Názov atóm pochádza zo starogréckeho slova „ἄτομος“, čo sa prekladá ako nedeliteľné. Zapnuté
Protón je jedným z troch takýchto stabilných subatomárnychčastice (ďalšie dva sú elektróny a neutróny), ktoré sú stavebnými kameňmi atómov. Tento názov (zo starogréckeho „πρῶτος“ - prvý) navrhol Ernest Rutherford v roku 1920. V sérii experimentov jeden britský fyzik ukázal, že „jadro vodíka“ (najľahší chemický prvok) možno extrahovať z dusíka zrážkou s časticou alfa (jadrom atómu hélia).
Viac ako storočie po Rutherfordoviobjavili kladne nabitú časticu v srdci každého atómu, fyzici sa stále snažia pochopiť, čo je protón. Učitelia ich zvyčajne opisujú ako guľôčky bez rysov s jednou jednotkou kladného elektrického náboja. Na zložitejšej úrovni sú tieto častice reprezentované ako zväzok troch vzájomne prepojených kvarkov: dvoch hore a jedného dole.
Ale aj tento model je výrazným zjednodušením.Desaťročia výskumu odhalili a pokračujú v skúmaní hlbšieho obrazu, ktorý je príliš bizarný na to, aby sa dal úplne vyjadriť slovami alebo obrazmi.
Umelecké znázornenie meniacich sa predstáv o zložení protónu. Obrázok: Národné laboratórium Brookhaven
Ako rozbiť protón a študovať jeho zloženie
Dôkaz, že protón obsahujemnohých častíc, bol prvýkrát získaný v SLAC National Accelerator Laboratory v Stanforde koncom 60. rokov minulého storočia. V predchádzajúcich experimentoch ich výskumníci bombardovali elektrónmi a sledovali, ako sa odrážajú ako biliardové gule.
Na urýchľovači častíc SLAC sa to fyzikom podarilo prvýkráturýchliť elektróny dostatočne silno, aby zmenili výsledky pozorovaní. Elektróny v procese hlboko nepružného rozptylu narážajú na protón dostatočne silno, aby ho rozbili a odrazili sa od bodových fragmentov protónu nazývaných kvarky.
Autori tohto objavu, ktorý bol prvýdôkaz o existencii kvarkov, získal v roku 1990 Nobelovu cenu za fyziku. A vedci z celého sveta odvtedy vykonali stovky experimentov s rozptylom. Vyvodzujú závery o rôznych aspektoch vnútra objektu úpravou sily bombardovania a výberom rozptýlených častíc, ktoré študujú ako výsledok experimentu.
Pomocou vysokoenergetických elektrónov, fyzicidokáže detekovať jemnejšie detaily protónu. Energia elektrónu teda nastavuje maximálne rozlíšenie experimentu s hlbokým nepružným rozptylom. Čím výkonnejšie urýchľovače, tým ucelenejší obraz o zložení protónu poskytujú.
Tiež zrážače s vyššou energiouprodukovať širší rozsah výsledkov kolízií, čo umožňuje výskumníkom vybrať rôzne podmnožiny na analýzu. Táto flexibilita sa ukázala byť kľúčom k pochopeniu kvarkov, ktoré sa pohybujú vo vnútri protónu s rôznym množstvom hybnosti.
Meraním energie a trajektórie každého rozptýlenéhoelektrón, výskumníci vedia povedať, od ktorého kvarku sa odrazila. Štatistická analýza mnohých opakovaných experimentov, ako je napríklad sčítanie obyvateľstva, „povedá“ výskumníkom, ako je rozložená hybnosť protónu alebo z akých kvarkov pozostáva.
Viac ako len tri kvarky
Prvé experimenty na urýchľovači SLACpotvrdili teóriu, ktorú už skôr vypracovali Murray Gell-Mann a George Zweig o zložení protónu z troch kvarkov. Elektróny sa po zrážke rozleteli tak, akoby sa rozbili na tri samostatné častice, z ktorých každá nesie tretinu hybnosti protónu.
Popisuje kvarkový model Gell-Manna a Zweigaprotón ako častica pozostávajúca z dvoch „hore“ kvarkov s elektrickým nábojom každého +2/3 a jedného „down“ kvarku s nábojom -1/3, čo udáva celkový náboj protónu +1.
Ale kvarkový model je prílišné zjednodušenie,má vážne nedostatky. Nefunguje to napríklad pri rotácii (späť) protón, kvantová vlastnosť podobná momentu hybnosti. Táto subatomárna častica má spin ½, rovnako ako každý z jej up a down kvarkov.
Spočiatku fyzici predpokladali, že v rVo výpočtoch opakujúcich jednoduchú aritmetiku náboja by sa polovica jednotiek dvoch up kvarkov mínus zlomok down kvarku mala rovnať polovici jednotky protónu ako celku. Ale v roku 1988 European Muon Collaboration vypočítal, že súčet kvarkových spinov je oveľa menej ako polovica.
Podobne štúdie ukázali, že masdva up kvarky a jeden down kvark tvoria len asi 1 % celkovej hmotnosti protónov. To znamenalo, že sa v nej musí skrývať niečo iné – ďalšie elementárne častice, ktoré by vysvetľovali vlastnosti tejto subatomárnej častice.
Zjednodušený model protónovej štruktúry. Animácia: Brookhaven National Laboratory
Mnoho kvarkov a antikvarkov v jednej častici
HERA urýchľovač častíc v nemčinevýskumné centrum DESY v Hamburgu v rokoch 1992 až 2007 študovalo zrážku elektrónov a protónov so silou asi tisíckrát vyššou, ako sa dosiahla v SLAC. Hoci experiment bol dokončený pred viac ako 10 rokmi, fyzici pokračujú v analýze zozbieraných údajov.
V experimentoch HERA mohli fyzici študovaťelektróny sa odrazili od kvarkov s extrémne nízkou hybnosťou, vrátane tých, ktoré nesú len 0,005 % celkovej hybnosti protónu. Výsledky pozorovania potvrdili, že zloženie protónu je oveľa komplikovanejšie ako kvarkový model Gell-Manna a Zweiga: elektróny sa odrazili od „víru“ kvarkov s nízkou hybnosťou a ich antihmotových náprotivkov, antikvarkov.
Zložitá štruktúra mnohých kvarkov a antikvarkov. Animácia: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Výsledky potvrdili komplexnosť a bizarnosťteória kvantovej chromodynamiky. Toto je kvantová teória silnej sily, ktorá viaže kvarky. Tento model dáva kvarkom novú vlastnosť, predbežne nazývanú „farba“, a zavádza nové častice, gluóny, ktoré nesú silnú interakciu medzi kvarkami.
Každý kvark a každý gluón má jeden z trochtypy "farebných" nábojov, označené ako červená, zelená a modrá. Tieto farebne nabité častice sa prirodzene priťahujú a vytvárajú skupinu – ako protón – ktorej farby tvoria neutrálnu bielu.
Podľa teórie kvantovej chromodynamiky gluónydokáže nabrať okamžité návaly energie. S touto energiou sa tieto častice rozpadajú na kvark a antikvark, z ktorých každý nesie len malé množstvo hybnosti, kým pár anihiluje a zmizne. Práve toto „more“ prechodových gluónov, kvarkov a antikvarkov objavili citlivé detektory HERA.
Protónová vizualizácia. Animácia: MIT
Očarujúci nový vzhľad
Extrémne kolízie s vysokou energiouukazujú obrovskú škálu kvarkov, anikirk a gluónov, na ktoré sa protóny rozpadajú. Zrážky s menšou energiou vykazujú len tri valenčné kvarky, ktoré určujú kvantové číslo elementárnej častice. Nová štúdia však ukazuje, že protón niekedy pôsobí ako štruktúra zložená z piatich kvarkov.
Výskumný tím pod vedením Juana Rojaz Národného inštitútu pre subatomárnu fyziku v Holandsku a VU University of Amsterdam analyzovali viac ako 5 000 obrázkov protónov za posledných 50 rokov pomocou strojového učenia na určenie pohybu kvarkov a gluónov vo vnútri protónu.
Nová kontrola zistila rozmazanie pozadiaobrázky, ktoré predchádzajúcim výskumníkom unikli. Pri relatívne miernych zrážkach, ktoré sotva roztrhli protón, bola väčšina hybnosti v obvyklých troch kvarkoch: dva hore a jeden dole. Štúdie však ukázali, že malé množstvo impulzu pochádza z kvarku „charm“ a kvarku charmed. Ide o veľké elementárne častice, z ktorých každá je ťažšia ako celý protón o viac ako jednu tretinu.
Štúdia ukázala, že hoci na vysokejPri energetických zrážkach sa gluóny môžu rozdeliť na ktorýkoľvek zo šiestich rôznych typov kvarkov, ak majú dostatok energie, očarujúce kvarky a antikvarky sa tvoria oveľa častejšie, vďaka čomu sú viditeľné aj pri relatívne miernych zrážkach.
Pri týchto zrážkach sa protón javí akokvantová zmes alebo superpozícia viacerých stavov: elektrón sa zvyčajne zrazí s tromi svetelnými kvarkami. Ale z času na čas sa stretne so vzácnejšou „molekulou“ piatich kvarkov, ako je up, down a charm zhluknutý na jednej strane a up kvark a očarovaný antikvark na druhej strane.
Tieto výsledky nie sú len teoretickévýznam. Dostatočné množstvo energie môže vzniknúť napríklad pri zrážke protónov z kozmického žiarenia s elementárnymi časticami v atómoch zemskej atmosféry. Počas takýchto zrážok sa protóny môžu rozpadnúť na kvarky a „vysypať“ sa na Zem vo forme vysokoenergetických neutrín. To by mohlo zmiasť pozorovateľov, ktorí používajú tieto častice na štúdium vzdialeného vesmíru.
Sto rokov po objavení protónov, fyzikapokračovať v štúdiu vnútornej štruktúry týchto elementárnych častíc. Ďalšia generácia experimentov bude hľadať ešte viac neznámych funkcií. Napríklad fyzici z Brookhaven National Laboratory v USA plánujú spustiť elektrón-iónový urýchľovač v roku 2030 a pokračovať tam, kde HERA prestala. Zhotovia snímky vo vyššom rozlíšení, ktoré umožnia prvé 3D rekonštrukcie protónu
To by malo výskumníkom definitívne pomôcťurčiť pôvod rotácie protónu a odpovedať na ďalšie zásadné otázky o záhadnej častici, ktorá tvorí väčšinu okolitej bežnej (baryonickej) hmoty.
Čítaj viac:
Špeciálna diéta spúšťa sebadeštrukciu buniek rakoviny mozgu u myší
Vedci rozlúštili záhadný Ptolemaiov rukopis. Bol skrytý pod iným textom
Nový obrázok Hubbleovho teleskopu zmiatol vedcov
Na obálke: umelecká ilustrácia mnohých kvarkov, antikvarkov a gluónov vo vnútri jedného protónu. Snímka: D. Dominguez, CERN