De naam atoom komt van het oudgriekse woord "ἄτομος", wat zich vertaalt als ondeelbaar. Op
Het proton is een van de drie van zulke stabiele subatomaire atomendeeltjes (de andere twee zijn elektronen en neutronen), de bouwstenen van atomen. Deze naam (van het oude Griekse "πρῶτος" - eerste) werd in 1920 voorgesteld door Ernest Rutherford. In een reeks experimenten toonde een Britse natuurkundige aan dat de "kern van waterstof" (het lichtste chemische element) uit stikstof kon worden gehaald door te botsen met een alfadeeltje (de kern van een heliumatoom).
Meer dan een eeuw na RutherfordNadat ze het positief geladen deeltje in de kern van elk atoom ontdekten, proberen natuurkundigen nog steeds te begrijpen wat een proton is. Schoolleraren beschrijven ze meestal als karakterloze ballen met één eenheid positieve elektrische lading. Op een complexer niveau worden deze deeltjes weergegeven als een bundel van drie onderling verbonden quarks: twee omhoog en één omlaag.
Maar zelfs dit model is een sterke vereenvoudiging.Tientallen jaren van onderzoek hebben een dieper beeld blootgelegd en blijven dit onderzoeken, dat te bizar is om volledig in woorden of beelden weer te geven.
Artistieke illustratie van wisselende ideeën over de samenstelling van het proton. Afbeelding: Brookhaven National Laboratory
Hoe een proton uit elkaar te halen en de samenstelling ervan te bestuderen
Bewijs dat een proton bevatveel deeltjes, werd voor het eerst verkregen in het SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford aan het eind van de jaren zestig van de vorige eeuw. In eerdere experimenten bombardeerden onderzoekers ze met elektronen en keken hoe ze afketsten als biljartballen.
Bij de deeltjesversneller SLAC zijn natuurkundigen daar voor het eerst in geslaagdversnellen de elektronen sterk genoeg om de resultaten van waarnemingen te veranderen. De elektronen raakten tijdens het proces van diepe inelastische verstrooiing het proton hard genoeg om het te breken en weerkaatsten tegen puntfragmenten van het proton die quarks worden genoemd.
De auteurs van deze ontdekking, die de eerste wasbewijs van het bestaan van quarks, won in 1990 de Nobelprijs voor natuurkunde. En wetenschappers over de hele wereld hebben sindsdien honderden verstrooiingsexperimenten uitgevoerd. Ze trekken conclusies over verschillende aspecten van het interieur van het object door de sterkte van het bombardement aan te passen en te kiezen welke verstrooide deeltjes ze bestuderen als resultaat van het experiment.
Met behulp van hoogenergetische elektronen, natuurkundigenkan fijnere details van het proton detecteren. De elektronenenergie bepaalt dus de maximale resolutie van het diepe inelastische verstrooiingsexperiment. Hoe krachtiger colliders, hoe completer ze een beeld geven van de samenstelling van het proton.
Botsers met hogere energie ookproduceren een breder scala aan botsingsresultaten, waardoor onderzoekers verschillende subsets kunnen selecteren voor analyse. Deze flexibiliteit bleek de sleutel te zijn tot het begrijpen van quarks, die met verschillende hoeveelheden momentum in het proton bewegen.
Door de energie en het traject van elke verspreide te metenelektron kunnen onderzoekers zien op welke quark het is teruggekaatst. Statistische analyse van veel herhaalde experimenten, zoals een volkstelling, 'vertelt' onderzoekers hoe het momentum van een proton is verdeeld of uit wat voor soort quarks het bestaat.
Meer dan alleen drie quarks
Eerste experimenten bij de SLAC-botserbevestigde de eerder door Murray Gell-Mann en George Zweig ontwikkelde theorie over de samenstelling van het proton uit drie quarks. De elektronen vlogen na de botsing uit elkaar alsof ze in drie afzonderlijke deeltjes botsten, die elk een derde van het momentum van het proton dragen.
Het quarkmodel van Gell-Mann en Zweig beschrijftproton als een deeltje bestaande uit twee “up” quarks met een elektrische lading van elk +2/3 en één “down” quark met een lading van -1/3, wat de totale lading van het proton +1 geeft.
Maar het quarkmodel is een te grote vereenvoudiging,heeft ernstige tekortkomingen. Het werkt bijvoorbeeld niet als het gaat om het draaien (terug) proton, een kwantumeigenschap die lijkt op impulsmoment. Dit subatomaire deeltje heeft een spin van ½, net als elk van zijn up- en down-quarks.
Aanvankelijk gingen natuurkundigen ervan uit datBij berekeningen waarbij eenvoudige ladingsberekeningen worden herhaald, zou de helft van de eenheden van de twee up-quarks minus de fractie van de down-quark gelijk moeten zijn aan de helft van de eenheid van het proton als geheel. Maar in 1988 berekende de European Muon Collaboration dat de quark-spins veel minder dan de helft uitmaken.
Evenzo hebben studies aangetoond dat massa'stwee up-quarks en één down-quark vormen slechts ongeveer 1% van de totale protonmassa. Dit betekende dat er iets anders in verborgen moest zijn - andere elementaire deeltjes die de eigenschappen van dit subatomaire deeltje zouden verklaren.
Vereenvoudigd model van de protonstructuur. Animatie: Brookhaven National Laboratory
Veel quarks en antiquarks in één deeltje
HERA-deeltjesversneller in het Duitsonderzoekscentrum DESY in Hamburg bestudeerde van 1992 tot 2007 de botsing van elektronen en protonen met een kracht die ongeveer duizend keer groter was dan die bereikt bij SLAC. Hoewel het experiment meer dan 10 jaar geleden is voltooid, blijven natuurkundigen de verzamelde gegevens analyseren.
In de HERA-experimenten konden natuurkundigen studerenelektronen stuiterden op quarks met een extreem laag momentum, inclusief die met slechts 0,005% van het totale momentum van het proton. De resultaten van de waarneming bevestigden dat de samenstelling van het proton veel gecompliceerder is dan het quarkmodel van Gell-Mann en Zweig: elektronen stuiterden van de "draaikolk" van quarks met een laag momentum en hun antimaterie-tegenhangers, antiquarks.
Een complexe structuur van veel quarks en antiquarks. Animatie: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
De resultaten bevestigden het complexe en bizarretheorie van kwantumchromodynamica. Dit is de kwantumtheorie van de sterke kracht die quarks bindt. Dit model geeft quarks een nieuwe eigenschap, voorlopig "kleur" genoemd, en introduceert nieuwe deeltjes, gluonen, die de sterke interactie tussen quarks dragen.
Elke quark en elk gluon heeft er één van driesoorten "kleur" -ladingen, aangeduid met rood, groen en blauw. Deze kleurgeladen deeltjes trekken elkaar op natuurlijke wijze aan en vormen een groep (zoals een proton) waarvan de kleuren samen neutraal wit vormen.
Volgens de theorie van de kwantumchromodynamica zijn gluonenkan onmiddellijke uitbarstingen van energie oppikken. Met deze energie vervallen deze deeltjes in een quark en een antiquark, elk met slechts een kleine hoeveelheid momentum, voordat het paar annihileert en verdwijnt. Het is deze "zee" van overgangsgluonen, quarks en antiquarks die werd ontdekt door de gevoelige detectoren van HERA.
Proton visualisatie. Animatie: MIT
Charmante nieuwe look
Extreme botsingen met hoge energielaten een grote verscheidenheid aan quarks, anikirks en gluonen zien waarin protonen vervallen. Botsingen met minder energie vertonen slechts drie valentie-quarks, die het kwantumgetal van een elementair deeltje bepalen. Maar een nieuwe studie toont aan dat het proton soms fungeert als een structuur die uit vijf quarks bestaat.
Onderzoeksteam onder leiding van Juan Rojovan het Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica in Nederland en de Vrije Universiteit van Amsterdam analyseerden meer dan 5.000 afbeeldingen van protonen die in de afgelopen 50 jaar zijn gemaakt, met behulp van machine learning om de beweging van quarks en gluonen in een proton te bepalen.
Nieuw vinkje gevonden achtergrondvervaging ingeschakeldbeelden die eerdere onderzoekers waren ontgaan. Bij relatief milde botsingen die nauwelijks een proton uit elkaar scheurden, zat het grootste deel van het momentum in de gebruikelijke drie quarks: twee omhoog en één omlaag. Maar een kleine hoeveelheid momentum, zo hebben studies aangetoond, kwam van de "charm" -quark en de charmed antiquark. Dit zijn grote elementaire deeltjes, die elk meer dan een derde zwaarder zijn dan het hele proton.
Uit het onderzoek bleek dat, hoewel op een hoog niveauTerwijl gluonen zich bij energetische botsingen in zes verschillende soorten quarks kunnen splitsen als ze voldoende energie hebben, worden charm-quarks en antiquarks veel vaker gevormd, waardoor ze zelfs bij relatief milde botsingen merkbaar zijn.
Bij deze botsingen verschijnt het proton alskwantummengsel of superpositie van verschillende toestanden: een elektron botst meestal met drie lichte quarks. Maar zo nu en dan zal hij een zeldzamer 'molecuul' van vijf quarks tegenkomen, zoals een up-, down- en charm-quark gegroepeerd aan de ene kant, en een up-quark en een charm-antiquark aan de andere kant.
Deze resultaten zijn niet alleen theoretischbetekenis. Er kan bijvoorbeeld voldoende energie worden gegenereerd wanneer protonen uit kosmische straling botsen met elementaire deeltjes in de atomen van de atmosfeer van de aarde. Tijdens dergelijke botsingen kunnen protonen vervallen tot charm-quarks en op aarde terechtkomen in de vorm van hoogenergetische neutrino's. Dit zou waarnemers die deze deeltjes gebruiken om het verre heelal te bestuderen, in verwarring kunnen brengen.
Honderd jaar na de ontdekking van protonen, natuurkundega door met het bestuderen van de interne structuur van deze elementaire deeltjes. De volgende generatie experimenten zal op zoek gaan naar nog meer onbekende kenmerken. Natuurkundigen van het Brookhaven National Laboratory in de VS zijn bijvoorbeeld van plan om in de jaren 2030 een elektronen-ionenbotser te lanceren en verder te gaan waar HERA was gebleven. Ze zullen beelden met een hogere resolutie maken die de eerste 3D-reconstructies van het proton mogelijk zullen maken
Dit zou onderzoekers definitief moeten helpende oorsprong van de spin van het proton bepalen en andere fundamentele vragen beantwoorden over het mysterieuze deeltje waaruit het grootste deel van de omringende gewone (baryonische) materie bestaat.
Lees verder:
Speciaal dieet veroorzaakt zelfvernietiging van hersenkankercellen bij muizen
Wetenschappers hebben het mysterieuze manuscript van Ptolemaeus ontcijferd. Het was verborgen onder andere tekst
Nieuw beeld van Hubble verbaasde wetenschappers
Op de omslag: een artistieke illustratie van vele quarks, antiquarks en gluonen in één enkel proton. Afbeelding: D. Dominguez, CERN