Studiind structura materiei, fizicienii au învățat din atomii care au fost făcuți, au ajuns la nucleul atomic și l-au împărțit în protoni și neutroni. Toți acești pași au fost dați destul de ușor - era necesar doar să se disperseze particulele la energia necesară, să le împingă unul împotriva celuilalt și apoi să se prăbușească ele însele în părțile lor componente.
Dar cu protonii și neutronii acest truc nu a trecut. Deși ele sunt particule constitutive, ele nu pot fi "descompuse" nici măcar în cea mai violentă coliziune. Prin urmare, fizicienii au luat decenii pentru a veni cu diferite modalități de a privi în interiorul protonului, a se vedea structura și forma sa. Astăzi, studierea structurii unui proton este una dintre cele mai active domenii ale fizicii particulelor elementare.
Natura oferă sugestii
Istoria studierii structurii protonilor și a neutronilor provine din anii 1930. Atunci când, în plus față de protoni neutroni (1932), apoi măsurat masa lor, fizicienii au descoperit în mod surprinzător că este foarte aproape de masa protonului au fost vizibile. Mai mult, sa dovedit că protonii și neutronii "simt" interacțiunea nucleară exact în același mod. Deci identic că, din punctul de vedere al forței nucleare, protoni și neutroni poate fi considerat ca în cazul în care cele două manifestări ale aceleași particule - nucleoni: protonice - este încărcat electric nucleonilor, ca neutronul - un nucleon neutru. Schimbarea protonilor la neutroni - iar forțele nucleare (aproape) nu vor observa nimic.
Fizicienii descriu această proprietate a naturii ca simetrie - interacțiunea nucleară este simetrică în ceea ce privește înlocuirea protonilor cu neutronii, la fel cum un fluture este simetric în ceea ce privește înlocuirea celei stângi cu cea dreaptă. Această simetrie, pe lângă faptul că a jucat un rol important în fizica nucleară, a fost, de fapt, primul indiciu că nucleonii au o structură internă interesantă. Totuși, în anii '30, fizicienii nu au realizat acest indiciu.
Înțelegerea a venit mai târziu. A început cu faptul că, în anii 1940-1950, în reacțiile de coliziuni de protoni cu nuclei de diferite elemente, oamenii de știință au fost surprinși să găsească tot mai multe particule. Nu protoni, nu neutroni, care nu sunt deschise până în acel moment, pi-mezoni, care dețin nucleoni în nuclee și unele particule complet noi. Cu toata diversitatea lor, aceste particule noi au avut doua proprietati comune. În primul rând, ei, ca nucleonii, au participat foarte mult la interacțiunile nucleare - acum astfel de particule se numesc hadroni. Și în al doilea rând, erau extrem de instabili. Cele mai instabile dintre ele s-au dezintegrat în alte particule într-o singură triliță de nanosecundă, înainte ca acestea să zboare chiar de dimensiunea nucleului atomic!
De mult timp, "grădina zoologică" a hadronilor a fost o mizerie completă. La sfârșitul anilor 1950, fizicienii au învățat deja destul de multe tipuri de hadroni, au început să le compare și au văzut brusc o anumită simetrie generală, chiar și periodicitatea proprietăților lor. Sa conjectat că în interiorul tuturor hadronilor (inclusiv nucleonii) există niște obiecte simple care au fost numite "quarks". Prin combinarea quark-urilor în diferite moduri, este posibil să se obțină hadroni diferiți, și tocmai de acest tip și cu proprietăți așa cum au fost găsite în experiment.
Ce face un proton un proton?
După ce fizicienii au descoperit dispozitivul quark al hadronilor și au aflat că cuarcile vin în mai multe varietăți diferite, a devenit clar că multe particule diferite pot fi construite din cuarci. Deci nu a surprins pe nimeni când experimentele ulterioare au continuat una câte una să găsească noi hadroni. Dar printre toate hadronii, a fost găsită o întreagă familie de particule constând, la fel ca protonul, de numai două u-quarks și un d-quark. Un fel de "veri" ai protonului. Și aici a fost un fizician pentru o surpriză.
Să facem mai întâi o simplă observație. Dacă avem mai multe elemente care constau din "cărămizi" identice, obiectele mai grele conțin mai multe "cărămizi", iar cele mai ușoare - mai puțin. Acesta este un principiu foarte natural, care poate fi numit principiul combinării sau principiul suprastructurii, și este perfect împlinit atât în viața de zi cu zi, cât și în fizică. Se manifestă chiar și în structura nucleelor atomice - la urma urmei, nucleele mai grele constau pur și simplu din mai mulți protoni și neutroni.
Cu toate acestea, la nivel de cuarcă acest principiu nu funcționează deloc și, trebuie să se admită, fizicienii încă nu au înțeles pe deplin de ce. Se pare că verii protoni grei constau, de asemenea, din aceleași cuarci ca protonul, deși sunt de o dată și jumătate mai groși decât protonul. Ele diferă de proton (și diferă una de cealaltă) nu prin compoziție, ci prin aranjarea reciprocă a quark-urilor, prin starea în care sunt situate aceste cuarci unul față de celălalt. Este suficient să schimbăm poziția reciprocă a quark-urilor și vom obține de la proton o altă particulă care este mult mai greu.
Și ce se va întâmpla dacă mai colectăm și colectăm împreună mai mult de trei cuarci? Veți primi o nouă particulă grea? În mod surprinzător, nu funcționează - cuarcile se vor descompune în trei și se vor transforma în câteva particule împrăștiate. Din anumite motive, natura "nu-i place" să unească mai multe cuarci într-un întreg! Numai recent, literalmente în ultimii ani, au început să apară că unele particule multiquark încă mai există, însă acest lucru subliniază doar măsura în care natura nu le place.
O concluzie foarte importantă și profundă rezultă din această combinatorie: masa de hadroni nu se compară deloc cu masa de cuarci. Dar, în cazul în care masa unui hadroni este posibil să crească sau să scadă recombinarea simplă a blocurilor de construcție constitutive, astfel încât să nu quarcii înșiși sunt responsabili pentru masa de hadroni. Într-adevăr, în experimente ulterioare, am aflat că masa de cuarci sine este doar aproximativ două procente din masa protonului, iar restul se datorează câmpului de forță gravitațională (se întâlnesc particule specifice - gluoni) legarea quarcii împreună. Prin schimbarea poziției relative a quarci, de exemplu, împingându-le departe unul de altul, vom schimba astfel norul gluoni, făcându-l mai masiv, din cauza a ceea ce și crește masa unei hadroni (fig. 1).
Particulele sunt cele mai convenabil studiate în coliziunea de protoni cu electroni. Faptul că, spre deosebire de proton, electronul nu participă la interacțiunea nucleară puternică și coliziune cu un proton pare foarte simplu: un electron într-un timp foarte scurt, emite un foton virtuala, care taie în Parton încărcat și produce în final un număr mare de particule ( Figura 2). Putem spune că un electron este un bisturiu excelent pentru "a deschide" un proton și a-l împărți în părți separate - totuși, doar pentru un timp foarte scurt. Știind cât de des au apărut astfel de procese pe accelerator, puteți măsura numărul de părți din interiorul protonului și încărcăturile acestuia.
Cine sunt partenerii în realitate?
Și aici ajungem la o altă descoperire izbitoare pe care fizicienii au făcut-o, studiind coliziuni de particule elementare la energii înalte.
În condiții normale, întrebarea a ceea ce constituie un anumit obiect are un răspuns universal pentru toate cadrele de referință. De exemplu, o moleculă de apă constă din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen - și nu contează dacă ne uităm la o moleculă fixă sau în mișcare. Cu toate acestea, această regulă - pare să fie, este atât de naturală! - este încălcat dacă vorbim de particule elementare care se mișcă cu viteze apropiate de viteza luminii. Într-un cadru de referință, o particulă complexă poate consta dintr-un set de subparticule, iar într-un alt cadru de referință, altul. Se pare că compoziția este un concept relativ!
Cum poate fi aceasta? Cheia aici este o proprietate importantă: numărul de particule din lumea noastră nu este fixat - particulele se pot naște și dispar. De exemplu, dacă doi electroni cu energie suficient de mare sunt împinși împreună, atunci pe lângă acești doi electroni se poate naște fie un foton, fie o pereche de electroni-pozitivi, sau alte particule. Toate acestea sunt permise de legile cuantice, exact ceea ce se întâmplă în experimente reale.
Dar această "lege de neconservare" a particulelor funcționează în ciocniri ale particulelor. Și cum se dovedește că același proton din diferite puncte de vedere pare să fie format dintr-un set diferit de particule? Ideea este că un proton nu este doar trei cuarci stivuite împreună. Între quarcuri există un câmp de gluon de forță. În general, un câmp de forță (ca, de exemplu, un câmp electric sau gravitațional) este un fel de "esență" materială care pătrunde în spațiu și permite particulelor să exercite o forță de influență una asupra celeilalte. În teoria cuantică câmpul constă, de asemenea, din particule, deși din cele speciale - virtuale. Numărul acestor particule nu este fix, ele sunt în mod constant "înfundate" de la cuarci și sunt absorbite de alte cuarci.
Protonul de odihnă poate fi imaginat cu adevărat ca trei cuarci, printre care saltul gluoni. Dar dacă privim același proton dintr-un alt cadru de referință, ca și cum ar fi din fereastra unui tren "relativist" care trece, vom vedea o imagine complet diferită. Acești gluoni virtuali care au lipit împreună cuarcile vor părea să fie mai puțin particule virtuale, mai "reale". Ei, desigur, încă se naște și se absoarbe de către cuarcii, dar în același timp trăiesc singuri, zboară lângă quark-uri, ca niște particule reale. Ceea ce arată ca un câmp de forță simplu într-un cadru de referință, se transformă într-un alt sistem într-un flux de particule! Rețineți că nu atingem protonul însuși, ci doar privim dintr-un alt cadru de referință.
Mai mult - mai mult. Cu cât viteza "trenului relativist" față de viteza luminii este mai apropiată, cu atât imaginea mai uimitoare din interiorul protonului o vom vedea. Pe măsură ce abordăm viteza luminii, observați că tot mai mulți gluoni din interiorul protonului devin din ce în ce mai mulți. Mai mult decât atât, ele sunt uneori împărțite în perechi quark-antiquark, care zboară de asemenea și sunt, de asemenea, considerate partenere. Ca rezultat, ultra-proton, m. E. Un proton se deplasează în raport cu noi, la o viteză foarte aproape de viteza luminii, apare sub forma de întrepătrund nori anticuarcii cuarci și gluoni care zboară de-a lungul și, ca sprijin reciproc (fig. 3).
Fig. H. Reprezentarea schematică a unui proton în diferite cadre de referință. Un proton lent (a) poate fi reprezentat ca trei cuarci (linii pline), care sunt conectate una cu alta de gluoni (linii punctate). Într-un proton în mișcare rapidă (b), gluonii zboară uneori lângă cuarci. La o viteză de proton foarte apropiată de viteza luminii (c), ambele perechi de gluoni și quark-antiquark generate de ele devin parte integrantă - părțile constitutive ale protonului
Un cititor care este familiarizat cu teoria relativității poate fi îngrijorat. Toată fizica se bazează pe principiul că orice proces se desfășoară în același mod în toate formele de referință inerțiale. Și apoi se dovedește că compoziția protonului depinde de cadrul de referință, de la care îl observăm?
Da, așa este, dar acest lucru nu încalcă principiul relativității. Rezultatele proceselor fizice - de exemplu, care particule și câte sunt produse ca urmare a coliziunii - sunt într-adevăr invariabile, deși compoziția protonului depinde de cadrul de referință.
Acest lucru neobișnuit la prima vedere, dar care satisface legile fizicii situația este ilustrată schematic în figura 4. Aceasta arată modul în care ciocnirea a doi protoni cu energie înaltă arată în diferite cadre de referință: un proton în cadru de repaus, în centrul sistemului de masă, un alt cadru de repaus proton . Interacțiunea dintre protoni printr-o cascadă de gluoni fisionabile, dar numai într-un singur caz, această etapă este considerată a fi un „intern“ un proton, în celălalt caz - o parte dintr-un alt proton, iar al treilea - este doar un obiect, care sunt schimbate doi protoni. Această cascadă există, este reală, dar la ce parte a procesului ar trebui atribuită - depinde de cadrul de referință.
Fig. 4. Reprezentarea schematică a unei coliziuni între doi protoni la energie foarte mare: un al doilea sistem de repaus proton (a), centrul de masă (B) în sistemul de repaus al primului proton (e). În toate cele trei cazuri, interacțiunea se face prin schimb de protoni „arbore gluon“, dar căruia îi este atribuit (primul sau al doilea proton sau își asumă o interacțiune individuală) - independent de sistemul de referință
Portret tridimensional al unui proton
Toate rezultatele pe care tocmai le-am menționat s-au bazat pe experimente realizate cu mult timp în urmă - în anii 60-70 ai secolului trecut. Se pare că de atunci totul trebuie studiat și trebuie să răspundă la toate întrebările. Dar nu - dispozitivul proton rămâne unul dintre cele mai interesante subiecte din fizica particulelor elementare. Mai mult, în ultimii ani, interesul pentru el a crescut din nou, pentru că fizicienii au înțeles cum să obțină un portret "tridimensional" al unui proton care se deplasează rapid, lucru care sa dovedit a fi mult mai complicat decât un portret al unui proton staționar.
Experimentele clasice privind coliziunea protonilor spun doar despre numărul de părți și distribuția lor de energie. În astfel de experimente, partonii participă ca obiecte independente și, prin urmare, nu pot fi cunoscuți din modul în care sunt situați partenele relativ unul de celălalt, exact cum se formează în proton. Se poate spune că de mult timp doar un "portret unidimensional" al unui proton care zboară rapid a fost disponibil fizicilor.
În scopul de a construi un adevărat portret, tridimensională a protonului și să învețe de distribuție Parton în spațiul, a necesitat experimente mult mai delicate, decât cei care au fost posibile acum 40 de ani. Astfel de experimente fizica au învățat să pună destul de recent, literalmente în ultimul deceniu. Ei au dat seama că printre numărul mare de reacții diferite, care au loc în coliziune a unui electron și un proton, există o caracteristică a reacției - profund virtuală Compton - și care vă va spune despre structura tridimensională a protonului.
În general, împrăștierea Compton sau efectul Compton este coliziunea elastică a unui foton cu o particulă, de exemplu un proton. Se pare că: un foton sosește, este absorbit de un proton, care pentru scurt timp trece într-o stare excitată și apoi revine la starea inițială, emite un foton într-o anumită direcție.
Compton împrăștierea fotonilor lumina obișnuiți nu duce la nimic interesant - aceasta este o simplă reflectare a luminii de la un proton. Pentru a "intra în joc" structura internă a protonului și "a simțit" distribuția de cuarci, trebuie să folosiți fotoni de energie foarte înaltă - de miliarde de ori mai mult decât în lumina obișnuită. Și doar astfel de fotoni - adevăr, virtual - generează cu ușurință un electron incident. Dacă acum combinăm unii cu alții, atunci vom obține o împrăștiere Compton profundă (Fig.5).
Fig. 5. Schema de împrăștiere Compton profundă. Electronul incident emite un foton virtual, care este împrăștiat pe un proton ca efectul Compton
Principala caracteristică a acestei reacții este că nu distruge protonul. Fotonul de intrare nu lovi doar protonul, ci ca și cum ar simți cu atenție și apoi va pleca. Modul în care el zboară și ce parte din energia pe care protonul o îndepărtează depinde de aranjarea protonului, de aranjamentul reciproc al partonilor din interiorul lui. De aceea, atunci când studiem acest proces, este posibil să restabilim forma tridimensională a unui proton, ca atare, "să-i sculptăm sculptura".
De ce este interesant acest lucru pentru fizicieni?
De ce fizicienii trebuie să știe exact cum se distribuie materia în interiorul protonilor și neutronilor?
În primul rând, logica dezvoltării fizicii necesită acest lucru. În lume există multe sisteme uimitor de complexe cu care fizica teoretică modernă nu se poate descurca complet. Hadronii sunt unul dintre astfel de sisteme. Analizând hadroni cu dispozitivul, ne ascuți capacitatea fizica teoretică, care poate fi bine universal și ar putea ajuta la ceva complet diferit, cum ar fi studiul supraconductori și alte materiale cu proprietăți neobișnuite.
În al doilea rând, există un beneficiu imediat pentru fizica nucleară. În ciuda istoriei aproape vechi de secole a studiului nucleelor atomice, teoreticienii încă nu cunosc exacta lege a interacțiunii dintre protoni și neutroni.
Ei trebuie să ghicească parțial această lege, pe baza datelor experimentale, parțial pe baza cunoașterii structurii nucleonilor. Aici se vor ajuta noi date despre aranjamentul tridimensional al nucleonilor.
În al treilea rând, câțiva ani în urmă, fizicienii au reușit să obțină o nouă stare agregată de materie - plasma quark-gluon. În această stare, quark-urile nu stau în interiorul protonilor și neutronilor individuali, ci merg în mod liber în jurul întregului cheag de materie nucleară. Se poate realiza, de exemplu, astfel: nucleele grele accelerează în accelerator la o viteză foarte apropiată de viteza luminii și apoi se confruntă cu fruntea. În această ciocnire, pentru o perioadă scurtă de timp, apare o temperatură de trilioane de grade, care topeste nucleul într-o plasmă de cuarcă-gluon. Deci, se pare că calculele teoretice ale acestei topiri nucleare necesită o bună cunoaștere a aranjamentului tridimensional al nucleonilor.
În cele din urmă, aceste date sunt foarte necesare pentru astrofizică. Când stelele grele explodează la sfârșitul vieții lor, ele rămân deseori obiecte extrem de compacte - neutroni și, eventual, stele cu quark. Miezul acestor stele este format în întregime din neutroni și poate chiar de la o plasmă rece cu gluco-cuarcul. Asemenea stele au fost descoperite de mult, dar ceea ce se întâmplă în interiorul lor - se poate ghici doar. Deci, o bună înțelegere a distribuțiilor de quark poate duce la progresul în astrofizică.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: