip biliardo kamuoliukai.
SLAC dalelių greitintuve fizikams tai pavyko pirmą kartąpakankamai stipriai pagreitinti elektronus, kad pasikeistų stebėjimų rezultatai. Giliai neelastingos sklaidos procese elektronai pakankamai stipriai atsitrenkė į protoną, kad jį sulaužytų, ir atsimušė nuo taškinių protono fragmentų, vadinamų kvarkais.
Šio atradimo, kuris buvo pirmasis, autoriaikvarkų egzistavimo įrodymas, 1990 metais pelnė Nobelio fizikos premiją. Ir nuo to laiko mokslininkai visame pasaulyje atliko šimtus sklaidos eksperimentų. Jie daro išvadas apie įvairius objekto interjero aspektus, koreguodami bombardavimo stiprumą ir pasirinkdami, kurias išsklaidytas daleles tirs atlikdami eksperimentą.
Naudodami didelės energijos elektronus, fizikaigali aptikti smulkesnes protono detales. Taigi, elektronų energija nustato didžiausią gilaus neelastingo sklaidos eksperimento skiriamąją gebą. Kuo galingesni greitintuvai, tuo išsamesnį vaizdą jie pateikia apie protono sudėtį.
Taip pat didesnės energijos susidūrimo įrenginiaipateikia platesnį susidūrimo rezultatų spektrą, leidžiantį tyrėjams analizuoti skirtingus poaibius. Šis lankstumas pasirodė esąs raktas į supratimą apie kvarkus, kurie protono viduje juda skirtingais judesiais.
Matuojant kiekvieno išsibarsčiusio energiją ir trajektorijąelektroną, mokslininkai gali pasakyti, nuo kurio kvarko jis atsimušė. Daugelio pakartotinių eksperimentų, pavyzdžiui, gyventojų surašymo, statistinė analizė „pasako“ tyrėjams, kaip pasiskirsto protono impulsas arba iš kokių kvarkų jis susideda.
Daugiau nei trys kvarkai
Pirmieji eksperimentai SLAC greitintuvepatvirtino Murray Gell-Mann ir George'o Zweigo anksčiau sukurtą teoriją apie trijų kvarkų protono sudėtį. Elektronai po susidūrimo praskriejo taip, tarsi atsitrenktų į tris atskiras daleles, kurių kiekviena neša trečdalį protono impulso.
Gell-Mann ir Zweig kvarko modelis aprašoprotonas kaip dalelė, susidedanti iš dviejų „aukštyn“ kvarkų, kurių kiekvieno elektros krūvis yra +2/3, ir vieno „žemyn“ kvarko, kurio krūvis yra -1/3, o tai suteikia bendrą protono krūvį +1.
Tačiau kvarko modelis yra pernelyg supaprastintas,turi rimtų trūkumų. Pavyzdžiui, jis neveikia, kai reikia pasukti (atgal) protonas, kvantinė savybė, panaši į kampinį impulsą. Šios subatominės dalelės sukimasis yra ½, kaip ir kiekvieno jos aukštyn ir žemyn kvarko.
Iš pradžių fizikai manė, kad mAtliekant skaičiavimus, kurie kartoja paprastą krūvio aritmetiką, pusė dviejų viršutinių kvarkų vienetų, atėmus apatinio kvarko dalį, turėtų būti lygus pusei viso protono vieneto. Tačiau 1988 m. Europos miuonų bendradarbiavimo organizacija apskaičiavo, kad kvarkų sukimai sudaro daug mažiau nei pusę.
Panašiai tyrimai parodė, kad masėsdu aukštyn kvarkai ir vienas žemyn kvarkas sudaro tik apie 1% visos protonų masės. Tai reiškė, kad jos viduje turi būti paslėpta dar kažkas – kitos elementarios dalelės, kurios paaiškintų šios subatominės dalelės savybes.
Supaprastintas protonų struktūros modelis. Animacija: Brookhaven nacionalinė laboratorija
Daug kvarkų ir antikvarkų vienoje dalelėje
HERA dalelių greitintuvas vokiečių kalbatyrimų centras DESY Hamburge 1992–2007 metais tyrė elektronų ir protonų susidūrimą, kurio jėga maždaug tūkstantį kartų didesnė nei pasiekiama SLAC. Nors eksperimentas buvo baigtas daugiau nei prieš 10 metų, fizikai ir toliau analizuoja surinktus duomenis.
HERA eksperimentuose fizikai galėjo mokytiselektronai atsimušė nuo itin mažo impulso kvarkų, įskaitant tuos, kurie neša tik 0,005 % viso protono impulso. Stebėjimo rezultatai patvirtino, kad protono sudėtis yra daug sudėtingesnė nei Gell-Mann ir Zweig kvarkų modelis: elektronai atsimušė į mažo impulso kvarkų ir jų antimedžiagų atitikmenų antikvarkų „sūkurį“.
Sudėtinga daugelio kvarkų ir antikvarkų struktūra. Animacija: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Rezultatai patvirtino sudėtingumą ir neįprastąkvantinės chromodinamikos teorija. Tai stiprios jėgos, jungiančios kvarkus, kvantinė teorija. Šis modelis suteikia kvarkams naują savybę, preliminariai vadinamą „spalva“, ir įveda naujas daleles, gliuonus, turinčius stiprią kvarkų sąveiką.
Kiekvienas kvarkas ir kiekvienas gliuonas turi vieną iš trijų„spalvotų“ užtaisų tipai, žymimi raudona, žalia ir mėlyna. Šios spalvotai įkrautos dalelės natūraliai traukia viena kitą ir sudaro grupę, kaip protoną, kurios spalvos kartu sudaro neutralią baltą.
Pagal kvantinės chromodinamikos teoriją gliuonaigali pasiimti momentinius energijos pliūpsnius. Esant šiai energijai, šios dalelės skyla į kvarką ir antikvarką, kurių kiekvienas turi tik nedidelį pagreitį, kol pora susinaikina ir išnyksta. Būtent šią pereinamųjų gliuonų, kvarkų ir antikvarkų „jūrą“ atrado jautrūs HERA detektoriai.
Protonų vizualizacija. Animacija: MIT
Žavinga nauja išvaizda
Didelės energijos ekstremalūs susidūrimaiparodyti didžiulę įvairovę kvarkų, anikirkų ir gliuonų, į kuriuos skyla protonai. Susidūrimai su mažiau energijos rodo tik tris valentinius kvarkus, kurie lemia elementariosios dalelės kvantinį skaičių. Tačiau naujas tyrimas rodo, kad kartais protonas veikia kaip struktūra, sudaryta iš penkių kvarkų.
Juano Rojo vadovaujama tyrimų grupėNacionalinis subatominės fizikos institutas Nyderlanduose ir VU Amsterdamo universitetas išanalizavo daugiau nei 5000 protonų vaizdų, paimtų per pastaruosius 50 metų, naudodami mašininį mokymąsi, kad nustatytų kvarkų ir gliuonų judėjimą protone.
Naujas patikrinimas aptiko fono suliejimąvaizdai, kurių ankstesni tyrinėtojai nepastebėjo. Santykinai lengvuose susidūrimuose, kurie vos suplėšė protoną, daugiausia impulso buvo įprastuose trijuose kvarkuose: du aukštyn ir vienas žemyn. Tačiau, kaip parodė tyrimai, nedidelį pagreitį suteikė „žavesys“ kvarkas ir žavus antikvarkas. Tai didelės elementarios dalelės, kurių kiekviena yra sunkesnė už visą protoną daugiau nei trečdaliu.
Tyrimas parodė, kad nors aukštasEnergingų susidūrimų metu gliuonai gali suskilti į bet kurį iš šešių skirtingų kvarkų tipų, jei jiems užtenka energijos, žavūs kvarkai ir antikvarkai formuojasi daug dažniau, todėl jie pastebimi net ir santykinai lengvų susidūrimų metu.
Šiuose susidūrimuose protonas atrodo kaipkvantinis mišinys arba kelių būsenų superpozicija: elektronas dažniausiai susiduria su trimis šviesos kvarkais. Tačiau retkarčiais jis susidurs su retesnėmis penkių kvarkų „molekulėmis“, tokiomis kaip aukštyn, žemyn ir žavesio kvarkas, susitelkęs vienoje pusėje, o aukštyn kvarkas ir žavusis antikvarkas kitoje.
Šie rezultatai nėra tik teoriniaiprasmė. Pavyzdžiui, pakankamas energijos kiekis gali būti sukurtas susidūrus kosminės spinduliuotės protonams su elementariomis dalelėmis, esančiomis žemės atmosferos atomų sudėtyje. Tokių susidūrimų metu protonai gali suirti į žavius kvarkus ir „išsilieti“ į Žemę didelės energijos neutrinų pavidalu. Tai gali suklaidinti stebėtojus, kurie naudoja šias daleles tolimos visatos tyrinėjimui.
Šimtas metų po protonų fizikos atradimotoliau tirti šių elementariųjų dalelių vidinę struktūrą. Naujos kartos eksperimentuose bus ieškoma dar daugiau nežinomų funkcijų. Pavyzdžiui, JAV Brukhaveno nacionalinės laboratorijos fizikai planuoja 2030-aisiais paleisti elektronų jonų greitintuvą ir tęsti ten, kur HERA baigė. Jie darys didesnės raiškos vaizdus, kurie leis atlikti pirmąsias 3D protono rekonstrukcijas.
Tai turėtų neabejotinai padėti tyrėjamsnustatyti protono sukimosi kilmę ir atsakyti į kitus esminius klausimus apie neaiškią dalelę, kuri sudaro didžiąją dalį supančios įprastos (barioninės) materijos.
Skaityti daugiau:
Speciali dieta sukelia pelių smegenų vėžio ląstelių savaiminį sunaikinimą
Mokslininkai iššifravo paslaptingą Ptolemėjaus rankraštį. Jis buvo paslėptas po kitu tekstu
Naujas Hablo vaizdas suglumino mokslininkus
Viršelyje: meninė daugybės kvarkų, antikvarkų ir gliuonų, esančių viename protone, iliustracija. Vaizdas: D. Dominguezas, CERN