Numele atom provine din cuvântul grecesc antic „ἄτομος”, care se traduce prin indivizibil. Pe
Protonul este unul dintre cele trei astfel de subatomi stabileparticule (ceilalți doi sunt electroni și neutroni) care sunt blocurile de construcție ale atomilor. Acest nume (din greaca veche „πρῶτος” – primul) a fost propus de Ernest Rutherford în 1920. Într-o serie de experimente, un fizician britanic a arătat că „nucleul de hidrogen” (cel mai ușor element chimic) poate fi extras din azot prin ciocnirea cu o particulă alfa (nucleul unui atom de heliu).
La mai bine de un secol după Rutherfordau descoperit particula încărcată pozitiv din inima fiecărui atom, fizicienii încă încearcă să înțeleagă ce este un proton. Profesorii de școală le descriu de obicei ca mingi fără caracteristici, cu o unitate de sarcină electrică pozitivă. La un nivel mai complex, aceste particule sunt reprezentate ca un fascicul de trei quarci interconectați: doi în sus și unul în jos.
Dar chiar și acest model este o simplificare grosolană.Decenii de cercetare au dezvăluit și continuă să exploreze o imagine mai profundă, care este prea bizară pentru a fi transmisă pe deplin în cuvinte sau imagini.
Ilustrare artistică a ideilor schimbătoare despre compoziția protonului. Imagine: Brookhaven National Laboratory
Cum să spargi un proton în bucăți și să studiezi compoziția acestuia
Dovada că un proton conținemulte particule, a fost obținut pentru prima dată la Laboratorul Național Accelerator SLAC din Stanford la sfârșitul anilor 60 ai secolului trecut. În experimentele anterioare, cercetătorii i-au bombardat cu electroni și i-au văzut ricoșând ca niște mingi de biliard.
La acceleratorul de particule SLAC, fizicienii au reușit pentru prima datăaccelerați electronii suficient de puternic pentru a modifica rezultatele observațiilor. Electronii, în procesul de împrăștiere profund inelastică, lovesc protonul suficient de puternic pentru a-l rupe și au sărit în fragmente punctiforme ale protonului numite quarci.
Autorii acestei descoperiri, care a fost primadovadă a existenței quarcilor, aceștia au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1990. Și oamenii de știință din întreaga lume au efectuat de atunci sute de experimente de dispersie. Ei fac inferențe despre diferite aspecte ale interiorului unui obiect ajustând intensitatea bombardamentului și alegând ce particule împrăștiate le studiază din experiment.
Folosind electroni de înaltă energie, fizicieniipoate detecta detalii mai fine ale protonului. Astfel, energia electronului stabilește rezoluția maximă a experimentului de împrăștiere inelastică profundă. Cu cât sunt mai puternici ciocnitorii, cu atât imaginea pe care o oferă despre compoziția protonului este mai completă.
Ciocnitori de energie mai mare, de asemeneaproduce o gamă mai largă de rezultate de coliziune, permițând cercetătorilor să selecteze diferite subseturi pentru analiză. Această flexibilitate s-a dovedit a fi cheia pentru înțelegerea quarcilor, care se mișcă în interiorul unui proton cu diferite cantități de impuls.
Măsurând energia și traiectoria fiecărui împrăștiatelectron, cercetătorii pot spune din ce quark a sărit. Analiza statistică a multor experimente repetate, cum ar fi un recensământ al populației, „spune” cercetătorilor cum este distribuită impulsul unui proton sau din ce quarci constă.
Mai mult decât trei quarci
Primele experimente la ciocnitorul SLACa confirmat teoria dezvoltată anterior de Murray Gell-Mann și George Zweig despre compoziția protonului din trei quarci. Electronii după ciocnire s-au împrăștiat ca și cum s-ar fi prăbușit în trei particule separate, fiecare transportând o treime din impulsul protonului.
Modelul de cuarc al lui Gell-Mann și Zweig descrieproton ca o particulă constând din doi quarci „sus” cu o sarcină electrică de +2/3 fiecare și un quarc „jos” cu o sarcină de -1/3, ceea ce dă sarcina totală a protonului +1.
Dar modelul cuarcilor este o simplificare excesivă,are grave neajunsuri. De exemplu, nu funcționează când vine vorba de rotație (înapoi) proton, o proprietate cuantică similară cu momentul unghiular. Această particulă subatomică are un spin de ½, la fel ca fiecare dintre quarcii ei sus și jos.
Inițial, fizicienii au presupus că înÎn calculele care repetă aritmetica simplă a sarcinii, jumătate din unitățile celor doi quarci up minus fracția quarcului down ar trebui să fie egală cu jumătate din unitatea protonului ca întreg. Dar în 1988, European Muon Collaboration a calculat că învârtirile cuarcului se adună cu mult mai puțin de jumătate.
La fel, studiile au arătat că maseledoi cuarci up și un cuarc down reprezintă doar aproximativ 1% din masa totală a protonilor. Aceasta însemna că trebuie să fie altceva ascuns în interiorul ei - alte particule elementare care ar explica proprietățile acestei particule subatomice.
Model simplificat al structurii protonilor. Animație: Brookhaven National Laboratory
Mulți quarci și antiquarci într-o singură particulă
Acceleratorul de particule HERA în germanăLa centrul de cercetare DESY din Hamburg, din 1992 până în 2007, a studiat ciocnirile de electroni și protoni cu forțe de aproximativ o mie de ori mai mari decât cele realizate la SLAC. Deși experimentul a fost finalizat cu mai bine de 10 ani în urmă, fizicienii continuă să analizeze datele colectate.
În experimentele HERA, fizicienii au putut să studiezeelectroni care au sărit de quarci cu un impuls extrem de scăzut, inclusiv cei care poartă doar 0,005% din impulsul total al protonului. Observațiile au confirmat că compoziția protonului a fost mult mai complexă decât modelul de cuarc al lui Gell-Mann și Zweig: electronii au sărit dintr-un „vârtej” de quarci cu impuls scăzut și omologii lor de antimaterie, antiquarci.
O structură complexă a multor quarci și antiquarci. Animație: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Rezultatele au confirmat complexul și ciudatteoria cromodinamicii cuantice. Aceasta este teoria cuantică a forței puternice care leagă quarcii. Acest model conferă quarcilor o nouă proprietate, numită în mod convențional „culoare”, și introduce particule noi, gluoni, care poartă forța puternică dintre quarci.
Fiecare quarc și fiecare gluon are unul din treitipuri de taxe „culoare”, desemnate roșu, verde și albastru. Aceste particule încărcate de culoare se atrag în mod natural una pe cealaltă și formează un grup, ca un proton, ale cărui culori se adună la alb neutru.
Conform teoriei cromodinamicii cuantice, gluoniipoate simți exploziile momentane de energie. Cu această energie, aceste particule se descompun într-un cuarc și un antiquarc, fiecare purtând doar un mic impuls înainte ca perechea să se anihileze și să dispară. Această „mare” de gluoni de tranziție, quarci și antiquarci a fost descoperită de detectoarele sensibile HERA.
Vizualizarea protonilor. Animație: MIT
Aspect nou fermecător
Ciocniri extreme de mare energiearată varietatea uriașă de quarci, aniquerci și gluoni în care se descompun protonii. Ciocnirile cu energie mai joasă dezvăluie doar trei cuarci de valență, care determină numărul cuantic al particulei elementare. Dar noi cercetări arată că uneori un proton acționează ca o structură formată din cinci quarci.
Echipa de cercetare condusă de Juan Rojode la Institutul Național de Fizică Subatomică din Țările de Jos și Universitatea din Amsterdam, VU a analizat peste 5.000 de imagini cu protoni luate în ultimii 50 de ani, folosind învățarea automată pentru a determina mișcarea quarcilor și gluonilor în interiorul protonului.
Cecul nou a găsit neclaritate de fundal activatăimagini care scăpaseră cercetătorilor anteriori. În ciocnirile relativ ușoare care abia au spart un proton, cea mai mare parte a impulsului a fost conținută în cei trei cuarci obișnuiți: doi cuarci up și unul down. Dar o cantitate mică de impuls, a arătat studiul, a venit de la cuarcul farmec și antiquarcul farmec. Acestea sunt particule elementare mari, fiecare dintre ele fiind cu mai mult de o treime mai grea decât întregul proton.
Studiul a arătat că, deși la nivel ridicatÎn timp ce gluonii se pot împărți în oricare dintre șase tipuri diferite de quarci în ciocnirile energetice, dacă au suficientă energie, quarkurile și antiquarcurile farmec se formează mult mai frecvent, făcându-le vizibile chiar și în ciocnirile relativ ușoare.
În aceste ciocniri protonul apare caamestec cuantic sau suprapunere a mai multor stări: un electron se ciocnește de obicei cu trei cuarcuri de lumină. Dar din când în când va întâlni o „moleculă” mai rară de cinci quarci, cum ar fi un quarc sus, jos și farmec grupați pe o parte, iar un quarc up și un antiquarc charm pe cealaltă parte.
Aceste rezultate nu sunt doar teoreticesens. De exemplu, o cantitate suficientă de energie poate fi generată atunci când protonii din radiația cosmică se ciocnesc cu particulele elementare din atomii atmosferei terestre. În timpul unor astfel de ciocniri, protonii se pot descompune în quarci de farmec și se pot „vărsa” pe Pământ sub formă de neutrini de înaltă energie. Acest lucru ar putea deruta observatorii care folosesc aceste particule pentru a studia Universul îndepărtat.
La o sută de ani de la descoperirea protonilor, fizicacontinuarea studiului structurii interne a acestor particule elementare. Următoarea generație de experimente va căuta și mai multe caracteristici necunoscute. De exemplu, fizicienii de la Brookhaven National Laboratory din SUA intenționează să lanseze un colisionator electron-ion în anii 2030 și să reia de unde a rămas HERA. Ei vor lua imagini cu rezoluție mai mare care vor permite primele reconstrucții 3D ale protonului
Acest lucru ar trebui să-i ajute definitiv pe cercetătoridetermina originea spinului protonului și răspunde la alte întrebări fundamentale despre misterioasa particulă care alcătuiește cea mai mare parte a materiei obișnuite (barionice) din jur.
Citeste mai mult:
Dieta specială declanșează autodistrugerea celulelor canceroase ale creierului la șoareci
Oamenii de știință au descifrat manuscrisul misterios al lui Ptolemeu. A fost ascuns sub alt text
O nouă imagine a lui Hubble i-a nedumerit pe oamenii de știință
Pe copertă: o ilustrare artistică a multor quarci, antiquarci și gluoni în interiorul unui singur proton. Imagine: D. Dominguez, CERN