Atom adı, bölünmez olarak tercüme edilen eski Yunanca "ἄτομος" kelimesinden gelir.Üzerinde
Proton, bu tür üç kararlı atom altı atomdan biridir.atomların yapı taşları olan parçacıklar (diğer ikisi elektronlar ve nötronlardır). Bu isim (eski Yunanca "πρῶτος" - ilk) 1920'de Ernest Rutherford tarafından önerildi. Bir dizi deneyde, bir İngiliz fizikçi "hidrojen çekirdeğinin" (en hafif kimyasal element), bir alfa parçacığıyla (bir helyum atomunun çekirdeği) çarpışarak nitrojenden çıkarılabileceğini gösterdi.
Rutherford'un üzerinden bir asırdan fazla zaman geçtiHer atomun kalbindeki pozitif yüklü parçacığı keşfeden fizikçiler hâlâ protonun ne olduğunu anlamaya çalışıyor. Okul öğretmenleri bunları genellikle bir birim pozitif elektrik yüküne sahip özelliksiz toplar olarak tanımlar. Daha karmaşık bir düzeyde, bu parçacıklar birbirine bağlı üç kuarktan oluşan bir ışın olarak temsil edilir: ikisi yukarı ve biri aşağı.
Ancak bu model bile güçlü bir basitleştirmedir.Onlarca yıllık araştırma, kelimelerle veya resimlerle tam olarak aktarılamayacak kadar tuhaf olan daha derin bir resmi ortaya çıkardı ve keşfetmeye devam ediyor.
Protonun bileşimi hakkında değişen fikirlerin sanatsal illüstrasyonu. Resim: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
Bir proton nasıl parçalanır ve bileşimi nasıl incelenir?
Protonun içerdiğinin kanıtıBirçok parçacık, ilk olarak geçen yüzyılın 60'lı yılların sonlarında Stanford'daki SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda elde edildi. Önceki deneylerde, araştırmacılar onları elektron bombardımanına tuttu ve bilardo topları gibi sekmelerini izlediler.
SLAC parçacık hızlandırıcısında fizikçiler ilk kez başarılı olduElektronları gözlem sonuçlarını değiştirecek kadar güçlü bir şekilde hızlandırın. Derin elastik olmayan saçılma sürecindeki elektronlar, protona onu kıracak kadar sert bir şekilde çarptılar ve protonun kuark adı verilen nokta parçalarından geri sıçradılar.
İlk olan bu keşfin yazarlarıkuarkların varlığının kanıtı, 1990 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı. Ve dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları o zamandan beri yüzlerce saçılma deneyi gerçekleştirdiler. Bombardımanın gücünü ayarlayarak ve deney sonucunda hangi dağınık parçacıkları incelediklerini seçerek nesnenin iç kısmının çeşitli yönleri hakkında sonuçlar çıkarırlar.
Fizikçiler, yüksek enerjili elektronları kullanarakProtonun daha ince ayrıntılarını algılayabilir. Böylece elektron enerjisi, derin elastik olmayan saçılma deneyinin maksimum çözünürlüğünü ayarlar. Çarpıştırıcılar ne kadar güçlü olursa, protonun bileşimi hakkında o kadar eksiksiz bir resim verirler.
Daha yüksek enerji çarpıştırıcıları daaraştırmacıların analiz için farklı alt kümeler seçmesine olanak tanıyan daha geniş bir çarpışma sonuçları yelpazesi üretir. Bu esnekliğin, protonun içinde farklı hızlarda hareket eden kuarkları anlamanın anahtarı olduğu ortaya çıktı.
Her bir saçılmışın enerjisini ve yörüngesini ölçerekelektron, araştırmacılar hangi kuarktan sıçradığını söyleyebilirler. Nüfus sayımı gibi birçok tekrarlanan deneyin istatistiksel analizi, araştırmacılara bir protonun momentumunun nasıl dağıldığını veya ne tür kuarklardan oluştuğunu "söyler".
Üç kuarktan daha fazlası
SLAC çarpıştırıcısında ilk deneylerdaha önce Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından protonun üç kuarktan bileşimi hakkında geliştirilen teoriyi doğruladı. Çarpışmadan sonra elektronlar, her biri protonun momentumunun üçte birini taşıyan üç ayrı parçacığa çarpmış gibi dağıldılar.
Gell-Mann ve Zweig'in kuark modeli şunları açıklıyor:Protonun toplam yükünü +1 veren, her biri +2/3 elektrik yüküne sahip iki "yukarı" kuarktan ve -1/3 yüküne sahip bir "aşağı" kuarktan oluşan bir parçacık olarak proton.
Ancak kuark modeli aşırı basitleştirmedir.ciddi eksiklikleri var. Örneğin, döndürme (geri) söz konusu olduğunda çalışmaz; proton, açısal momentuma benzer bir kuantum özelliği. Bu atom altı parçacığın, yukarı ve aşağı kuarklarının her biri gibi ½ dönüşü vardır.
Başlangıçta fizikçiler şunu varsaydılar:Basit yük aritmetiğini tekrarlayan hesaplamalarda, iki yukarı kuarkın birimlerinin yarısı eksi aşağı kuarkın kesri, bir bütün olarak protonun biriminin yarısına eşit olmalıdır. Ancak 1988'de Avrupa Muon İşbirliği, kuark dönüşlerinin toplamının yarıdan çok daha az olduğunu hesapladı.
Benzer şekilde, araştırmalar kitleleriniki yukarı kuark ve bir aşağı kuark, toplam proton kütlesinin yalnızca yaklaşık %1'ini oluşturur. Bu, içinde başka bir şeyin gizlenmesi gerektiği anlamına geliyordu - bu atom altı parçacığın özelliklerini açıklayacak diğer temel parçacıklar.
Proton yapısının basitleştirilmiş modeli. Animasyon: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
Bir parçacıkta birçok kuark ve antikuark
Almanca HERA Parçacık Hızlandırıcı1992'den 2007'ye kadar Hamburg'daki araştırma merkezi DESY, SLAC'ta elde edilenden yaklaşık bin kat daha yüksek bir kuvvetle elektron ve proton çarpışmasını inceledi. Deney 10 yıl önce tamamlanmış olmasına rağmen, fizikçiler toplanan verileri analiz etmeye devam ediyor.
HERA deneylerinde fizikçiler çalışabildielektronlar, protonun toplam momentumunun yalnızca %0,005'ini taşıyanlar da dahil olmak üzere, son derece düşük momentumlu kuarklardan sekti. Gözlemin sonuçları, protonun bileşiminin Gell-Mann ve Zweig'in kuark modelinden çok daha karmaşık olduğunu doğruladı: elektronlar, düşük momentumlu kuarkların ve onların antimadde karşılıkları olan antikuarkların "girdabından" sekti.
Pek çok kuark ve antikuarktan oluşan karmaşık bir yapı. Animasyon: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animasyon
Sonuçlar karmaşık ve tuhaf olanı doğruladıkuantum kromodinamiği teorisi. Bu, kuarkları birbirine bağlayan güçlü kuvvetin kuantum teorisidir. Bu model, kuarklara geçici olarak "renk" adı verilen yeni bir özellik kazandırır ve kuarklar arasındaki güçlü etkileşimi taşıyan yeni parçacıklar, gluonlar sunar.
Her kuark ve her gluon üçten birine sahiptirkırmızı, yeşil ve mavi olarak adlandırılan "renk" yüklerinin türleri. Bu renk yüklü parçacıklar doğal olarak birbirlerini çeker ve renkleri nötr beyaza dönüşen bir grup (proton gibi) oluşturur.
Kuantum renk dinamiği teorisine göre, gluonlaranlık enerji patlamalarını yakalayabilir. Bu enerjiyle, bu parçacıklar, her biri yalnızca küçük bir momentum taşıyan bir kuark ve bir anti-kuark'a dönüşür ve çift yok olup yok olur. HERA'nın hassas dedektörleri tarafından keşfedilen işte bu geçiş gluonları, kuarklar ve antikuarkların "denizi"dir.
Proton görselleştirme. Animasyon: MİT
Büyüleyici yeni görünüm
Yüksek Enerjili Aşırı Çarpışmalarprotonların bozunduğu çok çeşitli kuarklar, anikirkler ve gluonlar gösterir. Daha az enerjili çarpışmalar, bir temel parçacığın kuantum sayısını belirleyen yalnızca üç değerlik kuarkını gösterir. Ancak yeni bir çalışma, protonun bazen beş kuarktan oluşan bir yapı gibi davrandığını gösteriyor.
Juan Rojo liderliğindeki araştırma ekibiHollanda'daki Ulusal Atom Altı Fizik Enstitüsü ve Amsterdam VU Üniversitesi'nden araştırmacılar, bir proton içindeki kuarkların ve gluonların hareketini belirlemek için makine öğrenimini kullanarak son 50 yılda alınan 5.000'den fazla proton görüntüsünü analiz etti.
Yeni kontrolde arka plan bulanıklığı bulunduönceki araştırmacıların gözünden kaçan görüntüler. Bir protonu zar zor parçalayan nispeten hafif çarpışmalarda, momentumun çoğu olağan üç kuarktaydı: ikisi yukarı ve biri aşağı. Ancak araştırmalar, momentumun küçük bir miktarının "tılsım" kuarkından ve tılsımlı antikuarktan geldiğini gösterdi. Bunlar, her biri tüm protondan üçte birinden daha ağır olan büyük temel parçacıklardır.
Çalışma, yüksek olmasına rağmenEnerjik çarpışmalarda, gluonlar yeterli enerjiye sahiplerse altı farklı kuark türünden herhangi birine bölünebilir, tılsımlı kuarklar ve antikuarklar çok daha sık oluşur, bu da onları nispeten hafif çarpışmalarda bile fark edilir kılar.
Bu çarpışmalarda proton şu şekilde görünür:birkaç durumun kuantum karışımı veya süperpozisyonu: bir elektron genellikle üç ışık kuarkıyla çarpışır. Ancak zaman zaman, bir tarafta kümelenmiş yukarı, aşağı ve tılsımlı kuark ve diğer tarafta bir yukarı kuark ve tılsımlı bir antikuark gibi beş kuarktan oluşan daha nadir bir "molekül" ile karşılaşacaktır.
Bu sonuçlar sadece teorik değilAnlam. Örneğin, kozmik radyasyon protonlarının dünya atmosferinin atomlarının bileşimindeki temel parçacıklarla çarpışmasıyla yeterli miktarda enerji üretilebilir. Bu tür çarpışmalar sürecinde, protonlar tılsımlı kuarklara dönüşebilir ve yüksek enerjili nötrinolar şeklinde Dünya'ya "dökülebilir". Bu, uzak evreni incelemek için bu parçacıkları kullanan gözlemcilerin kafasını karıştırabilir.
Proton fiziğinin keşfinden yüz yıl sonrabu temel parçacıkların iç yapısını incelemeye devam edin. Yeni nesil deneyler, daha da bilinmeyen özellikleri arayacaktır. Örneğin, ABD'deki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki fizikçiler, elektron-iyon çarpıştırıcısını 2030'larda fırlatmayı ve HERA'nın kaldığı yerden devam etmeyi planlıyor. Protonun ilk 3 boyutlu rekonstrüksiyonlarını mümkün kılacak daha yüksek çözünürlüklü görüntüler alacaklar.
Bu, araştırmacılara kesinlikle yardımcı olacaktır.protonun dönüşünün kaynağını belirleyin ve çevreleyen sıradan (baryonik) maddenin çoğunu oluşturan karanlık parçacık hakkındaki diğer temel soruları yanıtlayın.
Daha fazla oku:
Özel diyet, farelerde beyin kanseri hücrelerinin kendi kendini yok etmesini tetikler
Bilim adamları, Ptolemy'nin gizemli el yazmasını deşifre ettiler. Diğer metnin altına gizlendi
Hubble'ın yeni görüntüsü bilim insanlarını şaşırttı
Kapakta: tek bir protonun içindeki pek çok kuark, antikuark ve gluonun sanatsal bir gösterimi. Resim: D. Dominguez, CERN