Namnet atom kommer från det antika grekiska ordet "ἄτομος", som översätts som odelbar. På
Protonen är en av tre sådana stabila subatomärapartiklar (de andra två är elektroner och neutroner), som är atomernas byggstenar. Detta namn (från det antika grekiskan "πρῶτος" - först) föreslogs av Ernest Rutherford 1920. I en serie experiment visade en brittisk fysiker att "vätekärnan" (det lättaste kemiska elementet) kunde utvinnas ur kväve genom att kollidera med en alfapartikel (kärnan i en heliumatom).
Mer än ett sekel efter Rutherfordupptäckte den positivt laddade partikeln i hjärtat av varje atom, försöker fysiker fortfarande förstå vad en proton är. Lärare brukar beskriva dem som särdragslösa bollar med en enhet positiv elektrisk laddning. På en mer komplex nivå representeras dessa partiklar som en stråle av tre sammankopplade kvarkar: två uppåt och en nedåt.
Men även denna modell är en stark förenkling.Årtionden av forskning har avslöjat och fortsätter att utforska en djupare bild som är för bisarr för att kunna förmedlas till fullo i ord eller bilder.
Konstnärlig illustration av förändrade idéer om protonens sammansättning. Bild: Brookhaven National Laboratory
Hur man bryter isär en proton och studerar dess sammansättning
Bevis på att en proton innehållermånga partiklar, erhölls först vid SLAC National Accelerator Laboratory i Stanford i slutet av 60-talet av förra seklet. I tidigare experiment bombarderade forskare dem med elektroner och såg dem rikoschettera som biljardbollar.
Med partikelacceleratorn SLAC lyckades fysikerna för första gångenaccelerera elektronerna tillräckligt starkt för att ändra resultaten av observationer. Elektronerna, i processen med djup oelastisk spridning, träffade protonen tillräckligt hårt för att bryta den och studsade av punktfragment av protonen som kallas kvarkar.
Författarna till denna upptäckt, som var den förstabevis på kvarkars existens, vann Nobelpriset i fysik 1990. Och forskare runt om i världen har sedan dess genomfört hundratals spridningsexperiment. De drar slutsatser om olika aspekter av föremålets inre genom att justera styrkan på bombardementet och välja vilka spridda partiklar de studerar som ett resultat av experimentet.
Med hjälp av högenergielektroner, fysikerkan upptäcka finare detaljer i protonen. Således anger elektronenergin den maximala upplösningen för experimentet med djup oelastisk spridning. Ju mer kraftfulla kolliderar, desto mer komplett bild ger de om protonens sammansättning.
Högre energi kolliderar ocksåproducera ett bredare utbud av kollisionsresultat, vilket gör det möjligt för forskare att välja olika delmängder för analys. Denna flexibilitet visade sig vara nyckeln till att förstå kvarkar, som rör sig inuti protonen med olika rörelsemängder.
Genom att mäta energin och banan för varje spriddelektron, kan forskare säga vilken kvark den studsade av. Statistisk analys av många upprepade experiment, som en folkräkning, "berättar" forskarna hur en protons rörelsemängd är fördelad eller vilken typ av kvarkar den består av.
Mer än bara tre kvarkar
Första experimenten vid SLAC-kolliderenbekräftade teorin utvecklad tidigare av Murray Gell-Mann och George Zweig om sammansättningen av protonen från tre kvarkar. Elektronerna efter kollisionen flög isär på ett sådant sätt som om de kraschade in i tre separata partiklar, som var och en bär en tredjedel av protonens rörelsemängd.
Gell-Manns och Zweigs kvarkmodell beskriverproton som en partikel bestående av två "upp" kvarkar med en elektrisk laddning på +2/3 vardera och en "ned" kvarkar med en laddning på -1/3, vilket ger protonens totala laddning +1.
Men kvarkmodellen är en överförenkling,har allvarliga brister. Det fungerar till exempel inte när det gäller rotation (tillbaka) proton, en kvantegenskap som liknar rörelsemängd. Denna subatomära partikel har ett spinn på ½, liksom var och en av dess upp- och nerkvarkar.
Till en början antog fysiker att iI beräkningar som upprepar enkel laddningsaritmetik bör hälften av enheterna av de två uppkvarkarna minus bråkdelen av nedkvarken vara lika med halva enheten av protonen som helhet. Men 1988 beräknade European Muon Collaboration att kvarkspinnarna uppgår till mycket mindre än hälften.
På samma sätt har studier visat att massortvå uppkvarkar och en nedkvarkar utgör endast cirka 1 % av den totala protonmassan. Detta innebar att något annat måste döljas inuti den - andra elementarpartiklar som skulle förklara egenskaperna hos denna subatomära partikel.
Förenklad modell av protonstrukturen. Animation: Brookhaven National Laboratory
Många kvarkar och antikvarkar i en partikel
HERA partikelaccelerator på tyskaforskningscentret DESY i Hamburg från 1992 till 2007 studerade kollisionen av elektroner och protoner med en kraft som är ungefär tusen gånger högre än den som uppnåddes vid SLAC. Även om experimentet avslutades för över 10 år sedan, fortsätter fysiker att analysera de insamlade data.
I HERA-experimenten kunde fysiker studeraelektroner studsade av kvarkar med extremt låg rörelsemängd, inklusive de som bara bär 0,005 % av protonens totala rörelsemängd. Resultaten av observationen bekräftade att sammansättningen av protonen är mycket mer komplicerad än kvarkmodellen av Gell-Mann och Zweig: elektroner studsade från "virveln" av kvarkar med låg momentum och deras antimateriamotsvarigheter, antikvarkar.
En komplex struktur av många kvarkar och antikvarkar. Animation: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Resultaten bekräftade det komplexa och besynnerligateori om kvantkromodynamik. Detta är kvantteorin om den starka kraft som binder kvarkar. Denna modell ger kvarkar en ny egenskap, preliminärt kallad "färg", och introducerar nya partiklar, gluoner, som bär den starka interaktionen mellan kvarkar.
Varje kvarg och varje gluon har en av tretyper av "färg" avgifter, betecknade röda, gröna och blå. Dessa färgladdade partiklar attraherar varandra naturligt och bildar en grupp – som en proton – vars färger blir neutralvita.
Enligt teorin om kvantkromodynamik, gluonerkan plocka upp omedelbara energiskurar. Med denna energi sönderfaller dessa partiklar till en kvark och en antikvark, var och en bär bara en liten mängd fart, innan paret förintar och försvinner. Det är detta "hav" av övergångsgluoner, kvarkar och antikvarkar som upptäcktes av HERAs känsliga detektorer.
Protonvisualisering. Animation: MIT
Charmigt nytt utseende
Högenergiextrema kollisionervisar en stor variation av kvarkar, anikirks och gluoner i vilka protoner sönderfaller. Kollisioner med mindre energi visar bara tre valenskvarkar, som bestämmer kvanttalet för en elementarpartikel. Men en ny studie visar att protonen ibland fungerar som en struktur som består av fem kvarkar.
Forskargrupp ledd av Juan Rojofrån National Institute for Subatomic Physics i Nederländerna och VU University of Amsterdam analyserade mer än 5 000 bilder av protoner tagna under de senaste 50 åren, med hjälp av maskininlärning för att bestämma rörelsen av kvarkar och gluoner inuti en proton.
Ny kontroll hittade bakgrundsoskärpa påbilder som hade gäckat tidigare forskare. I relativt milda kollisioner som knappt slet isär en proton var det mesta av farten i de vanliga tre kvarkarna: två upp och en ner. Men en liten mängd fart, studier har visat, kom från "charm"-kvarken och den charmade antikvarken. Dessa är stora elementarpartiklar, som var och en är tyngre än hela protonen med mer än en tredjedel.
Studien visade att även om den är högMedan gluoner kan delas upp i någon av sex olika typer av kvarkar i energiska kollisioner om de har tillräckligt med energi, så bildas charmkvarkar och antikvarkar mycket oftare, vilket gör dem märkbara även i relativt milda kollisioner.
I dessa kollisioner ser protonen ut somkvantblandning eller superposition av flera tillstånd: en elektron kolliderar vanligtvis med tre lätta kvarkar. Men då och då kommer han att stöta på en sällsyntare "molekyl" av fem kvarkar, som en upp-, ner- och charm-kvark grupperad på ena sidan, och en upp-kvark och en charmantikvark på den andra.
Dessa resultat är inte bara teoretiskamenande. Till exempel kan en tillräcklig mängd energi genereras när protoner från kosmisk strålning kolliderar med elementarpartiklar i atomerna i jordens atmosfär. Under sådana kollisioner kan protoner sönderfalla till charmkvarkar och "avkastas" på jorden i form av högenergineutriner. Detta kan förvirra observatörer som använder dessa partiklar för att studera det avlägsna universum.
Hundra år efter upptäckten av protoner, fysikfortsätta att studera den inre strukturen hos dessa elementarpartiklar. Nästa generations experiment kommer att leta efter ännu fler okända funktioner. Till exempel planerar fysiker vid Brookhaven National Laboratory i USA att starta en elektron-jonkolliderare på 2030-talet och fortsätta där HERA slutade. De kommer att ta bilder med högre upplösning som möjliggör de första 3D-rekonstruktionerna av protonen
Detta borde definitivt hjälpa forskarefastställa ursprunget till protonens spinn och svara på andra grundläggande frågor om den obskyra partikeln som utgör det mesta av den omgivande vanliga (baryoniska) materien.
Läs mer:
Specialdiet utlöser självdestruktion av hjärncancerceller hos möss
Forskare har dechiffrerat Ptolemaios mystiska manuskript. Den gömdes under annan text
Ny bild av Hubble förbryllade forskare
På omslaget: en konstnärlig illustration av många kvarkar, antikvarkar och gluoner inuti en enda proton. Bild: D. Dominguez, CERN