Назив атом потиче од старогрчке речи "ατομος", што се преводи као недељив. Он
Протон је један од три таква стабилна субатомскачестице (друге две су електрони и неутрони), које су градивни блокови атома. Ово име (од старогрчког "πρωτος" - први) предложио је Ернест Радерфорд 1920. године. У низу експеримената, британски физичар је показао да се „језгро водоника“ (најлакши хемијски елемент) може извући из азота сударом са алфа честицом (језгром атома хелијума).
Више од једног века после Радерфордаоткрили позитивно наелектрисану честицу у срцу сваког атома, физичари још увек покушавају да схвате шта је протон. Школски наставници их обично описују као куглице без особина са једном јединицом позитивног електричног набоја. На сложенијем нивоу, ове честице су представљене као сноп три међусобно повезана кварка: два горе и један доле.&нбсп;
Али чак и овај модел је снажно поједностављење.Деценије истраживања су откриле и настављају да истражују дубљу слику која је превише бизарна да би се у потпуности пренела речима или сликама.
Уметничка илустрација мењања представа о саставу протона. Слика: Броокхавен Натионал Лаборатори
Како разбити протон и проучити његов састав
Доказ да протон садржимного честица, први пут је добијен у СЛАЦ Натионал Аццелератор Лаборатори на Станфорду крајем 60-их година прошлог века. У претходним експериментима, истраживачи су их бомбардовали електронима и посматрали како рикошетирају попут билијарских кугли.&нбсп;
На СЛАЦ акцелератору честица, физичари су први пут успелиубрзати електроне довољно снажно да промени резултате посматрања. Електрони су, у процесу дубоког нееластичног расејања, погодили протон довољно снажно да га разбију и одбили су се од тачкастих фрагмената протона који се називају кваркови.&нбсп;
Аутори овог открића, које је било прводоказ постојања кваркова, добио је Нобелову награду за физику 1990. И научници широм света су од тада спровели стотине експеримената расејања. Они изводе закључке о различитим аспектима унутрашњости објекта прилагођавајући снагу бомбардовања и бирајући које ће расуте честице проучавати као резултат експеримента.
Користећи електроне високе енергије, физичариможе открити финије детаље протона. Дакле, енергија електрона поставља максималну резолуцију експеримента дубоког нееластичног расејања. Што су сударачи снажнији, то дају потпунију слику о саставу протона.
Такође и сударачи веће енергијепроизводе шири спектар резултата колизије, омогућавајући истраживачима да изаберу различите подскупове за анализу. Испоставило се да је ова флексибилност кључ за разумевање кваркова, који се крећу унутар протона са различитим количинама импулса.
Мерењем енергије и путање сваког расејаногелектрона, истраживачи могу рећи од којег кварка се одбио. Статистичка анализа многих поновљених експеримената, попут пописа становништва, „казује“ истраживачима како је импулс протона распоређен или од каквих се кваркова састоји.
Више од само три кварка
Први експерименти на СЛАЦ сударачупотврдио је теорију коју су раније развили Мареј Гел-Ман и Џорџ Цвајг о саставу протона из три кварка. Електрони су се након судара разлетели на такав начин као да су се разбили у три одвојене честице, од којих свака носи трећину момента кретања протона.
Кварков модел Гел-Мана и Цвајга описујепротон као честица која се састоји од два „горе“ кварка са електричним набојем од +2/3 сваки и једног „доле“ кварка са наелектрисањем од -1/3, што даје укупно наелектрисање протона +1.&нбсп;
Али модел кварка је превише поједностављење,има озбиљне недостатке. На пример, не ради када је у питању ротација (назад)&нбсп; протон, квантно својство слично угаоном моменту. Ова субатомска честица има спин од ½, као и сваки њен горњи и доњи кварк.&нбсп;
У почетку су физичари претпостављали да уУ прорачунима који понављају једноставну аритметику наелектрисања, половина јединица два горња кварка минус део доњег кварка треба да буде једнака половини јединице протона као целине. Али 1988. године, Еуропеан Муон Цоллаборатион израчунала је да збир спинова кварка износи много мање од половине.&нбсп;
Слично, студије су показале да маседва горња кварка и један доњи кварк чине само око 1% укупне масе протона. То је значило да унутар њега мора бити скривено још нешто – друге елементарне честице које би објасниле својства ове субатомске честице.
Поједностављени модел структуре протона. Анимација: Броокхавен Натионал Лаборатори
Много кваркова и антикваркова у једној честици
ХЕРА Партицле Аццелератор на немачкомистраживачки центар ДЕСИ у Хамбургу од 1992. до 2007. проучавао је судар електрона и протона са силом око хиљаду пута већом од оне постигнуте у СЛАЦ-у. Иако је експеримент завршен пре више од 10 година, физичари настављају да анализирају прикупљене податке.
У експериментима ХЕРА, физичари су могли да проучавајуелектрони су се одбијали од кваркова изузетно малог момента, укључујући и оне који носе само 0,005% укупног импулса протона. Резултати посматрања потврдили су да је састав протона много компликованији од кварковог модела Гел-Мана и Цвајга: електрони су се одбијали од „вртлога“ кваркова ниског момента и њихових парњака из антиматерије, антикваркова.
Сложена структура многих кваркова и антикваркова. Анимација: МИТ/Јефферсон Лаб/Спутник Аниматион
Резултати су потврдили сложеност и необичантеорија квантне хромодинамике. Ово је квантна теорија јаке силе која везује кваркове. Овај модел даје кваркове новим својством, условно названим "боја", и уводи нове честице, глуоне, који носе снажну интеракцију између кваркова.
Сваки кварк и сваки глуон имају једну од триврсте "боје" набоја, означене црвеном, зеленом и плавом. Ове честице наелектрисане бојом природно привлаче једна другу и формирају групу—попут протона—чије боје заједно дају неутралну белу.&нбсп;
Према теорији квантне хромодинамике, глуониможе покупити тренутне навале енергије. Са овом енергијом, ове честице се распадају у кварк и антикварк, од којих свака носи само малу количину импулса, пре него што се пар поништи и нестане. То је „море“ прелазних глуона, кваркова и антикваркова које су открили осетљиви детектори ХЕРА.
Протонска визуализација. Анимација: МИТ
Шармантан нови изглед
Екстремни судари високе енергијепоказују огромну разноликост кваркова, аникирка и глуона у које се протони распадају. Судари са мањом енергијом показују само три валентна кварка, који одређују квантни број елементарне честице. Али нова студија показује да се понекад протон понаша као структура састављена од пет кваркова.
Истраживачки тим који води Хуан Ројоса Националног института за субатомску физику у Холандији и ВУ Универзитета у Амстердаму анализирали су више од 5.000 слика протона снимљених у последњих 50 година, користећи машинско учење за одређивање кретања кваркова и глуона унутар протона.
Нова провера је открила замућење позадинеслике које су измицале претходним истраживачима. У релативно благим сударима који су једва раздвојили протон, највећи део момента био је у уобичајена три кварка: два горе и један доле. Али мала количина замаха, показала су истраживања, потиче од "шарм" кварка и зачараног антикварка. То су велике елементарне честице, од којих је свака тежа од целог протона за више од једне трећине.
Студија је показала да иако на високомУ енергетским сударима, глуони се могу поделити на било који од шест различитих типова кваркова ако имају довољно енергије, шармирани кваркови и антикваркови се формирају много чешће, што их чини приметним чак и у релативно благим сударима.
У овим сударима протон се појављује каоквантна мешавина или суперпозиција неколико стања: електрон се обично судара са три лака кварка. Али с времена на време ће се сусрести са ређим "молекулом" од пет кваркова, као што су горњи, доњи и шарм кварк груписан на једној страни, и уп кварк и шармирани антикварк на другој.
Ови резултати нису само теоретскизначење. На пример, довољна количина енергије може да се генерише сударом протона космичког зрачења са елементарним честицама у саставу атома земљине атмосфере. У процесу оваквих судара, протони могу да се распадну на зачаране кваркове и да се „проспеју“ на Земљу у облику неутрина високе енергије. Ово може збунити посматраче који користе ове честице за проучавање удаљеног универзума.
Сто година након открића протона, физиканаставити са проучавањем унутрашње структуре ових елементарних честица. Следећа генерација експеримената ће тражити још више непознатих карактеристика. На пример, физичари у Националној лабораторији Брукхејвен у САД планирају да покрену електрон-јонски сударач 2030-их и наставе тамо где је ХЕРА стала. Они ће снимити слике веће резолуције које ће омогућити прве 3Д реконструкције протона
Ово би дефинитивно требало да помогне истраживачимаодредити порекло протоновог спина и одговорити на друга фундаментална питања о мистериозној честици која чини већину околне обичне (барионске) материје.
Опширније:
Посебна дијета изазива самоуништење ћелија рака мозга код мишева
Научници су дешифровали мистериозни Птоломејев рукопис. Био је скривен испод другог текста
Нова слика Хабла збунила је научнике
На насловној страни: уметничка илустрација многих кваркова, антикваркова и глуона унутар једног протона. Слика: Д. Домингуез, ЦЕРН