En este artículo encontrarás información sobre el protón, como partícula elemental que forma la base del universo junto con sus demás elementos, utilizada en química y física. Se determinarán las propiedades del protón, sus características en química y estabilidad.
¿Qué es un protón?
Un protón es uno de los representantes de las partículas elementales, que se clasifica como barión, p. en el que los fermiones interactúan fuertemente y la propia partícula consta de 3 quarks. El protón es una partícula estable y tiene un impulso personal: espín ½. La designación física del protón es pag(o pag +)
Un protón es una partícula elemental que participa en procesos de tipo termonuclear. Este tipo de reacción es esencialmente la principal fuente de energía generada por las estrellas en todo el universo. Casi toda la cantidad de energía liberada por el Sol existe únicamente gracias a la combinación de 4 protones en un núcleo de helio con la formación de un neutrón a partir de dos protones.
Propiedades inherentes a un protón.
Un protón es uno de los representantes de los bariones. Es un hecho. La carga y la masa de un protón son cantidades constantes. El protón tiene carga eléctrica +1, y su masa se determina en varias unidades de medida y está en MeV 938,272 0813(58), en kilogramos de un protón el peso está en las cifras 1,672 621 898(21) 10 −27 kg, en unidades de masas atómicas el peso de un protón es 1,007 276 466 879(91) a. e.m., y en relación a la masa del electrón, el protón pesa 1836,152 673 89 (17) en relación al electrón.
Un protón, cuya definición ya se ha dado anteriormente, desde el punto de vista de la física, es una partícula elemental con una proyección de isospin +½, y la física nuclear percibe esta partícula con el signo opuesto. El protón en sí es un nucleón y consta de 3 quarks (dos quarks u y un quark d).
La estructura del protón fue estudiada experimentalmente por el físico nuclear de los Estados Unidos de América, Robert Hofstadter. Para lograr este objetivo, el físico hizo colisionar protones con electrones de alta energía y recibió el Premio Nobel de Física por su descripción.
El protón contiene un núcleo (núcleo pesado), que contiene alrededor del treinta y cinco por ciento de la energía de la carga eléctrica del protón y tiene una densidad bastante alta. La capa que rodea el núcleo está relativamente descargada. La capa se compone principalmente de mesones virtuales de tipo yp y transporta alrededor del cincuenta por ciento del potencial eléctrico del protón y está ubicada a una distancia de aproximadamente 0,25 * 10 13 a 1,4 * 10 13 . Aún más, a una distancia de aproximadamente 2,5 * 10 13 centímetros, la capa consta de yw mesones virtuales y contiene aproximadamente el quince por ciento restante de la carga eléctrica del protón.
Estabilidad y estabilidad de protones
En estado libre, el protón no muestra ningún signo de desintegración, lo que indica su estabilidad. El estado estable de un protón, como representante más ligero de los bariones, está determinado por la ley de conservación del número de bariones. Sin violar la ley SBC, los protones son capaces de descomponerse en neutrinos, positrones y otras partículas elementales más ligeras.
El protón del núcleo de los átomos tiene la capacidad de capturar ciertos tipos de electrones que tienen capas atómicas K, L, M. Un protón, una vez completada la captura de electrones, se transforma en un neutrón y, como resultado, libera un neutrino, y el "agujero" formado como resultado de la captura de electrones se llena con electrones de encima de las capas atómicas subyacentes.
En los sistemas de referencia no inerciales, los protones deben adquirir una vida útil limitada que se puede calcular; esto se debe al efecto Unruh (radiación), que en la teoría cuántica de campos predice la posible observación de radiación térmica en un sistema de referencia que se acelera en el sistema. ausencia de este tipo de radiación. Por lo tanto, un protón, si tiene una vida finita, puede sufrir una desintegración beta en un positrón, neutrón o neutrino, a pesar de que el proceso de dicha desintegración está prohibido por la ZSE.
Uso de protones en química.
Un protón es un átomo de H formado a partir de un solo protón y no tiene un electrón, por lo que en un sentido químico, un protón es un núcleo de un átomo de H. Un neutrón emparejado con un protón crea el núcleo de un átomo. En el PTCE de Dmitry Ivanovich Mendeleev, el número de elemento indica el número de protones en el átomo de un elemento en particular, y el número de elemento está determinado por la carga atómica.
Los cationes de hidrógeno son aceptores de electrones muy fuertes. En química, los protones se obtienen principalmente de ácidos orgánicos y minerales. La ionización es un método para producir protones en fases gaseosas.
Las partículas elementales de cinco letras se enumeran a continuación. Se da una breve descripción para cada definición.
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Lista de partículas elementales
Fotón
Es un cuanto de radiación electromagnética, por ejemplo la luz. La luz, a su vez, es un fenómeno que consiste en corrientes de luz. Un fotón es una partícula elemental. Un fotón tiene carga neutra y masa cero. El giro del fotón es igual a la unidad. El fotón transmite la interacción electromagnética entre partículas cargadas. El término fotón proviene del griego phos, que significa luz.
fonón
Es una cuasipartícula, un cuanto de vibraciones elásticas y desplazamientos de átomos y moléculas de la red cristalina desde una posición de equilibrio. En las redes cristalinas, los átomos y las moléculas interactúan constantemente, compartiendo energía entre sí. En este sentido, es casi imposible estudiar en ellos fenómenos similares a las vibraciones de átomos individuales. Por tanto, las vibraciones aleatorias de los átomos suelen considerarse según el tipo de propagación de las ondas sonoras dentro de una red cristalina. Los cuantos de estas ondas son fonones. El término fonón proviene del griego fone: sonido.
Phazon
La fase de fluctuón es una cuasipartícula, que es una excitación en aleaciones o en otro sistema heterofásico, que forma un pozo de potencial (región ferromagnética) alrededor de una partícula cargada, digamos un electrón, y la captura.
Rotón
Es una cuasipartícula que corresponde a la excitación elemental en helio superfluido, en la región de altos impulsos, asociada con la aparición de movimiento de vórtice en un líquido superfluido. Roton, traducido del latín significa: girar, girar. Roton aparece a temperaturas superiores a 0,6 K y determina propiedades de la capacidad calorífica exponencialmente dependientes de la temperatura, como la entropía de densidad normal y otras.
Mesón
Es una partícula no elemental inestable. Un mesón es un electrón pesado en los rayos cósmicos.
La masa de un mesón es mayor que la masa de un electrón y menor que la masa de un protón.
Los mesones tienen un número par de quarks y antiquarks. Los mesones incluyen piones, kaones y otros mesones pesados.
Cuarc
Se trata de una partícula elemental de materia, pero hasta ahora sólo de forma hipotética. Los quarks suelen denominarse seis partículas y sus antipartículas (antiquarks), que a su vez forman un grupo de hadrones de partículas elementales especiales.
Se cree que las partículas que participan en interacciones fuertes, como los protones, las neuronas y algunas otras, están formadas por quarks estrechamente conectados entre sí. Los quarks existen constantemente en diferentes combinaciones. Existe la teoría de que los quarks podrían existir en forma libre en los primeros momentos después del Big Bang.
gluón
Partícula elemental. Según una teoría, los gluones parecen unir quarks, que a su vez forman partículas como protones y neuronas. En general, los gluones son las partículas más pequeñas que forman la materia.
bosón
Bosón-cuasipartícula o partícula de Bose. Un bosón tiene espín cero o entero. El nombre se le da en honor al físico Shatyendranath Bose. Un bosón se diferencia en que un número ilimitado de ellos pueden tener el mismo estado cuántico.
Hadrón
Un hadrón es una partícula elemental que no es verdaderamente elemental. Está formado por quarks, antiquarks y gluones. El hadrón no tiene carga de color y participa en interacciones fuertes, incluidas las nucleares. El término hadrón, del griego adros, significa grande, masivo.
Al estudiar la estructura de la materia, los físicos descubrieron de qué están hechos los átomos, llegaron al núcleo atómico y lo dividieron en protones y neutrones. Todos estos pasos se dieron con bastante facilidad: solo había que acelerar las partículas hasta la energía requerida, empujarlas unas contra otras y luego ellas mismas se desintegrarían en sus partes componentes.
Pero con los protones y los neutrones este truco ya no funcionaba. Aunque son partículas compuestas, no pueden “romperse en pedazos” ni siquiera en la colisión más violenta. Por lo tanto, los físicos tardaron décadas en encontrar diferentes formas de mirar dentro del protón, ver su estructura y forma. Hoy en día, el estudio de la estructura del protón es una de las áreas más activas de la física de partículas.
La naturaleza da pistas
La historia del estudio de la estructura de protones y neutrones se remonta a la década de 1930. Cuando, además de los protones, se descubrieron los neutrones (1932), después de medir su masa, los físicos se sorprendieron al descubrir que estaba muy cerca de la masa de un protón. Además, resultó que los protones y los neutrones “sienten” la interacción nuclear exactamente de la misma manera. Tan idénticos que, desde el punto de vista de las fuerzas nucleares, un protón y un neutrón pueden considerarse dos manifestaciones de la misma partícula: un nucleón: un protón es un nucleón cargado eléctricamente y un neutrón es un nucleón neutro. Cambie protones por neutrones y las fuerzas nucleares (casi) no notarán nada.
Los físicos expresan esta propiedad de la naturaleza como simetría: la interacción nuclear es simétrica con respecto a la sustitución de protones por neutrones, así como una mariposa es simétrica con respecto a la sustitución de la izquierda por la derecha. Esta simetría, además de desempeñar un papel importante en la física nuclear, fue en realidad el primer indicio de que los nucleones tenían una estructura interna interesante. Es cierto que en los años 30 los físicos no se dieron cuenta de este indicio.
La comprensión llegó más tarde. Todo comenzó con el hecho de que en las décadas de 1940 y 1950, en las reacciones de colisiones de protones con núcleos de diversos elementos, los científicos se sorprendieron al descubrir cada vez más partículas nuevas. Ni protones, ni neutrones, ni los mesones pi descubiertos en ese momento, que contienen nucleones en los núcleos, sino algunas partículas completamente nuevas. A pesar de toda su diversidad, estas nuevas partículas tenían dos propiedades comunes. En primer lugar, ellos, como los nucleones, participaron muy voluntariamente en interacciones nucleares; ahora esas partículas se llaman hadrones. Y en segundo lugar, eran extremadamente inestables. Los más inestables se desintegraron en otras partículas en solo una billonésima de nanosegundo, ¡sin siquiera tener tiempo de volar del tamaño de un núcleo atómico!
Durante mucho tiempo, el “zoológico” de hadrones fue un completo desastre. A finales de la década de 1950, los físicos ya habían aprendido bastantes tipos diferentes de hadrones, comenzaron a compararlos entre sí y de repente vieron una cierta simetría general, incluso periodicidad, en sus propiedades. Se sugirió que dentro de todos los hadrones (incluidos los nucleones) hay algunos objetos simples llamados "quarks". Combinando quarks de diferentes maneras, es posible obtener hadrones diferentes, exactamente del mismo tipo y con las mismas propiedades que se descubrieron en el experimento.
¿Qué hace que un protón sea un protón?
Después de que los físicos descubrieron la estructura de los quarks de los hadrones y supieron que los quarks existen en varias variedades diferentes, quedó claro que se podían construir muchas partículas diferentes a partir de quarks. Por eso, nadie se sorprendió cuando en experimentos posteriores se siguieron encontrando nuevos hadrones, uno tras otro. Pero entre todos los hadrones, se descubrió toda una familia de partículas que, al igual que el protón, consta de sólo dos tu-quarks y uno d-cuarc. Una especie de “hermano” del protón. Y aquí los físicos se llevaron una sorpresa.
Primero hagamos una simple observación. Si tenemos varios objetos que constan de los mismos "ladrillos", entonces los objetos más pesados contienen más "ladrillos" y los más ligeros contienen menos. Este es un principio muy natural, que puede llamarse principio de combinación o principio de superestructura, y funciona perfectamente tanto en la vida cotidiana como en la física. Incluso se manifiesta en la estructura de los núcleos atómicos; después de todo, los núcleos más pesados simplemente están formados por una mayor cantidad de protones y neutrones.
Sin embargo, a nivel de los quarks, este principio no funciona en absoluto y, es cierto, los físicos aún no han descubierto del todo por qué. Resulta que los hermanos pesados del protón también están formados por los mismos quarks que el protón, aunque son una vez y media o incluso dos veces más pesados que el protón. Se diferencian del protón (y se diferencian entre sí) no composición, y mutuo ubicación quarks, por el estado en el que se encuentran estos quarks entre sí. Basta con cambiar la posición relativa de los quarks y del protón obtendremos otra partícula notablemente más pesada.
¿Qué pasará si todavía tomas y recolectas más de tres quarks juntos? ¿Se producirá una nueva partícula pesada? Sorprendentemente, no funcionará: los quarks se dividirán en tres y se convertirán en varias partículas dispersas. ¡Por alguna razón, a la naturaleza "no le gusta" combinar muchos quarks en un todo! Sólo muy recientemente, literalmente en los últimos años, comenzaron a aparecer indicios de que algunas partículas multiquarks existen, pero esto solo enfatiza cuánto no le gustan a la naturaleza.
De esta combinatoria se desprende una conclusión muy importante y profunda: la masa de los hadrones no consiste en absoluto en la masa de los quarks. Pero si la masa de un hadrón puede aumentarse o disminuirse simplemente recombinando sus ladrillos constituyentes, entonces no son los quarks en sí los responsables de la masa de los hadrones. De hecho, en experimentos posteriores se descubrió que la masa de los propios quarks es solo aproximadamente el dos por ciento de la masa del protón, y el resto de la gravedad surge debido al campo de fuerza (partículas especiales: gluones) que unen los quarks. Al cambiar la posición relativa de los quarks, por ejemplo, alejándolos unos de otros, cambiamos la nube de gluones, haciéndola más masiva, razón por la cual aumenta la masa de hadrones (Fig. 1).
¿Qué sucede dentro de un protón que se mueve rápidamente?
Todo lo descrito anteriormente se refiere a un protón estacionario; en el lenguaje de los físicos, esta es la estructura del protón en su estado de reposo. Sin embargo, en el experimento, la estructura del protón se descubrió por primera vez en otras condiciones: dentro vuelo rápido protón.
A finales de la década de 1960, en experimentos sobre colisiones de partículas en aceleradores, se observó que los protones que viajaban a una velocidad cercana a la de la luz se comportaban como si la energía en su interior no estuviera distribuida uniformemente, sino concentrada en objetos compactos individuales. El famoso físico Richard Feynman propuso llamar protones a estos grupos de materia dentro. partones(De inglés parte - Parte).
Experimentos posteriores examinaron muchas de las propiedades de los partones, por ejemplo, su carga eléctrica, su número y la fracción de energía de los protones que cada uno transporta. Resulta que los partones cargados son quarks y los partones neutros son gluones. Sí, sí, esos mismos gluones que en el marco de reposo del protón simplemente "sirvieron" a los quarks, atrayéndolos entre sí, ahora son partones independientes y, junto con los quarks, transportan la "materia" y la energía de un protón que se mueve rápidamente. Los experimentos han demostrado que aproximadamente la mitad de la energía se almacena en quarks y la otra mitad en gluones.
La forma más conveniente de estudiar los partones es en colisiones de protones con electrones. El hecho es que, a diferencia de un protón, un electrón no participa en interacciones nucleares fuertes y su colisión con un protón parece muy simple: el electrón emite un fotón virtual durante muy poco tiempo, que choca contra un partón cargado y finalmente genera un gran cantidad de partículas ( Fig. 2). Podemos decir que el electrón es un excelente bisturí para “abrir” el protón y dividirlo en partes separadas, pero sólo por muy poco tiempo. Sabiendo con qué frecuencia ocurren estos procesos en un acelerador, se puede medir el número de partones dentro de un protón y sus cargas.
¿Quiénes son realmente los Parton?
Y aquí llegamos a otro descubrimiento sorprendente que hicieron los físicos mientras estudiaban las colisiones de partículas elementales a altas energías.
En condiciones normales, la pregunta de en qué consiste tal o cual objeto tiene una respuesta universal para todos los sistemas de referencia. Por ejemplo, una molécula de agua consta de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, y no importa si estamos mirando una molécula estacionaria o en movimiento. Sin embargo, ¡esta regla parece tan natural! - se viola si hablamos de partículas elementales que se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. En un marco de referencia, una partícula compleja puede consistir en un conjunto de subpartículas, y en otro marco de referencia, en otro. Resulta que La composición es un concepto relativo.!
¿Cómo puede ser esto? La clave aquí es una propiedad importante: el número de partículas en nuestro mundo no es fijo: las partículas pueden nacer y desaparecer. Por ejemplo, si junta dos electrones con una energía suficientemente alta, además de estos dos electrones, puede nacer un fotón, un par electrón-positrón o algunas otras partículas. Todo esto lo permiten las leyes cuánticas, y esto es exactamente lo que sucede en experimentos reales.
Pero esta “ley de no conservación” de las partículas funciona en caso de colisiones partículas. ¿Cómo es posible que el mismo protón, desde diferentes puntos de vista, parezca estar formado por un conjunto diferente de partículas? La cuestión es que un protón no son sólo tres quarks juntos. Entre los quarks existe un campo de fuerza de gluones. En general, un campo de fuerza (como un campo gravitacional o eléctrico) es un tipo de “entidad” material que impregna el espacio y permite que las partículas ejerzan una poderosa influencia entre sí. En la teoría cuántica, el campo también está formado por partículas, aunque sean especiales: virtuales. El número de estas partículas no es fijo; están constantemente “brotando” de los quarks y siendo absorbidas por otros quarks.
descansando En realidad, se puede pensar en un protón como tres quarks con gluones saltando entre ellos. Pero si miramos el mismo protón desde un marco de referencia diferente, como desde la ventana de un "tren relativista" que pasa, veremos una imagen completamente diferente. Esos gluones virtuales que unieron a los quarks parecerán partículas menos virtuales y “más reales”. Por supuesto, todavía nacen y son absorbidos por los quarks, pero al mismo tiempo viven solos durante algún tiempo, volando junto a los quarks, como partículas reales. ¡Lo que parece un simple campo de fuerza en un marco de referencia se convierte en una corriente de partículas en otro marco! Tenga en cuenta que no tocamos el protón en sí, sino que sólo lo miramos desde un marco de referencia diferente.
Además. Cuanto más se acerque la velocidad de nuestro “tren relativista” a la velocidad de la luz, más sorprendente será la imagen que veremos dentro del protón. A medida que nos acerquemos a la velocidad de la luz, notaremos que cada vez hay más gluones dentro del protón. Además, a veces se dividen en pares quark-antiquark, que también vuelan cerca y también se consideran partones. Como resultado, un protón ultrarelativista, es decir, un protón que se mueve con respecto a nosotros a una velocidad muy cercana a la de la luz, aparece en forma de nubes interpenetrantes de quarks, antiquarks y gluones que vuelan juntos y parecen apoyarse mutuamente (Fig. 3).
Un lector familiarizado con la teoría de la relatividad puede estar preocupado. Toda la física se basa en el principio de que cualquier proceso se desarrolla de la misma manera en todos los sistemas de referencia inerciales. ¡¿Pero resulta que la composición del protón depende del marco de referencia desde el cual lo observamos?!
Sí, exactamente, pero esto de ninguna manera viola el principio de relatividad. Los resultados de los procesos físicos (por ejemplo, qué partículas y cuántas se producen como resultado de una colisión) resultan invariantes, aunque la composición del protón depende del marco de referencia.
Esta situación, inusual a primera vista, pero que cumple todas las leyes de la física, se ilustra esquemáticamente en la Figura 4. Muestra cómo se ve la colisión de dos protones con alta energía en diferentes marcos de referencia: en el marco de reposo de un protón, en el marco del centro de masa, en el marco de reposo de otro protón. La interacción entre protones se lleva a cabo a través de una cascada de gluones que se dividen, pero solo en un caso esta cascada se considera el "interior" de un protón, en otro caso se considera parte de otro protón, y en el tercero es simplemente algo Objeto que se intercambia entre dos protones. Esta cascada existe, es real, pero a qué parte del proceso se debe atribuir depende del marco de referencia.
Retrato 3D de un protón
Todos los resultados de los que acabamos de hablar se basan en experimentos realizados hace bastante tiempo, entre los años 60 y 70 del siglo pasado. Parecería que desde entonces todo debería haberse estudiado y todas las preguntas deberían haber encontrado respuesta. Pero no: la estructura del protón sigue siendo uno de los temas más interesantes de la física de partículas. Además, en los últimos años ha vuelto a aumentar el interés porque los físicos han descubierto cómo obtener un retrato "tridimensional" de un protón en rápido movimiento, lo que resultó ser mucho más difícil que un retrato de un protón estacionario.
Los experimentos clásicos sobre colisiones de protones sólo hablan del número de partones y de su distribución de energía. En tales experimentos, los partones participan como objetos independientes, lo que significa que es imposible descubrir a partir de ellos cómo se ubican los partones entre sí o cómo se suman exactamente para formar un protón. Podemos decir que durante mucho tiempo, los físicos sólo dispusieron de un retrato "unidimensional" de un protón en rápido movimiento.
Para construir un retrato tridimensional real de un protón y conocer la distribución de los partones en el espacio, se necesitan experimentos mucho más sutiles que los que eran posibles hace 40 años. Los físicos aprendieron a realizar tales experimentos recientemente, literalmente en la última década. Se dieron cuenta de que entre la gran cantidad de reacciones diferentes que ocurren cuando un electrón choca con un protón, hay una reacción especial: dispersión Compton virtual profunda, - que puede informarnos sobre la estructura tridimensional del protón.
En general, la dispersión Compton, o efecto Compton, es la colisión elástica de un fotón con una partícula, por ejemplo un protón. Se ve así: llega un fotón, es absorbido por un protón, que entra en un estado excitado por un corto tiempo y luego regresa a su estado original, emitiendo un fotón en alguna dirección.
La dispersión Compton de fotones de luz ordinarios no conduce a nada interesante: es simplemente el reflejo de la luz de un protón. Para que la estructura interna del protón "entre en juego" y se "sienta" la distribución de los quarks, es necesario utilizar fotones de muy alta energía, miles de millones de veces más que en la luz ordinaria. Y precisamente esos fotones, aunque sean virtuales, son fácilmente generados por un electrón incidente. Si ahora combinamos uno con el otro, obtenemos una dispersión Compton virtual profunda (Fig. 5).
La característica principal de esta reacción es que no destruye el protón. El fotón incidente no sólo choca contra el protón, sino que, por así decirlo, lo palpa con cuidado y luego se va volando. La dirección en la que vuela y la parte de la energía que el protón toma de él depende de la estructura del protón, de la posición relativa de los partones en su interior. Por eso, estudiando este proceso, es posible restaurar la apariencia tridimensional del protón, como si se “modelara su escultura”.
Es cierto que esto es muy difícil de hacer para un físico experimental. El proceso requerido ocurre con bastante poca frecuencia y es difícil registrarlo. Los primeros datos experimentales sobre esta reacción no se obtuvieron hasta 2001 en el acelerador HERA del complejo acelerador alemán DESY en Hamburgo; Los experimentadores están procesando ahora una nueva serie de datos. Sin embargo, hoy en día, basándose en los primeros datos, los teóricos están dibujando distribuciones tridimensionales de quarks y gluones en el protón. Del experimento finalmente empezó a “emerger” una magnitud física sobre la que hasta entonces los físicos sólo habían hecho suposiciones.
¿Nos espera algún descubrimiento inesperado en esta área? Es probable que sí. Para ilustrarlo, digamos que en noviembre de 2008 apareció un interesante artículo teórico que afirma que un protón que se mueve rápidamente no debería parecerse a un disco plano, sino a una lente bicóncava. Esto sucede porque las partes que se encuentran en la región central del protón se comprimen más fuertemente en la dirección longitudinal que las partes que se encuentran en los bordes. ¡Sería muy interesante probar experimentalmente estas predicciones teóricas!
¿Por qué es todo esto interesante para los físicos?
¿Por qué los físicos necesitan saber exactamente cómo se distribuye la materia dentro de los protones y neutrones?
En primer lugar, esto lo exige la lógica misma del desarrollo de la física. Hay muchos sistemas sorprendentemente complejos en el mundo que la física teórica moderna aún no puede afrontar por completo. Los hadrones son uno de esos sistemas. Al comprender la estructura de los hadrones, estamos perfeccionando las habilidades de la física teórica, que bien puede resultar universal y, tal vez, ayudar en algo completamente diferente, por ejemplo, en el estudio de superconductores u otros materiales con propiedades inusuales.
En segundo lugar, existe un beneficio directo para la física nuclear. A pesar de casi un siglo de historia del estudio de los núcleos atómicos, los teóricos aún no conocen la ley exacta de interacción entre protones y neutrones.
Tienen que adivinar esta ley en parte basándose en datos experimentales y en parte construirla basándose en el conocimiento sobre la estructura de los nucleones. Aquí es donde ayudarán los nuevos datos sobre la estructura tridimensional de los nucleones.
En tercer lugar, hace varios años los físicos pudieron obtener nada menos que un nuevo estado agregado de la materia: el plasma de quarks y gluones. En este estado, los quarks no se encuentran dentro de protones y neutrones individuales, sino que caminan libremente por toda la masa nuclear. Esto se puede lograr, por ejemplo, de esta manera: los núcleos pesados se aceleran en un acelerador a una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz y luego chocan de frente. En esta colisión se producen en muy poco tiempo temperaturas de billones de grados, lo que hace que los núcleos se fundan en plasma de quarks y gluones. Resulta entonces que los cálculos teóricos de esta fusión nuclear requieren un buen conocimiento de la estructura tridimensional de los nucleones.
Finalmente, estos datos son muy necesarios para la astrofísica. Cuando las estrellas pesadas explotan al final de su vida, a menudo dejan detrás objetos extremadamente compactos: estrellas de neutrones y posiblemente de quarks. El núcleo de estas estrellas está formado enteramente por neutrones y tal vez incluso por plasma frío de quarks y gluones. Este tipo de estrellas se han descubierto desde hace mucho tiempo, pero sólo se puede adivinar lo que sucede en su interior. Por tanto, una buena comprensión de las distribuciones de los quarks puede conducir a avances en astrofísica.
- Traducción
Arroz. 1: átomo de hidrógeno. No a escala.
Sabes que el Gran Colisionador de Hadrones básicamente hace chocar protones entre sí. Pero ¿qué es un protón?
En primer lugar, es un desastre terrible y completo. Tan feo y caótico como el átomo de hidrógeno es simple y elegante.
Pero ¿qué es entonces un átomo de hidrógeno?
Este es el ejemplo más simple de lo que los físicos llaman un "estado ligado". "Estado" esencialmente significa algo que ha existido desde hace bastante tiempo, y "conectado" significa que sus componentes están conectados entre sí, como los cónyuges en un matrimonio. De hecho, el ejemplo de una pareja casada en la que uno de los cónyuges pesa mucho más que el otro encaja muy bien aquí. El protón se encuentra en el centro, apenas se mueve, y en los bordes del objeto hay un electrón que se mueve, moviéndose más rápido que tú y yo, pero mucho más lento que la velocidad de la luz, el límite universal de velocidad. Una imagen pacífica de un matrimonio idílico.
O así parece hasta que miramos dentro del propio protón. El interior del propio protón se parece más a una comuna, donde muchos adultos y niños solteros están densamente agrupados: puro caos. Este también es un estado ligado, pero no une algo simple, como un protón con un electrón, como en el hidrógeno, o al menos varias docenas de electrones con un núcleo atómico, como en átomos más complejos como el oro, sino un número incontable ( es decir, hay demasiadas y cambian demasiado rápido para poder contarlas en la práctica) partículas ligeras llamadas quarks, antiquarks y gluones. Es imposible describir simplemente la estructura del protón, hacer dibujos simples: está extremadamente desorganizada. Todos los quarks, gluones y antiquarks corren por el interior a la máxima velocidad posible, casi a la velocidad de la luz.
Arroz. 2: Imagen de un protón. Imagine que todos los quarks (arriba, abajo, extraño - u,d,s), antiquarks (u,d,s con un guión) y gluones (g) corren de un lado a otro casi a la velocidad de la luz, chocan entre sí otro, aparece y desaparece
Quizás hayas oído que un protón consta de tres quarks. Pero esto es una mentira, por el bien común, pero aún así es bastante grande. De hecho, hay una gran cantidad de gluones, antiquarks y quarks en el protón. La abreviatura estándar "un protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo" simplemente dice que un protón tiene dos quarks arriba más que arriba y un quark abajo más que abajo. Para que esta reducción sea cierta, es necesario añadirle “e incontables más gluones y pares quark-antiquark”. Sin esta frase, la idea de protón quedará tan simplificada que será completamente imposible entender el funcionamiento del LHC.
Arroz. 3: Pequeñas mentiras piadosas en una imagen estereotipada de Wikipedia
En general, los átomos comparados con los protones son como un pas de deux en un ballet elaborado comparado con una discoteca llena de adolescentes borrachos saltando y saludando al DJ.
Por eso, si usted es un teórico que intenta comprender qué verá el LHC en las colisiones de protones, lo pasará mal. Es muy difícil predecir los resultados de colisiones entre objetos que no se pueden describir de forma sencilla. Pero, afortunadamente, desde los años 70, basándose en las ideas de Bjorken de los años 60, los físicos teóricos han encontrado una tecnología relativamente sencilla y funcional. Pero todavía funciona hasta ciertos límites, con una precisión de alrededor del 10%. Por esta y otras razones, la fiabilidad de nuestros cálculos en el LHC siempre es limitada.
Otra cosa acerca del protón es que es diminuto. Realmente pequeño. Si explotas un átomo de hidrógeno al tamaño de tu dormitorio, el protón tendrá el tamaño de un grano de polvo tan pequeño que será muy difícil notarlo. Precisamente porque el protón es tan pequeño, podemos ignorar el caos que ocurre en su interior y describir el átomo de hidrógeno como simple. Más precisamente, el tamaño de un protón es 100.000 veces menor que el tamaño de un átomo de hidrógeno.
En comparación, el tamaño del Sol es sólo 3.000 veces menor que el tamaño del Sistema Solar (medido según la órbita de Neptuno). Así es: ¡el átomo está más vacío que el sistema solar! Recuerda esto cuando mires al cielo por la noche.
Pero podrías preguntar: “¡Espera un segundo! ¿Estás diciendo que el Gran Colisionador de Hadrones de alguna manera colisiona protones que son 100.000 veces más pequeños que un átomo? Como es esto posible?
Gran pregunta.
Colisiones de protones versus minicolisiones de quarks, gluones y antiquarks
Las colisiones de protones en el LHC se producen con cierta energía. Era 7 TeV = 7000 GeV en 2011 y 8 TeV = 8000 GeV en 2012. Pero los físicos de partículas están interesados principalmente en las colisiones de un quark de un protón con el antiquark de otro protón, o en las colisiones de dos gluones, etc. – algo que puede conducir al surgimiento de un fenómeno físico verdaderamente nuevo. Estas minicolisiones transportan una pequeña fracción de la energía total de colisión de protones. ¿Cuánta de esta energía pueden transportar y por qué fue necesario aumentar la energía de colisión de 7 TeV a 8 TeV?La respuesta está en la Fig. 4. El gráfico muestra el número de colisiones detectadas por el detector ATLAS. Los datos del verano de 2011 implican la dispersión de quarks, antiquarks y gluones de otros quarks, antiquarks y gluones. Estas minicolisiones suelen producir dos chorros (chorros de hadrones, manifestaciones de quarks, gluones o antiquarks de alta energía extraídos de los protones originales). Se miden las energías y direcciones de los chorros y, a partir de estos datos, se determina la cantidad de energía que debería haber estado implicada en la minicolisión. El gráfico muestra el número de minicolisiones de este tipo en función de la energía. El eje vertical es logarítmico: cada línea denota un aumento de 10 veces en la cantidad (10 n denota 1 y n ceros después). Por ejemplo, el número de minicolisiones observadas en el intervalo de energía de 1550 a 1650 GeV fue de aproximadamente 10 3 = 1000 (marcadas con líneas azules). Tenga en cuenta que el gráfico comienza en 750 GeV, pero el número de minicolisiones continúa aumentando a medida que estudia los chorros de menor energía, hasta el punto en que los chorros se vuelven demasiado débiles para detectarlos.
Arroz. 4: número de colisiones en función de la energía (m jj)
Consideremos que el número total de colisiones protón-protón con una energía de 7 TeV = 7000 GeV se acercó a 100.000.000.000.000 y de todas estas colisiones, sólo dos minicolisiones superaron los 3.500 GeV, la mitad de la energía de una colisión de protones. En teoría, la energía de una minicolisión podría aumentar hasta 7.000 GeV, pero la probabilidad de que esto ocurra disminuye cada vez. Vemos minicolisiones de 6.000 GeV con tan poca frecuencia que es poco probable que veamos 7.000 GeV incluso si recopilamos 100 veces más datos.
¿Cuáles son las ventajas de aumentar la energía de colisión de 7 TeV en 2010-2011 a 8 TeV en 2012? Obviamente, lo que se podía hacer en el nivel de energía E, ahora se puede hacer en el nivel de energía 8/7 E ≈ 1,14 E. Entonces, si antes se podía esperar ver en tantos datos signos de cierto tipo de partícula hipotética con masa de 1000 GeV/c 2, entonces ahora podemos esperar alcanzar al menos 1100 GeV/c 2 con el mismo conjunto de datos. Las capacidades de la máquina están aumentando: puede buscar partículas de masa ligeramente mayor. Y si recopilamos tres veces más datos en 2012 que en 2011, obtendremos más colisiones para cada nivel de energía y podremos ver la firma de una partícula hipotética con una masa de, digamos, 1200 GeV/s 2 .
Pero eso no es todo. Mire las líneas azul y verde en la Fig. 4: muestran que ocurren a energías del orden de 1400 y 1600 GeV, de modo que se correlacionan entre sí como 7 a 8. En el nivel de energía de colisión de protones de 7 TeV, el número de minicolisiones de quarks con quarks , quarks con gluones, etc. P. con una energía de 1400 GeV es más del doble que el número de colisiones con una energía de 1600 GeV. Pero cuando la máquina aumenta la energía en 8/7, lo que funcionó para 1400 comienza a funcionar para 1600. En otras palabras, si está interesado en minicolisiones de energía fija, su número aumenta, y mucho más que el aumento del 14%. en energía de colisión de protones! Esto significa que para cualquier proceso con una energía preferida, digamos la aparición de partículas ligeras de Higgs, que ocurre a energías del orden de 100-200 GeV, se obtienen más resultados por el mismo dinero. Pasar de 7 a 8 TeV significa que por el mismo número de colisiones de protones se obtienen más partículas de Higgs. La producción de partículas de Higgs aumentará aproximadamente un 1,5. El número de quarks up y de ciertos tipos de partículas hipotéticas aumentará ligeramente más.
Esto significa que, aunque el número de colisiones de protones en 2012 es 3 veces mayor que en 2011, el número total de partículas de Higgs producidas aumentará casi 4 veces simplemente debido al aumento de energía.
Por cierto, fig. La Figura 4 también demuestra que los protones no consisten simplemente en dos quarks arriba y un quark abajo, como se muestra en dibujos como el de la Fig. 3. Si lo fueran, entonces los quarks tendrían que transferir aproximadamente un tercio de la energía de los protones, y la mayoría de las minicolisiones ocurrirían a energías de aproximadamente un tercio de la energía de colisión de los protones: alrededor de 2300 GeV. Pero el gráfico muestra que no ocurre nada especial en la región de 2300 GeV. A energías inferiores a 2300 GeV hay muchas más colisiones, y cuanto más desciendes, más colisiones ves. Esto se debe a que el protón contiene una gran cantidad de gluones, quarks y antiquarks, cada uno de los cuales transfiere una pequeña parte de la energía del protón, pero son tantos que participan en una gran cantidad de minicolisiones. Esta propiedad del protón se muestra en la Fig. 2 – aunque en realidad el número de gluones de baja energía y de pares quark-antiquark es mucho mayor que el que se muestra en la figura.
Pero lo que no muestra el gráfico es la fracción que, en minicolisiones con una determinada energía, recae en colisiones de quarks con quarks, quarks con gluones, gluones con gluones, quarks con antiquarks, etc. De hecho, esto no se puede decir directamente a partir de experimentos en el LHC: los chorros de quarks, antiquarks y gluones tienen el mismo aspecto. Cómo conocemos estas acciones es una historia compleja que involucra muchos experimentos pasados diferentes y la teoría que los combina. Y por esto sabemos que las minicolisiones de mayor energía suelen ocurrir entre quarks y quarks y entre quarks y gluones. Generalmente se producen colisiones de baja energía entre gluones. Las colisiones entre quarks y antiquarks son relativamente raras, pero son muy importantes para ciertos procesos físicos.
Distribución de partículas dentro de un protón.
Arroz. 5
Dos gráficos, que difieren en la escala del eje vertical, muestran la probabilidad relativa de una colisión con un gluón, un quark arriba o abajo o un antiquark que porta una fracción de la energía del protón igual a x. En x pequeño, dominan los gluones (y los quarks y antiquarks se vuelven igualmente probables y numerosos, aunque todavía hay menos que gluones), y en x medio, dominan los quarks (aunque se vuelven extremadamente pocos en número).
Ambos gráficos muestran lo mismo, sólo que a diferente escala, por lo que lo que es difícil de ver en uno de ellos, se ve más fácilmente en el otro. Lo que muestran es esto: si un haz de protones llega hacia ti en el Gran Colisionador de Hadrones y golpeas algo dentro del protón, ¿qué probabilidad hay de que golpees un quark arriba, un quark abajo, un gluón o un ¿Un antiquark arriba o un quark abajo? ¿Un antiquark que transporta una fracción de la energía del protón igual a x? De estos gráficos se puede concluir que:
Del hecho de que todas las curvas crecen muy rápidamente en x pequeño (visto en el gráfico inferior), se deduce que la mayoría de las partículas en el protón transfieren menos del 10% (x< 0,1) энергии протона, и вероятность столкнуться с частицей, переносящей мало энергии, гораздо больше вероятности столкнуться с частицей, переносящей много. При этом, 10% - не так уж и мало. В 2012 году лучи на БАК достигали энергий в 4 ТэВ, поэтому 10% означало 400 ГэВ. При этом для того, чтобы создать частицу хиггса энергией 124 ГэВ из двух глюонов требуется всего 62 ГэВ на глюон.
Dado que la curva amarilla (abajo) es mucho más alta que las demás, se deduce que si encuentras algo que transporta menos del 10% de la energía de un protón, lo más probable es que sea un gluón; y al caer por debajo del 2% de la energía del protón, es igualmente probable que se trate de quarks o antiquarks.
Dado que la curva de gluones (arriba) cae por debajo de las curvas de quarks a medida que x aumenta, se deduce que si encuentra algo que transporte más del 20% (x > 0,2) de la energía del protón, lo cual es muy, muy raro, lo más probable es que sea un quark, y la probabilidad de que sea un quark arriba es dos veces mayor que la probabilidad de que sea un quark abajo. Esto es un remanente de la idea de que "un protón son dos quarks arriba y un quark abajo".
Todas las curvas caen bruscamente a medida que x aumenta; Es muy poco probable que encuentre algo que contenga más del 50% de la energía del protón.
Estas observaciones se reflejan indirectamente en el gráfico de la Fig. 4. Aquí hay un par de cosas más no obvias sobre los dos gráficos:
La mayor parte de la energía del protón se divide (aproximadamente en partes iguales) entre una pequeña cantidad de quarks de alta energía y una gran cantidad de gluones de baja energía.
Entre las partículas predominan en número los gluones de baja energía, seguidos de los quarks y antiquarks de muy baja energía.
El número de quarks y antiquarks es enorme, pero: el número total de quarks arriba menos el número total de antiquarks arriba es dos, y el número total de quarks abajo menos el número total de antiquarks abajo es uno. Como vimos anteriormente, los quarks adicionales transportan una porción significativa (pero no la mayoría) de la energía del protón que vuela hacia usted. Y sólo en este sentido podemos decir que el protón se compone básicamente de dos quarks arriba y un quark abajo.
Por cierto, toda esta información se obtuvo a partir de una fascinante combinación de experimentos (principalmente sobre la dispersión de electrones o neutrinos de protones o de núcleos atómicos de hidrógeno pesado, deuterio, que contiene un protón y un neutrón), reunidos mediante ecuaciones detalladas. Describiendo interacciones electromagnéticas, nucleares fuertes y nucleares débiles. Esta larga historia se remonta a finales de los años sesenta y principios de los setenta. Y funciona muy bien para predecir fenómenos observados en colisionadores donde chocan protones con protones y protones con antiprotones, como el Tevatron y el LHC.
Otra evidencia de la compleja estructura del protón
Veamos algunos de los datos obtenidos en el LHC y cómo respaldan las afirmaciones sobre la estructura del protón (aunque la comprensión actual del protón se remonta a 3 o 4 décadas atrás, gracias a muchos experimentos).Gráfico en la Fig. 4 se obtiene a partir de observaciones de colisiones durante las cuales ocurre algo como lo que se muestra en la Fig. 1. 6: un quark o antiquark o gluón de un protón choca con un quark o antiquark o gluón de otro protón, se dispersa (o sucede algo más complejo, por ejemplo, dos gluones chocan y se convierten en un quark y un antiquark), lo que resulta en dos partículas (quarks, antiquarks o gluones) se alejan del punto de colisión. Estas dos partículas se convierten en chorros (chorros de hadrones). La energía y la dirección de los chorros se observan en los detectores de partículas que rodean el punto de impacto. Esta información se utiliza para comprender cuánta energía estaba contenida en la colisión de los dos quarks/gluones/antiquarks originales. Más precisamente, la masa invariante de los dos chorros, multiplicada por c 2, da la energía de colisión de los dos quarks/gluones/antiquarks originales.
Arroz. 6
El número de colisiones de este tipo en función de la energía se muestra en la Fig. 4. El hecho de que a bajas energías el número de colisiones es mucho mayor lo confirma el hecho de que la mayoría de las partículas dentro del protón transfieren sólo una pequeña fracción de su energía. Los datos comienzan en energías de 750 GeV.
Arroz. 7: Datos para energías más bajas tomados de un conjunto de datos más pequeño. Masa Dijet – la misma que m jj en la Fig. 4.
Datos para la Fig. 7 proceden del experimento CMS de 2010, en el que se representaron colisiones de carne con energías de hasta 220 GeV. El gráfico aquí no es el número de colisiones, sino un poco más complicado: el número de colisiones por GeV, es decir, el número de colisiones dividido por el ancho de la columna del histograma. Se puede ver que el mismo efecto continúa funcionando en todo el rango de datos. Colisiones como las que se muestran en la Fig. 6, sucede mucho más a bajas energías que a altas energías. Y este número sigue creciendo hasta que ya no es posible distinguir los chorros. Un protón contiene muchas partículas de baja energía y pocas de ellas transportan una fracción significativa de su energía.
¿Qué pasa con la presencia de antiquarks en el protón? Tres de los procesos más interesantes que no son similares a la colisión representada en la Fig. 6, que a veces ocurre en el LHC (en una de varios millones de colisiones protón-protón) implica el proceso:
Quark + antiquark -> Partícula W+, W- o Z.
Se muestran en la Fig. 8.
Arroz. 8
Los datos correspondientes del CMS se dan en la Fig. 9 y 10. Fig. La Figura 9 muestra que el número de colisiones que producen un electrón o un positrón (izquierda) y algo indetectable (probablemente un neutrino o antineutrino), o un muón y un antimuón (derecha), se predice correctamente. La predicción se realiza combinando el Modelo Estándar (ecuaciones que predicen el comportamiento de partículas elementales conocidas) y la estructura del protón. Los grandes picos en los datos se deben a la aparición de partículas W y Z. La teoría se ajusta perfectamente a los datos.
Arroz. 9: puntos negros – datos, amarillo – predicciones. El número de eventos se indica en miles. Izquierda: El pico central se debe a los neutrinos en las partículas W. A la derecha, el leptón y el antileptón producidos en la colisión están combinados y se implica la masa de la partícula de la que proceden. El pico aparece debido a las partículas Z resultantes.
Aún más detalles se pueden ver en la Fig. 10, donde se muestra que la teoría, en términos del número no sólo de éstas, sino también de muchas mediciones asociadas, la mayoría de las cuales están asociadas con colisiones de quarks con antiquarks, coincide perfectamente con los datos. Los datos (puntos rojos) y la teoría (barras azules) nunca coinciden exactamente debido a fluctuaciones estadísticas, por la misma razón que si lanzas una moneda diez veces no necesariamente obtendrás cinco caras y cinco cruces. Por lo tanto, los puntos de datos se colocan dentro de la "barra de error", la franja roja vertical. El tamaño de la banda es tal que para el 30% de las mediciones la banda de error debería bordear la teoría, y sólo para el 5% de las mediciones debería estar a dos bandas de la teoría. Se puede observar que todas las pruebas confirman que el protón contiene muchos antiquarks. Y entendemos correctamente la cantidad de antiquarks que transportan una determinada fracción de la energía del protón.
Arroz. 10
Entonces todo es un poco más complicado. Incluso sabemos cuántos quarks arriba y abajo tenemos dependiendo de la energía que llevan, ya que predecimos correctamente - con un error de menos del 10% - cuántas más partículas W + obtenemos que partículas W - (Fig. 11).
Arroz. once
La proporción entre antiquarks up y down debería ser cercana a 1, pero debería haber más quarks up que down, especialmente a altas energías. En la Fig. 6 podemos ver que la proporción de las partículas W + y W - resultantes debería darnos aproximadamente la proporción de quarks arriba y abajo involucrados en la producción de partículas W. Pero en la Fig. La Figura 11 muestra que la proporción medida de partículas W + a W - es de 3 a 2, no de 2 a 1. Esto también muestra que la idea ingenua de que un protón consta de dos quarks arriba y un quark abajo es demasiado simplista. La proporción simplificada de 2 a 1 es borrosa, ya que un protón contiene muchos pares quark-antiquark, de los cuales el superior y el inferior son aproximadamente iguales. El grado de borrosidad está determinado por la masa de la partícula W de 80 GeV. Si lo haces más claro, habrá más borrosidad, y si es más pesado, habrá menos borrosidad, ya que la mayoría de los pares quark-antiquark en el protón transportan poca energía.
Finalmente, confirmemos el hecho de que la mayoría de las partículas de un protón son gluones.
Arroz. 12
Para hacer esto, aprovecharemos el hecho de que los top quarks se pueden crear de dos maneras: quark + antiquark -> top quark + top antiquark, o gluón + gluón -> top quark + top antiquark (Fig. 12). Conocemos el número de quarks y antiquarks dependiendo de la energía que transportan según las mediciones ilustradas en la Fig. 9-11. A partir de esto, podemos utilizar las ecuaciones del modelo estándar para predecir cuántos quarks superiores se producirán a partir de colisiones únicamente de quarks y antiquarks. También creemos, basándonos en datos anteriores, que hay más gluones en un protón, por lo que el proceso gluón + gluón -> top quark + top antiquark debería ocurrir al menos 5 veces más a menudo. Es fácil comprobar si hay gluones allí; si no lo son, los datos deben estar muy por debajo de las predicciones teóricas.
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