Navnet atom kommer fra det eldgamle greske ordet "ἄτομος", som oversettes som udelelig. På
Protonet er ett av tre slike stabile subatomærepartikler (de to andre er elektroner og nøytroner), som er byggesteinene til atomer. Dette navnet (fra det gamle greske "πρῶτος" - først) ble foreslått av Ernest Rutherford i 1920. I en serie eksperimenter viste en britisk fysiker at "hydrogenkjernen" (det letteste kjemiske elementet) kunne utvinnes fra nitrogen ved å kollidere med en alfapartikkel (kjernen til et heliumatom).
Mer enn et århundre etter Rutherfordoppdaget den positivt ladede partikkelen i hjertet av hvert atom, prøver fysikere fortsatt å forstå hva et proton er. Skolelærere beskriver dem vanligvis som karakterløse baller med én enhet positiv elektrisk ladning. På et mer komplekst nivå er disse partiklene representert som en stråle av tre sammenkoblede kvarker: to opp og én ned.
Men selv denne modellen er en sterk forenkling.Tiår med forskning har avdekket og fortsetter å utforske et dypere bilde som er for bisarrt til å kunne formidles fullt ut i ord eller bilder.
Kunstnerisk illustrasjon av skiftende ideer om sammensetningen av protonet. Bilde: Brookhaven National Laboratory
Hvordan bryte et proton fra hverandre og studere sammensetningen
Bevis på at et proton inneholdermange partikler, ble først oppnådd ved SLAC National Accelerator Laboratory i Stanford på slutten av 60-tallet av forrige århundre. I tidligere eksperimenter bombarderte forskere dem med elektroner og så dem rikosjettere som biljardballer.
Ved SLAC-partikkelakseleratoren lyktes fysikere for første gangakselerere elektronene sterkt nok til å endre resultatene av observasjoner. Elektronene, i ferd med dyp uelastisk spredning, traff protonet hardt nok til å bryte det og sprettede av punktlignende fragmenter av protonet kalt kvarker.
Forfatterne av denne oppdagelsen, som var den førstebevis på eksistensen av kvarker, vant 1990 Nobelprisen i fysikk. Og forskere over hele verden har siden utført hundrevis av spredningsforsøk. De trekker konklusjoner om ulike aspekter ved objektets indre ved å justere styrken på bombardementet og velge hvilke spredte partikler de studerer som et resultat av eksperimentet.
Ved hjelp av høyenergielektroner, fysikerekan oppdage finere detaljer av protonet. Dermed setter elektronenergien den maksimale oppløsningen til det dype uelastiske spredningseksperimentet. Jo kraftigere kollidere, jo mer fullstendig bilde gir de om sammensetningen av protonet.
Høyenergi kolliderer ogsåprodusere et bredere spekter av kollisjonsresultater, slik at forskere kan velge forskjellige delsett for analyse. Denne fleksibiliteten viste seg å være nøkkelen til å forstå kvarker, som beveger seg rundt inne i protonet med ulik mengde fart.
Ved å måle energien og banen til hver spredtelektron, kan forskere fortelle hvilken kvark den spratt av. Statistisk analyse av mange gjentatte eksperimenter, som en folketelling, "forteller" forskere hvordan bevegelsesmengden til et proton er fordelt eller hva slags kvarker det består av.
Mer enn bare tre kvarker
Første eksperimenter ved SLAC-kolliderenbekreftet teorien utviklet tidligere av Murray Gell-Mann og George Zweig om sammensetningen av protonet fra tre kvarker. Elektronene etter kollisjonen fløy fra hverandre på en slik måte som om de krasjet inn i tre separate partikler, som hver bærer en tredjedel av protonets bevegelsesmengde.
Kvarkmodellen til Gell-Mann og Zweig beskriverproton som en partikkel bestående av to "opp"-kvarker med en elektrisk ladning på +2/3 hver og en "ned"-kvark med en ladning på -1/3, som gir protonets totale ladning +1.
Men kvarkmodellen er en overforenkling,har alvorlige mangler. Det fungerer for eksempel ikke når det gjelder rotasjon (tilbake) proton, en kvanteegenskap som ligner på vinkelmoment. Denne subatomære partikkelen har et spinn på ½, det samme gjør hver av dens opp- og nedkvarker.
Opprinnelig antok fysikere at iI beregninger som gjentar enkel ladningsaritmetikk, skal halvparten av enhetene til de to opp-kvarkene minus brøkdelen av ned-kvarken tilsvare halvparten av enheten til protonet som helhet. Men i 1988 beregnet European Muon Collaboration at kvarkspinnene utgjør mye mindre enn halvparten.
På samme måte har studier vist at masserto opp-kvarker og en ned-kvarker utgjør bare omtrent 1 % av den totale protonmassen. Dette betydde at noe annet måtte skjules inne i den - andre elementærpartikler som ville forklare egenskapene til denne subatomære partikkelen.
Forenklet modell av protonstrukturen. Animasjon: Brookhaven National Laboratory
Mange kvarker og antikvarker i en partikkel
HERA partikkelakselerator på tyskforskningssenteret DESY i Hamburg fra 1992 til 2007 studerte kollisjonen av elektroner og protoner med en kraft som er omtrent tusen ganger høyere enn den som ble oppnådd ved SLAC. Selv om eksperimentet ble fullført for over 10 år siden, fortsetter fysikere å analysere de innsamlede dataene.
I HERA-eksperimentene var fysikere i stand til å studereelektroner sprettet av kvarker med ekstremt lavt momentum, inkludert de som bare bærer 0,005 % av protonets totale momentum. Resultatene av observasjonen bekreftet at sammensetningen av protonet er mye mer komplisert enn kvarkmodellen til Gell-Mann og Zweig: elektroner sprettes av "virvelen" til kvarker med lavt momentum og deres antimaterie-motstykker, antikvarker.
En kompleks struktur av mange kvarker og antikvarker. Animasjon: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Resultatene bekreftet det komplekse og merkeligeteori om kvantekromodynamikk. Dette er kvanteteorien om den sterke kraften som binder kvarker. Denne modellen gir kvarker en ny egenskap, foreløpig kalt "farge", og introduserer nye partikler, gluoner, som bærer det sterke samspillet mellom kvarker.
Hver kvark og hver gluon har en av tretyper "farge" ladninger, betegnet rød, grønn og blå. Disse fargeladede partiklene tiltrekker hverandre naturlig og danner en gruppe – som et proton – hvis farger utgjør nøytralhvitt.
I følge teorien om kvantekromodynamikk, gluonerkan fange opp umiddelbare energiutbrudd. Med denne energien forfaller disse partiklene til en kvark og en antikvark, som hver bærer bare en liten mengde momentum, før paret tilintetgjør og forsvinner. Det er dette "havet" av overgangsgluoner, kvarker og antikvarker som ble oppdaget av de sensitive detektorene til HERA.
Protonvisualisering. Animasjon: MIT
Sjarmerende nytt utseende
Høyenergi ekstreme kollisjonerviser et stort utvalg av kvarker, anikirker og gluoner som protoner forfaller til. Kollisjoner med mindre energi viser bare tre valenskvarker, som bestemmer kvantetallet til en elementær partikkel. Men en ny studie viser at noen ganger fungerer protonet som en struktur som består av fem kvarker.
Forskningsteam ledet av Juan Rojofra National Institute for Subatomic Physics i Nederland og VU University of Amsterdam analyserte mer enn 5000 bilder av protoner tatt i løpet av de siste 50 årene, ved hjelp av maskinlæring for å bestemme bevegelsen til kvarker og gluoner inne i et proton.
Ny sjekk fant bakgrunnsuskarphet påbilder som hadde unngått tidligere forskere. I relativt milde kollisjoner som knapt rev fra hverandre et proton, var det meste av farten i de vanlige tre kvarkene: to opp og én ned. Men en liten mengde fart, studier har vist, kom fra "sjarm"-kvarken og den sjarmerte antikvarken. Dette er store elementærpartikler, som hver er tyngre enn hele protonet med mer enn en tredjedel.
Studien viste at selv på høyI energiske kollisjoner kan gluoner splittes i en av seks forskjellige typer kvarker hvis de har nok energi, sjarmerte kvarker og antikvarker dannes mye oftere, noe som gjør dem merkbare selv i relativt milde kollisjoner.
I disse kollisjonene fremstår protonet somkvanteblanding eller superposisjon av flere tilstander: et elektron kolliderer vanligvis med tre lette kvarker. Men fra tid til annen vil han møte et sjeldnere "molekyl" av fem kvarker, for eksempel en opp-, ned- og sjarmkvark samlet på den ene siden, og en opp-kvark og en sjarmert antikvark på den andre.
Disse resultatene er ikke bare teoretiskebetydning. For eksempel kan en tilstrekkelig mengde energi genereres ved kollisjon av kosmiske strålingsprotoner med elementærpartikler i sammensetningen av atomene i jordens atmosfære. I prosessen med slike kollisjoner kan protoner forfalle til sjarmerte kvarker og "søle" til jorden i form av høyenerginøytrinoer. Dette kan forvirre observatører som bruker disse partiklene til å studere det fjerne universet.
Hundre år etter oppdagelsen av protonfysikkfortsett å studere den indre strukturen til disse elementærpartiklene. Neste generasjons eksperimenter vil se etter enda flere ukjente funksjoner. For eksempel planlegger fysikere ved Brookhaven National Laboratory i USA å lansere elektron-ion-kollideren på 2030-tallet og fortsette der HERA slapp. De vil ta bilder med høyere oppløsning som vil muliggjøre de første 3D-rekonstruksjonene av protonet.
Dette bør definitivt hjelpe forskerebestemme opprinnelsen til protonets rotasjon og svare på andre grunnleggende spørsmål om den obskure partikkelen som utgjør det meste av den omkringliggende vanlige (baryoniske) materie.
Les mer:
Spesialkost utløser selvdestruksjon av hjernekreftceller hos mus
Forskere har tydet det mystiske manuskriptet til Ptolemaios. Det var skjult under annen tekst
Nytt bilde av Hubble forvirret forskere
På omslaget: en kunstnerisk illustrasjon av de mange kvarkene, antikvarkene og gluonene inne i et enkelt proton. Bilde: D. Dominguez, CERN