Nazwa atom pochodzi od starożytnego greckiego słowa „ἄτομος”, które tłumaczy się jako niepodzielny. NA
Proton jest jednym z trzech takich stabilnych subatomówcząstki (pozostałe dwa to elektrony i neutrony), które są budulcem atomów. Nazwę tę (od starogreckiego „πρῶτος” – pierwszy) zaproponował Ernest Rutherford w 1920 roku. W serii eksperymentów brytyjski fizyk wykazał, że „jądro wodoru” (najlżejszy pierwiastek chemiczny) można wyekstrahować z azotu poprzez zderzenie z cząstką alfa (jądrem atomu helu).
Ponad sto lat po Rutherfordzieodkrył dodatnio naładowaną cząstkę w sercu każdego atomu, fizycy wciąż próbują zrozumieć, czym jest proton. Nauczyciele szkolni zwykle opisują je jako pozbawione cech charakterystycznych kulki z jedną jednostką dodatniego ładunku elektrycznego. Na bardziej złożonym poziomie cząstki te są reprezentowane jako wiązka trzech połączonych ze sobą kwarków: dwóch górnych i jednego dolnego.
Ale nawet ten model jest dużym uproszczeniem.Dziesięciolecia badań ujawniły i nadal badają głębszy obraz, który jest zbyt dziwaczny, aby można go było w pełni przekazać słowami lub obrazami.
Artystyczna ilustracja zmieniających się poglądów na temat składu protonu. Zdjęcie: Narodowe Laboratorium Brookhaven
Jak rozbić proton i zbadać jego skład
Dowód, że proton zawierawielu cząstek, po raz pierwszy uzyskano w Narodowym Laboratorium Akceleratorów SLAC w Stanford pod koniec lat 60. ubiegłego wieku. W poprzednich eksperymentach badacze bombardowali je elektronami i obserwowali, jak rykoszetują niczym kule bilardowe.
W akceleratorze cząstek SLAC fizycy po raz pierwszy odnieśli sukcesprzyspieszać elektrony na tyle mocno, aby zmienić wyniki obserwacji. Elektrony w procesie głęboko nieelastycznego rozpraszania uderzyły w proton z taką siłą, że rozbiły go i odbiły punktowe fragmenty protonu zwane kwarkami.
Autorzy tego odkrycia, które było pierwszymdowód na istnienie kwarków, zdobył w 1990 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Od tego czasu naukowcy z całego świata przeprowadzili setki eksperymentów z rozpraszaniem. Wyciągają wnioski na temat różnych aspektów wnętrza obiektu, dostosowując siłę bombardowania i wybierając, które rozproszone cząstki badają w wyniku eksperymentu.
Wykorzystując elektrony o wysokiej energii, fizycymoże wykryć drobniejsze szczegóły protonu. W ten sposób energia elektronów wyznacza maksymalną rozdzielczość eksperymentu z głębokim nieelastycznym rozpraszaniem. Im potężniejsze zderzacze, tym pełniejszy obraz dają o składzie protonu.
Zderzacze o wyższej energii równieżwygenerować szerszy zakres wyników kolizji, umożliwiając naukowcom wybór różnych podzbiorów do analizy. Ta elastyczność okazała się kluczem do zrozumienia kwarków, które poruszają się wewnątrz protonu z różnymi wartościami pędu.
Mierząc energię i trajektorię każdego rozproszonegoelektron, badacze mogą stwierdzić, od którego kwarka się odbił. Analiza statystyczna wielu powtarzanych eksperymentów, takich jak spis populacji, „mówi” badaczom, jak rozkłada się pęd protonu lub z jakiego rodzaju kwarków się składa.
Więcej niż tylko trzy kwarki
Pierwsze eksperymenty na zderzaczu SLACpotwierdził teorię opracowaną wcześniej przez Murraya Gell-Manna i George'a Zweiga na temat składu protonu z trzech kwarków. Elektrony po zderzeniu rozleciały się w taki sposób, jakby zderzyły się z trzema oddzielnymi cząstkami, z których każda przenosi jedną trzecią pędu protonu.
Opisano model kwarkowy Gell-Manna i Zweigaproton jako cząstka składająca się z dwóch kwarków „górnych” o ładunku elektrycznym +2/3 każdy i jednego kwarku „dolnego” o ładunku -1/3, co daje całkowity ładunek protonu +1.
Ale model kwarkowy jest nadmiernym uproszczeniem,ma poważne braki. Nie działa np. jeśli chodzi o obrót (do tyłu) proton, właściwość kwantowa podobna do momentu pędu. Ta cząstka subatomowa ma spin ½, podobnie jak każdy z jej kwarków górnego i dolnego.
Początkowo fizycy zakładali, że wW obliczeniach, które powtarzają prostą arytmetykę ładunku, połowa jednostek dwóch kwarków górnych minus część kwarka dolnego powinna być równa połowie jednostki protonu jako całości. Jednak w 1988 roku w ramach Europejskiej Współpracy Muonowej obliczono, że suma spinów kwarków wynosi znacznie mniej niż połowę.
Podobnie badania wykazały, że masydwa kwarki górne i jeden dolny stanowią tylko około 1% całkowitej masy protonu. Oznaczało to, że musi się w niej kryć coś jeszcze – inne cząstki elementarne, które wyjaśniałyby właściwości tej subatomowej cząstki.
Uproszczony model budowy protonu. Animacja: Narodowe Laboratorium Brookhaven
Wiele kwarków i antykwarków w jednej cząstce
Akcelerator cząstek HERA w języku niemieckimośrodek badawczy DESY w Hamburgu w latach 1992-2007 badał zderzenia elektronów i protonów z siłą około tysiąc razy większą niż osiągana w SLAC. Choć eksperyment zakończono ponad 10 lat temu, fizycy nadal analizują zebrane dane.
W eksperymentach HERA fizycy mogli się uczyćelektrony odbijały się od kwarków o wyjątkowo niskim pędzie, w tym od kwarków o zaledwie 0,005% całkowitego pędu protonu. Wyniki obserwacji potwierdziły, że skład protonu jest znacznie bardziej skomplikowany niż model kwarkowy Gell-Manna i Zweiga: elektrony odbijały się od „wiru” kwarków o niskim pędzie i ich odpowiedników z antymaterii, antykwarków.
Złożona struktura wielu kwarków i antykwarków. Animacja: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Wyniki potwierdziły złożoność i dziwacznośćteoria chromodynamiki kwantowej. Jest to kwantowa teoria silnej siły, która wiąże kwarki. Model ten nadaje kwarkom nową właściwość, wstępnie nazwaną „kolorem”, i wprowadza nowe cząstki, gluony, które przenoszą silne oddziaływania między kwarkami.
Każdy kwark i każdy gluon ma jeden z trzechrodzaje ładunków „kolorowych”, oznaczone jako czerwone, zielone i niebieskie. Te naładowane kolorami cząstki w naturalny sposób przyciągają się nawzajem i tworzą grupę – podobnie jak proton – której kolory sumują się do neutralnej bieli.
Zgodnie z teorią chromodynamiki kwantowej gluonymoże odbierać natychmiastowe wybuchy energii. Przy tej energii cząstki te rozpadają się na kwark i antykwark, z których każdy ma tylko niewielką ilość pędu, zanim para anihiluje i znika. To właśnie to „morze” przejściowych gluonów, kwarków i antykwarków odkryły czułe detektory HERA.
Wizualizacja protonów. Animacja: MIT
Uroczy nowy wygląd
Ekstremalne zderzenia o wysokiej energiipokazują ogromną różnorodność kwarków, anikirk i gluonów, na które rozpadają się protony. Zderzenia o mniejszej energii pokazują tylko trzy kwarki walencyjne, które określają liczbę kwantową cząstki elementarnej. Ale nowe badanie pokazuje, że czasami proton działa jak struktura złożona z pięciu kwarków.
Zespół badawczy kierowany przez Juana Rojoz Narodowego Instytutu Fizyki Subatomowej w Holandii i Uniwersytetu VU w Amsterdamie przeanalizowali ponad 5000 zdjęć protonów wykonanych w ciągu ostatnich 50 lat, wykorzystując uczenie maszynowe do określenia ruchu kwarków i gluonów wewnątrz protonu.
Nowe sprawdzenie wykazało włączone rozmycie tłaobrazy, które umknęły poprzednim badaczom. W stosunkowo łagodnych zderzeniach, które ledwo rozrywały proton, większość pędu przypadała na zwykłe trzy kwarki: dwa górne i jeden dolny. Badania wykazały jednak, że niewielka ilość pędu pochodzi od kwarka „powabnego” i antykwarku zaczarowanego. Są to duże cząstki elementarne, z których każda jest cięższa od całego protonu o ponad jedną trzecią.
Badanie wykazało, że chociaż na wysokim poziomieW zderzeniach energetycznych gluony mogą rozszczepić się na dowolny z sześciu różnych typów kwarków, jeśli mają wystarczającą energię, kwarki zaczarowane i antykwarki tworzą się znacznie częściej, dzięki czemu są zauważalne nawet w stosunkowo łagodnych zderzeniach.
W tych zderzeniach proton pojawia się jakomieszanina kwantowa lub superpozycja kilku stanów: elektron zwykle zderza się z trzema lekkimi kwarkami. Ale od czasu do czasu napotka rzadszą „cząsteczkę” złożoną z pięciu kwarków, taką jak kwark górny, dolny i powabny skupiony po jednej stronie oraz kwark górny i antykwark czarujący po drugiej.
Wyniki te nie są tylko teoretyczneoznaczający. Na przykład wystarczająca ilość energii może zostać wygenerowana przez zderzenie protonów promieniowania kosmicznego z cząstkami elementarnymi w składzie atomów ziemskiej atmosfery. W procesie takich zderzeń protony mogą rozpaść się na zaczarowane kwarki i „wylać” na Ziemię w postaci wysokoenergetycznych neutrin. Może to zmylić obserwatorów, którzy używają tych cząstek do badania odległego wszechświata.
Sto lat po odkryciu fizyki protonówkontynuować badanie wewnętrznej struktury tych cząstek elementarnych. Eksperymenty nowej generacji będą szukać jeszcze bardziej nieznanych funkcji. Na przykład fizycy z Brookhaven National Laboratory w USA planują uruchomić zderzacz elektronowo-jonowy w latach 30. XXI wieku i kontynuować tam, gdzie HERA została przerwana. Zrobią zdjęcia o wyższej rozdzielczości, które umożliwią pierwsze trójwymiarowe rekonstrukcje protonu.
To powinno definitywnie pomóc naukowcomokreślić początek rotacji protonu i odpowiedzieć na inne fundamentalne pytania dotyczące niejasnej cząstki, która tworzy większość otaczającej zwykłej (barionowej) materii.
Czytaj więcej:
Specjalna dieta wyzwala samozniszczenie komórek raka mózgu u myszy
Naukowcy rozszyfrowali tajemniczy rękopis Ptolemeusza. Był ukryty pod innym tekstem
Nowy obraz Hubble'a zaintrygował naukowców
Na okładce: artystyczna ilustracja wielu kwarków, antykwarków i gluonów wewnątrz jednego protonu. Zdjęcie: D. Dominguez, CERN