Назва атом походить від давньогрецького слова "ἄτομος", яке перекладається як неподільний. на
Протон - одна з трьох таких стабільних субатомнихчастинок (дві інших - електрони та нейтрони), які є будівельними блоками атомами. Цю назву (від давньогрецького «πρῶτος» — перший) запропонував Ернест Резерфорд у 1920 році. У серії експериментів британський фізик показав, що «ядро водню» (найлегшого хімічного елемента) може бути вилучено з азоту внаслідок зіткнення з альфа-часткою (ядром атома гелію).
Через більше століття після того, як Резерфордвідкрив позитивно заряджену частинку в основі кожного атома, фізики все ще намагаються зрозуміти, що являє собою протон. Шкільні вчителі зазвичай описують їх як безликі кульки з однією одиницею позитивного електричного заряду. На більш складному рівні ці частинки представляють як пучок із трьох пов'язаних між собою кварків: двох верхніх та одного нижнього.
Але навіть ця модель – сильне спрощення.Десятиліття досліджень відкрили та продовжують вивчати глибшу картину, яка надто химерна, щоб її можна було повністю передати словами чи зображеннями.
Художня ілюстрація зміни уявлень про складі протона. Зображення: Brookhaven National Laboratory
Як розбити протон на частини та вивчити його склад
Доказ того, що містить протонбезліч частинок було вперше отримано в Національній прискорювальній лабораторії SLAC в Стенфорді наприкінці 60-х років минулого століття. У попередніх експериментах дослідники бомбардували їх електронами та спостерігали, як вони рикошетять, як більярдні кулі.
У прискорювачі частинок SLAC фізикам вперше вдалосярозігнати електрони досить сильно, щоб змінити результати спостережень. Електрони в процесі глибоко непружного розсіювання ударялися протон досить сильно, щоб розбити його і відскакували від точкових уламків протона, званих кварками.
Автори цього відкриття, яке стало першимдоказом існування кварків, отримали 1990 року Нобелівську премію з фізики. А вчені по всьому світу з того часу провели сотні експериментів із розсіювання. Вони роблять висновки про різні аспекти внутрішньої частини об'єкта, регулюючи силу бомбардування та вибираючи, які розсіяні частки вони вивчають в результаті експерименту.
Використовуючи електрони з високою енергією, фізикиможуть виявити тонші деталі протона. Таким чином, енергія електрона встановлює максимальну роздільну здатність експерименту з глибоко непружного розсіювання. Чим потужні колайдери, тим повнішу картину вони дають про склад протона.
Колайдери з вищою енергією такожвиробляють ширший спектр результатів зіткнень, дозволяючи дослідникам вибирати різні підмножини для аналізу. Ця гнучкість виявилася ключем до розуміння кварків, які переміщуються усередині протона з різною величиною імпульсу.
Вимірюючи енергію та траєкторію кожного розсіяногоелектрона, дослідники можуть сказати, від якого кварку він відскочив. Статистичний аналіз безлічі повторюваних експериментів подібно до перепису населення «розповідає» дослідникам як розподілений імпульс протона або з яких кварків він складається.
Більше, ніж лише три кварки
Перші експерименти на колайдері SLACпідтвердили розроблену раніше Мюрреєм Гелл-Манном та Джорджем Цвейгом теорію про склад протона з трьох кварків. Електрони після зіткнення розліталися так, ніби вони врізалися в три окремі частинки, кожна з яких несе третину імпульсу протону.
Кваркова модель Гелл-Манна та Цвейга описуєпротон, як частинку, що складається з двох «верхніх» кварків з електричним зарядом +2/3 кожен і одного «нижнього» кварку з зарядом -1/3, що дає загальний заряд протона +1.
Але кваркова модель - це надмірне спрощення,має серйозні недоліки. Наприклад, вона не працює, коли йдеться про обертання (спину) протона, квантовій властивості, аналогічному кутовому моменту. Спин цієї субатомної частинки становить ½, як і у кожного з його верхніх та нижніх кварків.
Спочатку фізики припустили, що врозрахунках, що повторюють просту арифметику заряду, половина одиниць двох верхніх кварків за вирахуванням частки нижнього кварка повинна дорівнювати половині одиниці протона в цілому. Але в 1988 році Європейське співробітництво по мюонам розрахувало, що спини кварків у сумі становлять набагато менше половини.
Так само дослідження показали, що масидвох верхніх кварків та одного нижнього кварку становлять всього близько 1% від загальної маси протона. Це означало, що всередині нього має ховатися ще щось — інші елементарні частинки, які пояснять властивості цієї субатомної частинки.
Спрощена модель структури протону. Анімація, розваги Brookhaven National Laboratory
Безліч кварків та антикварків в одній частинці
Прискорювач частинок HERA у Німецькомудослідному центрі DESY у Гамбурзі з 1992 по 2007 рік вивчав зіткнення електронів і протонів із силою, що приблизно в тисячу разів перевищувала ту, якої вдалося досягти на SLAC. Хоча експеримент було завершено понад десять років тому, фізики продовжують аналізувати зібрані дані.
В експериментах HERA фізики змогли вивчитиелектрони, що відскочили від кварків з надзвичайно низьким імпульсом, включаючи ті, що несуть лише 0,005% загального імпульсу протона. Результати спостереження підтвердили, що склад протона набагато складніший за кваркову модель Гелл-Манна і Цвейга: електрони відскакували від «вир» низькоімпульсних кварків та їх аналогів з антиматерії, антикварків.
Складна структура з безлічі кварків та антикварків. Анімація, розваги MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Результати підтвердили складну та дивовижнутеорію квантової хромодинаміки. Це квантова теорія сильної взаємодії, яка пов'язує кварки. Ця модель наділяє кварки новою властивістю, що умовно називається «колір», і вводить нові частинки, глюони, які переносять сильну взаємодію між кварками.
Кожен кварк і кожен глюон мають один із трьохтипів «колірних» зарядів, позначених червоним, зеленим та синім. Ці заряджені кольором частинки природно притягуються один до одного і утворюють групу — наприклад, протон, — чиї кольори в сумі дають нейтральний білий колір.
Відповідно до теорії квантової хромодинаміки, глюониможуть вловлювати миттєві сплески енергії. Маючи цю енергію, ці частинки розпадаються на кварк і антикварк, кожен з яких несе лише невеликий імпульс, перш ніж пара анігілює та зникне. Саме це «море» перехідних глюонів, кварків та антикварків було відкрито чутливими детекторами HERA.
Візуалізація протону. Анімація, розваги MIT
Чарівний новий вигляд
Високоенергетичні екстремальні зіткненняпоказують величезну різноманітність кварків, анікварків та глюонів, на які розпадаються протони. Зіткнення з меншою енергією показують лише три валентні кварки, що визначають квантове число елементарної частинки. Але нове дослідження показує, що іноді протон діє структура, що складається з п'яти кварків.
Група дослідників під керівництвом Хуана Рохоз Національного інституту субатомної фізики в Нідерландах та Амстердамського університету VU проаналізувала понад 5 тис. знімків протонів, зроблених за останні 50 років, використовуючи машинне навчання для визначення руху кварків та глюонів усередині протону.
Нова перевірка виявила розмиття фону назображення, які вислизнули від попередніх дослідників. У відносно м'яких зіткненнях, що ледве розривали протон, більшість імпульсу полягала у звичайних трьох кварках: двох верхніх і одному нижньому. Але невелика кількість імпульсу, як показали дослідження, походила від «чарівного» кварку та зачарованого антикварку. Це великі елементарні частинки, кожна з яких найважче протону більш ніж на одну третину.
Дослідження показало, що хоча при високоЕнергетичні зіткнення глюони можуть розділитися на будь-який з шести різних типів кварків, якщо в них достатньо енергії, зачаровані кварк і антикварк формуються набагато частіше, що робить їх помітними навіть у відносно м'яких зіткненнях.
У цих зіткненнях протон з'являється якквантова суміш чи суперпозиція кількох станів: електрон зазвичай зіштовхується з трьома легкими кварками. Але час від часу він буде зустрічати більш рідкісну «молекулу» з п'яти кварків, таких як верхній, нижній та зачарований кварк, згруповані з одного боку, верхній кварк і зачарований антикварк з іншого.
Ці результати мають не лише теоретичнезначення. Наприклад, достатньо енергії може утворюватися при зіткненні протонів космічного випромінювання з елементарними частинками у складі атомів земної атмосфери. У процесі таких зіткнень протони можуть розпадатись на зачаровані кварки та «проливатися» на Землю у вигляді високоенергетичних нейтрино. Це може спантеличити спостерігачів, які використовують ці частинки для вивчення далекого Всесвіту.
Через сто років після відкриття протонів фізикипродовжують вивчати внутрішню структуру цих елементарних частинок. Експерименти наступного покоління шукатимуть ще більше невідомих особливостей. Наприклад, фізики з Брукхейвенської національної лабораторії у США планують запустити електронно-іонний колайдер у 2030-х роках та продовжити з того місця, де зупинилася HERA. Вони робитимуть знімки з вищою роздільною здатністю, які дозволять провести перші тривимірні реконструкції протону.
Це має допомогти дослідникам остаточновизначити походження обертання протона і відповісти на інші фундаментальні питання про незрозумілу частинку, яка становить більшу частину навколишньої звичайної (баріонної) матерії.
Читати далі:
Спеціальна дієта запускає самознищення ракових клітин мозку у мишей
Вчені розшифрували загадковий рукопис Птолемея. Він був прихований під іншим текстом
Новий знімок «Хаббла» спантеличив вчених
На обкладинці: художня ілюстрація безлічі кварків, антикварків та глюонів усередині одного протону. Зображення: D. Dominguez, CERN