ชื่ออะตอมมาจากคำภาษากรีกโบราณ "ἄτομος" ซึ่งแปลว่าแบ่งแยกไม่ได้ บน
โปรตอนเป็นหนึ่งในสามอะตอมที่เสถียรดังกล่าวอนุภาค (อีกสองตัวคืออิเล็กตรอนและนิวตรอน) ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของอะตอม ชื่อนี้ (มาจากภาษากรีกโบราณ "πρῶτος" - ชื่อแรก) เสนอโดย Ernest Rutherford ในปี 1920 ในการทดลองหลายชุด นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้แสดงให้เห็นว่า "นิวเคลียสของไฮโดรเจน" (องค์ประกอบทางเคมีที่เบาที่สุด) สามารถแยกออกจากไนโตรเจนได้โดยการชนกับอนุภาคแอลฟา (นิวเคลียสของอะตอมของฮีเลียม)
มากกว่าหนึ่งศตวรรษหลังจากรัทเทอร์ฟอร์ดค้นพบอนุภาคที่มีประจุบวกในใจกลางของอะตอมทุกอะตอม นักฟิสิกส์ยังคงพยายามทำความเข้าใจว่าโปรตอนคืออะไร ครูในโรงเรียนมักจะอธิบายว่ามันเป็นลูกบอลที่ไม่มีรูปร่างและมีประจุไฟฟ้าบวกหนึ่งหน่วย ในระดับที่ซับซ้อนมากขึ้น อนุภาคเหล่านี้จะแสดงเป็นลำแสงของควาร์กสามตัวที่เชื่อมต่อถึงกัน: สองตัวขึ้นและหนึ่งตัวลง
แต่ถึงแม้รุ่นนี้จะลดความซับซ้อนลงอย่างมากการวิจัยหลายทศวรรษได้ค้นพบและยังคงสำรวจภาพที่ลึกล้ำซึ่งแปลกประหลาดเกินกว่าจะสื่อออกมาเป็นคำพูดหรือรูปภาพได้อย่างสมบูรณ์
ภาพประกอบทางศิลปะของการเปลี่ยนแปลงความคิดเกี่ยวกับองค์ประกอบของโปรตอน ภาพ: ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven
วิธีแยกโปรตอนออกจากกันและศึกษาองค์ประกอบของมัน
พิสูจน์ว่าโปรตอนประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากได้รับครั้งแรกที่ห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งความเร็วแห่งชาติ SLAC ที่สแตนฟอร์ดในช่วงปลายทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ผ่านมา ในการทดลองก่อนหน้านี้ นักวิจัยระดมยิงพวกมันด้วยอิเล็กตรอนและเฝ้าดูพวกมันแฉลบเหมือนลูกบิลเลียด
ที่เครื่องเร่งอนุภาค SLAC นักฟิสิกส์ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกเร่งอิเล็กตรอนให้แรงพอที่จะเปลี่ยนผลการสังเกต ในกระบวนการของการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นเชิงลึก อิเล็กตรอนจะกระแทกโปรตอนแรงพอที่จะทำให้มันแตกและกระเด้งออกจากจุดที่เป็นเศษของโปรตอนที่เรียกว่าควาร์ก
ผู้เขียนค้นพบครั้งนี้ซึ่งเป็นคนแรกพิสูจน์การมีอยู่ของควาร์ก ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1990 และนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกได้ทำการทดลองการกระเจิงมาแล้วหลายร้อยครั้ง พวกเขาได้ข้อสรุปเกี่ยวกับแง่มุมต่างๆ ของภายในวัตถุโดยการปรับความแรงของการทิ้งระเบิดและเลือกอนุภาคที่กระจัดกระจายที่พวกเขาศึกษาอันเป็นผลมาจากการทดลอง
โดยใช้อิเล็กตรอนพลังงานสูง นักฟิสิกส์สามารถตรวจจับรายละเอียดปลีกย่อยของโปรตอนได้ ดังนั้น พลังงานอิเล็กตรอนจึงกำหนดความละเอียดสูงสุดของการทดลองการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นเชิงลึก ยิ่งมีการชนกันที่ทรงพลังมากเท่าไหร่ ภาพที่พวกเขาให้เกี่ยวกับองค์ประกอบของโปรตอนก็จะยิ่งสมบูรณ์มากขึ้นเท่านั้น
การชนกันของพลังงานที่สูงขึ้นด้วยสร้างผลลัพธ์การชนกันในวงกว้าง ช่วยให้นักวิจัยสามารถเลือกชุดย่อยที่แตกต่างกันสำหรับการวิเคราะห์ ความยืดหยุ่นนี้กลายเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจควาร์ก ซึ่งเคลื่อนที่ไปรอบๆ ภายในโปรตอนด้วยโมเมนตัมในปริมาณต่างๆ กัน
โดยการวัดพลังงานและวิถีการกระจัดกระจายของแต่ละตัวอิเล็กตรอน นักวิจัยสามารถบอกได้ว่าควาร์กตัวใดกระเด็นออกมา การวิเคราะห์ทางสถิติของการทดลองซ้ำหลายครั้ง เช่น การสำรวจสำมะโนประชากร เป็นการ "บอก" นักวิจัยว่าโมเมนตัมของโปรตอนกระจายตัวอย่างไร หรือประกอบด้วยควาร์กชนิดใด
มากกว่าสามควาร์ก
การทดลองครั้งแรกที่ Collider SLACยืนยันทฤษฎีที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้โดย Murray Gell-Mann และ George Zweig เกี่ยวกับองค์ประกอบของโปรตอนจากควาร์กสามตัว หลังจากการชนกัน อิเล็กตรอนจะบินออกจากกันในลักษณะราวกับว่าพวกมันชนกันเป็นสามอนุภาคที่แยกจากกัน ซึ่งแต่ละอนุภาคมีโมเมนตัมหนึ่งในสามของโปรตอน
แบบจำลองควาร์กของ Gell-Mann และ Zweig อธิบายไว้โปรตอนเป็นอนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์ก "ขึ้น" สองตัวซึ่งมีประจุไฟฟ้า +2/3 ต่อตัว และควาร์ก "ลง" หนึ่งตัวที่มีประจุ -1/3 ซึ่งให้ประจุรวมของโปรตอน +1
แต่แบบจำลองควาร์กนั้นเรียบง่ายเกินไปมีข้อบกพร่องร้ายแรง ตัวอย่างเช่น การหมุน (ด้านหลัง) จะไม่ทำงาน โปรตอน ซึ่งเป็นคุณสมบัติควอนตัมคล้ายกับโมเมนตัมเชิงมุม อนุภาคย่อยของอะตอมนี้มีการหมุน 1/2 เท่า เช่นเดียวกับควาร์กขึ้นและลงแต่ละตัว
ในขั้นต้นนักฟิสิกส์สันนิษฐานว่าในในการคำนวณซ้ำการคำนวณประจุอย่างง่าย ครึ่งหนึ่งของหน่วยของอัพควาร์กสองตัวลบด้วยเศษส่วนของควาร์กดาวน์ควรเท่ากับครึ่งหนึ่งของหน่วยโปรตอนโดยรวม แต่ในปี 1988 European Muon Collaboration คำนวณว่าควาร์กสปินรวมกันได้น้อยกว่าครึ่งมาก
ในทำนองเดียวกัน การศึกษาได้แสดงให้เห็นว่ามวลอัพควาร์กสองตัวและดาวน์ควาร์กหนึ่งตัวมีสัดส่วนเพียงประมาณ 1% ของมวลโปรตอนทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าจะต้องมีสิ่งอื่นซ่อนอยู่ภายในนั้น - อนุภาคมูลฐานอื่นๆ ที่จะอธิบายคุณสมบัติของอนุภาคย่อยของอะตอมนี้
แบบจำลองอย่างง่ายของโครงสร้างโปรตอน แอนิเมชัน: ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven
ควาร์กและแอนติควาร์กจำนวนมากในอนุภาคเดียว
เครื่องเร่งอนุภาค HERA ในภาษาเยอรมันศูนย์วิจัย DESY ในฮัมบูร์กตั้งแต่ปี 2535 ถึง 2550 ศึกษาการชนกันของอิเล็กตรอนและโปรตอนด้วยแรงที่สูงกว่าที่ SLAC ประมาณหนึ่งพันเท่า แม้ว่าการทดลองจะเสร็จสิ้นไปเมื่อ 10 ปีที่แล้ว แต่นักฟิสิกส์ยังคงวิเคราะห์ข้อมูลที่รวบรวมได้ต่อไป
ในการทดลองของ HERA นักฟิสิกส์สามารถศึกษาอิเล็กตรอนกระเด็นออกจากโมเมนตัมควาร์กที่ต่ำมาก รวมทั้งที่มีโมเมนตัมรวมของโปรตอนเพียง 0.005% ผลการสังเกตยืนยันว่าองค์ประกอบของโปรตอนนั้นซับซ้อนกว่าแบบจำลองควาร์กของ Gell-Mann และ Zweig มาก: อิเล็กตรอนกระเด็นออกจาก "วังวน" ของควาร์กโมเมนตัมต่ำและปฏิสสารซึ่งเป็นแอนตีควาร์ก
โครงสร้างที่ซับซ้อนของควาร์กและแอนติควาร์กจำนวนมาก แอนิเมชัน: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
ผลลัพธ์ยืนยันความซับซ้อนและแปลกประหลาดทฤษฎีควอนตัมโครโมไดนามิกส์ นี่คือทฤษฎีควอนตัมของแรงที่ผูกมัดควาร์ก แบบจำลองนี้ทำให้ควาร์กมีคุณสมบัติใหม่ที่เรียกว่า "สี" อย่างไม่แน่นอน และแนะนำอนุภาคใหม่ซึ่งเรียกว่ากลูออน ซึ่งมีอันตรกิริยาที่แข็งแกร่งระหว่างควาร์ก
ควาร์กทุกตัวและกลูออนทุกตัวมีหนึ่งในสามประเภทของประจุ "สี" ที่กำหนดเป็นสีแดง เขียว และน้ำเงิน อนุภาคที่มีประจุสีเหล่านี้จะดึงดูดซึ่งกันและกันโดยธรรมชาติและก่อตัวเป็นกลุ่ม—เหมือนโปรตอน—ซึ่งมีสีรวมกันเป็นสีขาวที่เป็นกลาง
ตามทฤษฎีควอนตัมโครโมไดนามิกส์ กลูออนสามารถรับพลังงานระเบิดได้ทันที ด้วยพลังงานนี้ อนุภาคเหล่านี้สลายตัวเป็นควาร์กและแอนติควาร์ก แต่ละอนุภาคมีโมเมนตัมเพียงเล็กน้อย ก่อนที่ทั้งคู่จะทำลายล้างและหายไป นี่คือ "ทะเล" ของทรานซิชันกลูออน ควาร์ก และแอนติควาร์ก ซึ่งถูกค้นพบโดยเครื่องตรวจจับที่ละเอียดอ่อนของ HERA
การสร้างภาพโปรตอน แอนิเมชัน: MIT
รูปลักษณ์ใหม่ที่มีเสน่ห์
การชนที่รุนแรงของพลังงานสูงแสดงความหลากหลายของควาร์ก แอนิเคิร์ก และกลูออนที่โปรตอนสลายตัว การชนกันที่มีพลังงานน้อยกว่าจะแสดงวาเลนซ์ควาร์กเพียงสามตัวเท่านั้น ซึ่งเป็นตัวกำหนดเลขควอนตัมของอนุภาคมูลฐาน แต่การศึกษาใหม่แสดงให้เห็นว่าบางครั้งโปรตอนทำหน้าที่เป็นโครงสร้างที่ประกอบด้วยควาร์กห้าตัว
ทีมวิจัยนำโดยฮวน โรโฮจากสถาบัน National Institute for Subatomic Physics ในเนเธอร์แลนด์และมหาวิทยาลัย VU แห่งอัมสเตอร์ดัมได้วิเคราะห์ภาพโปรตอนมากกว่า 5,000 ภาพในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา โดยใช้การเรียนรู้ของเครื่องเพื่อระบุการเคลื่อนที่ของควาร์กและกลูออนภายในโปรตอน
ตรวจสอบใหม่พบการเบลอพื้นหลังภาพที่หลบเลี่ยงนักวิจัยคนก่อนๆ ในการชนกันที่ไม่รุนแรงซึ่งแทบจะแยกโปรตอนออกจากกัน โมเมนตัมส่วนใหญ่อยู่ในควาร์กสามตัวตามปกติ: สองขึ้นและหนึ่งลง แต่มีการศึกษาพบว่าโมเมนตัมจำนวนเล็กน้อยมาจากควาร์ก "ชาร์ม" และแอนติควาร์กชาร์ม เหล่านี้เป็นอนุภาคมูลฐานขนาดใหญ่ ซึ่งแต่ละอนุภาคหนักกว่าโปรตอนทั้งหมดมากกว่าหนึ่งในสาม
ผลการศึกษาพบว่าแม้จะอยู่ในระดับสูงก็ตามแม้ว่ากลูออนสามารถแบ่งออกเป็นควาร์กที่แตกต่างกันหกประเภทในการชนกันอย่างมีพลังได้หากมีพลังงานเพียงพอ แต่ควาร์กและแอนติควาร์กที่มีเสน่ห์จะเกิดขึ้นบ่อยกว่ามาก ทำให้มองเห็นได้ชัดเจนแม้จะเกิดการชนกันเล็กน้อยก็ตาม
ในการชนเหล่านี้โปรตอนจะปรากฏเป็นการผสมควอนตัมหรือการซ้อนทับของหลายสถานะ: อิเล็กตรอนมักจะชนกับควาร์กแสงสามตัว แต่ในบางครั้งเขาจะพบกับ "โมเลกุล" ที่หายากกว่าซึ่งประกอบด้วยควาร์ก 5 ตัว เช่น ควาร์กขึ้น ลง และชาร์มที่อยู่ด้านหนึ่ง และควาร์กอัพและแอนตี้ควาร์กที่มีเสน่ห์อยู่อีกด้านหนึ่ง
ผลลัพธ์เหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงเชิงทฤษฎีเท่านั้นความหมาย. ตัวอย่างเช่น ปริมาณพลังงานที่เพียงพอสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อโปรตอนจากรังสีคอสมิกชนกับอนุภาคมูลฐานในอะตอมของชั้นบรรยากาศโลก ในระหว่างการชนกัน โปรตอนสามารถสลายตัวเป็นชาร์มควาร์กและ "หลั่ง" มายังโลกในรูปของนิวตริโนพลังงานสูง สิ่งนี้อาจทำให้ผู้สังเกตการณ์สับสนที่ใช้อนุภาคเหล่านี้เพื่อศึกษาจักรวาลอันห่างไกล
หนึ่งร้อยปีหลังจากการค้นพบโปรตอนฟิสิกส์ศึกษาโครงสร้างภายในของอนุภาคมูลฐานเหล่านี้ต่อไป การทดลองรุ่นต่อไปจะมองหาคุณลักษณะที่ไม่รู้จักมากยิ่งขึ้นไปอีก ตัวอย่างเช่น นักฟิสิกส์ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven ในสหรัฐอเมริกาวางแผนที่จะปล่อยเครื่องชนอิเล็กตรอน-ไอออนในช่วงทศวรรษปี 2030 และดำเนินการต่อจากจุดที่ HERA ค้างไว้ พวกเขาจะถ่ายภาพที่มีความละเอียดสูงกว่าซึ่งจะช่วยให้สามารถจำลองโปรตอน 3 มิติครั้งแรกได้
สิ่งนี้น่าจะช่วยนักวิจัยได้อย่างแน่นอนระบุที่มาของการหมุนของโปรตอนและตอบคำถามพื้นฐานอื่นๆ เกี่ยวกับอนุภาคที่คลุมเครือซึ่งประกอบเป็นสสารธรรมดา (แบริออน) ที่อยู่รอบๆ เป็นส่วนใหญ่
อ่านเพิ่มเติม:
อาหารพิเศษกระตุ้นการทำลายเซลล์มะเร็งสมองในหนู
นักวิทยาศาสตร์ได้ถอดรหัสต้นฉบับลึกลับของทอเลมี มันถูกซ่อนอยู่ภายใต้ข้อความอื่น
ภาพใหม่ของนักวิทยาศาสตร์ที่งงงวยของฮับเบิล
บนหน้าปก: ภาพประกอบทางศิลปะของควาร์ก โบราณวัตถุ และกลูออนจำนวนมากภายในโปรตอนตัวเดียว ภาพ: D. Dominguez, CERN