Šajā rakstā jūs atradīsiet informāciju par protonu kā elementāru daļiņu, kas veido Visuma pamatu kopā ar citiem tā elementiem, ko izmanto ķīmijā un fizikā. Tiks noteiktas protona īpašības, tā īpašības ķīmijā un stabilitāte.
Kas ir protons
Protons ir viens no elementārdaļiņu pārstāvjiem, kas tiek klasificēts kā barions, piem. kurā fermioni spēcīgi mijiedarbojas, un pati daļiņa sastāv no 3 kvarkiem. Protons ir stabila daļiņa, un tam ir personisks impulss - spin ½. Protona fiziskais apzīmējums ir lpp(vai lpp +)
Protons ir elementārdaļiņa, kas piedalās kodoltermiskā tipa procesos. Tieši šāda veida reakcija būtībā ir galvenais enerģijas avots, ko rada zvaigznes visā Visumā. Gandrīz viss Saules izdalītais enerģijas daudzums pastāv tikai pateicoties 4 protonu apvienošanai vienā hēlija kodolā, veidojot vienu neitronu no diviem protoniem.
Protonam raksturīgās īpašības
Protons ir viens no barionu pārstāvjiem. Tas ir fakts. Protona lādiņš un masa ir nemainīgi lielumi. Protons ir elektriski uzlādēts +1, un tā masa noteikta dažādās mērvienībās un ir MeV 938.272 0813(58), protona kilogramos svars ir skaitļos 1.672 621 898(21) 10 −27 kg, atomu masas vienībās protona svars ir 1,007 276 466 879(91) a. e.m., un attiecībā pret elektrona masu protons sver 1836,152 673 89 (17) attiecībā pret elektronu.
Protons, kura definīcija jau ir dota iepriekš, no fizikas viedokļa ir elementārdaļiņa ar izospina +½ projekciju, un kodolfizika šo daļiņu uztver ar pretēju zīmi. Pats protons ir nukleons un sastāv no 3 kvarkiem (divi u kvarki un viens d kvarks).
Protona struktūru eksperimentāli pētīja kodolfiziķis no Amerikas Savienotajām Valstīm Roberts Hofštadters. Lai sasniegtu šo mērķi, fiziķis sadūrās ar protoniem ar augstas enerģijas elektroniem, un par viņa aprakstu viņam tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.
Protons satur kodolu (smago kodolu), kas satur apmēram trīsdesmit piecus procentus no protona elektriskā lādiņa enerģijas un tam ir diezgan augsts blīvums. Apvalks, kas ieskauj serdi, ir relatīvi izlādējies. Apvalks galvenokārt sastāv no virtuāliem un p tipa mezoniem un satur apmēram piecdesmit procentus no protona elektriskā potenciāla un atrodas aptuveni 0,25 * 10 13 līdz 1,4 * 10 13 attālumā. Pat tālāk, apmēram 2,5 * 10 13 centimetru attālumā, apvalks sastāv no un w virtuāliem mezoniem un satur aptuveni atlikušos piecpadsmit procentus no protona elektriskā lādiņa.
Protonu stabilitāte un stabilitāte
Brīvā stāvoklī protons neuzrāda nekādas sabrukšanas pazīmes, kas liecina par tā stabilitāti. Protona, kā vieglākā barionu pārstāvja, stabilo stāvokli nosaka barionu skaita saglabāšanās likums. Nepārkāpjot SBC likumu, protoni spēj sadalīties neitrīnos, pozitronos un citās, vieglākās elementārdaļiņās.
Atomu kodola protonam ir spēja uztvert noteikta veida elektronus ar K, L, M atomu apvalkiem. Protons, pabeidzis elektronu satveršanu, pārvēršas par neitronu un rezultātā atbrīvo neitrīno, un elektronu uztveršanas rezultātā izveidojušos “caurumu” piepilda ar elektroniem no augšas esošajiem atomu slāņiem.
Neinerciālos atskaites rāmjos protoniem ir jāiegūst ierobežots kalpošanas laiks, ko var aprēķināt, pateicoties Unruh efektam (starojumam), kas kvantu lauka teorijā paredz iespējamo termiskā starojuma kontemplāciju atskaites sistēmā, kas tiek paātrināta; šāda veida starojuma trūkums. Tādējādi protons, ja tam ir ierobežots kalpošanas laiks, var tikt pakļauts beta sabrukšanai par pozitronu, neitronu vai neitrīno, neskatoties uz to, ka pats šādas sabrukšanas process ir aizliegts ar ZSE.
Protonu izmantošana ķīmijā
Protons ir H atoms, kas veidots no viena protona, un tam nav elektronu, tāpēc ķīmiskā nozīmē protons ir viens H atoma kodols. Neitrons, kas savienots pārī ar protonu, rada atoma kodolu. Dmitrija Ivanoviča Mendeļejeva PTCE elementa numurs norāda protonu skaitu konkrēta elementa atomā, un elementa numuru nosaka atoma lādiņš.
Ūdeņraža katjoni ir ļoti spēcīgi elektronu akceptori. Ķīmijā protonus galvenokārt iegūst no organiskām un minerālskābēm. Jonizācija ir protonu ražošanas metode gāzes fāzēs.
Visas piecu burtu elementārdaļiņas ir uzskaitītas zemāk. Katrai definīcijai ir sniegts īss apraksts.
Ja jums ir ko piebilst, tad zemāk jūsu rīcībā ir komentāru forma, kurā varat izteikt savu viedokli vai papildināt rakstu.
Elementārdaļiņu saraksts
Fotons
Tas ir elektromagnētiskā starojuma kvants, piemēram, gaismas. Gaisma savukārt ir parādība, kas sastāv no gaismas plūsmām. Fotons ir elementārdaļiņa. Fotonam ir neitrāls lādiņš un nulles masa. Fotonu spins ir vienāds ar vienotību. Fotons veic elektromagnētisko mijiedarbību starp lādētām daļiņām. Termins fotons nāk no grieķu vārda phos, kas nozīmē gaisma.
Phonon
Tā ir kvazidaļiņa, kristāla režģa atomu un molekulu elastīgo vibrāciju un nobīdes kvants no līdzsvara stāvokļa. Kristāla režģos atomi un molekulas pastāvīgi mijiedarbojas, daloties enerģijā savā starpā. Šajā sakarā ir gandrīz neiespējami izpētīt parādības, kas līdzīgas atsevišķu atomu vibrācijām tajās. Tāpēc nejaušās atomu vibrācijas parasti tiek aplūkotas atkarībā no skaņas viļņu izplatīšanās veida kristāla režģī. Šo viļņu kvanti ir fononi. Termins fonons cēlies no grieķu telefona — skaņa.
Phazon
Fluktuona fāzons ir kvazidaļiņa, kas ir ierosme sakausējumos vai citā heterofāzu sistēmā, veidojot potenciālu (feromagnētisko reģionu) ap lādētu daļiņu, teiksim, elektronu, un notverot to.
Rotons
Tā ir kvazidaļiņa, kas atbilst elementārai ierosmei superšķidrajā hēlijā, augstu impulsu apvidū, kas saistīta ar virpuļveida kustības rašanos superšķidrumā. Roton, tulkojumā no latīņu valodas nozīmē - vērpšana, vērpšana. Rotons parādās temperatūrā, kas pārsniedz 0,6 K, un nosaka eksponenciāli no temperatūras atkarīgas siltumietilpības īpašības, piemēram, normālā blīvuma entropiju un citas.
Mesons
Tā ir nestabila neelementāra daļiņa. Mezons ir smags elektrons kosmiskajos staros.
Mezona masa ir lielāka par elektrona masu un mazāka par protona masu.
Mezonos ir pāra skaits kvarku un antikvarku. Mezoni ietver Pions, Kaons un citus smagus mezonus.
Kvarks
Tā ir elementāra matērijas daļiņa, bet pagaidām tikai hipotētiski. Kvarkus parasti sauc par sešām daļiņām un to antidaļiņām (antikvarkiem), kas savukārt veido īpašu elementārdaļiņu grupu hadrons.
Tiek uzskatīts, ka daļiņas, kas piedalās spēcīgā mijiedarbībā, piemēram, protoni, neironi un daži citi, sastāv no kvarkiem, kas cieši saistīti viens ar otru. Kvarki pastāvīgi pastāv dažādās kombinācijās. Pastāv teorija, ka kvarki varētu pastāvēt brīvā formā pirmajos brīžos pēc lielā sprādziena.
Gluons
Elementārā daļiņa. Saskaņā ar vienu teoriju gluoni, šķiet, salīmē kopā kvarkus, kas savukārt veido daļiņas, piemēram, protonus un neironus. Kopumā gluoni ir mazākās daļiņas, kas veido vielu.
bozons
Bozona-kvazidaļiņa vai Bose-daļiņa. Bozonam ir nulles vai vesela skaitļa spins. Vārds dots par godu fiziķim Šatjendranatam Bose. Bozons atšķiras ar to, ka neierobežotam skaitam no tiem var būt vienāds kvantu stāvoklis.
Hadrons
Hadrons ir elementāra daļiņa, kas nav īsti elementāra. Sastāv no kvarkiem, antikvarkiem un gluoniem. Hadronam nav krāsu lādiņa, un tas piedalās spēcīgā mijiedarbībā, tostarp kodolenerģijā. Termins hadrons no grieķu vārda adros nozīmē liels, masīvs.
Pētot matērijas uzbūvi, fiziķi noskaidroja, no kā sastāv atomi, nokļuva līdz atoma kodolam un sadalīja to protonos un neitronos. Visi šie soļi tika doti diezgan vienkārši - vajadzēja tikai paātrināt daļiņas līdz vajadzīgajai enerģijai, piespiest tās viena pret otru, un tad tās pašas sabruka savās sastāvdaļās.
Bet ar protoniem un neitroniem šis triks vairs nedarbojas. Lai gan tās ir saliktas daļiņas, tās nevar “sadalīt gabalos” pat visspēcīgākajā sadursmē. Tāpēc fiziķiem bija vajadzīgi gadu desmiti, lai izdomātu dažādus veidus, kā ieskatīties protona iekšienē, redzēt tā struktūru un formu. Mūsdienās protonu struktūras izpēte ir viena no aktīvākajām daļiņu fizikas jomām.
Daba dod mājienus
Protonu un neitronu struktūras izpētes vēsture aizsākās pagājušā gadsimta 30. gados. Kad papildus protoniem tika atklāti neitroni (1932), izmērot to masu, fiziķi bija pārsteigti, atklājot, ka tas ir ļoti tuvu protona masai. Turklāt izrādījās, ka protoni un neitroni kodolenerģijas mijiedarbību “jūt” tieši tādā pašā veidā. Tik identiski, ka no kodolspēku viedokļa protonu un neitronu var uzskatīt par vienas un tās pašas daļiņas - nukleona - divām izpausmēm: protons ir elektriski lādēts nukleons, bet neitrons ir neitrāls nukleons. Mainot protonus pret neitroniem, un kodolspēki (gandrīz) neko nepamanīs.
Fiziķi šo dabas īpašību izsaka kā simetriju – kodola mijiedarbība ir simetriska attiecībā uz protonu aizstāšanu ar neitroniem, tāpat kā tauriņš ir simetrisks attiecībā uz kreisās puses aizstāšanu ar labo. Šī simetrija papildus tam, ka tai bija svarīga loma kodolfizikā, patiesībā bija pirmais mājiens, ka nukleoniem ir interesanta iekšējā struktūra. Tiesa, toreiz, 30. gados, fiziķi šo mājienu nesaprata.
Sapratne radās vēlāk. Tas sākās ar to, ka 20. gadsimta 40.–50. gados protonu sadursmju reakcijās ar dažādu elementu kodoliem zinātnieki bija pārsteigti, atklājot arvien jaunas daļiņas. Ne protoni, ne neitroni, ne līdz tam laikam atklātie pi-mezoni, kas satur nukleonus kodolos, bet gan dažas pilnīgi jaunas daļiņas. Neskatoties uz visu to daudzveidību, šīm jaunajām daļiņām bija divas kopīgas īpašības. Pirmkārt, viņi, tāpat kā nukleoni, ļoti labprāt piedalījās kodolu mijiedarbībā - tagad šādas daļiņas sauc par hadroniem. Un, otrkārt, viņi bija ārkārtīgi nestabili. Nestabilākā no tām sadalījās citās daļiņās tikai triljonajā nanosekundes daļā, pat nepaspējot lidot atoma kodola lielumā!
Ilgu laiku hadronu “zoodārzs” bija pilnīgs haoss. 50. gadu beigās fiziķi jau bija apguvuši diezgan daudz dažādu hadronu veidu, sāka tos salīdzināt savā starpā un pēkšņi to īpašībās ieraudzīja zināmu vispārēju simetriju, pat periodiskumu. Tika ierosināts, ka visos hadronos (ieskaitot nukleonus) ir daži vienkārši objekti, ko sauc par "kvarkiem". Dažādos veidos kombinējot kvarkus, ir iespējams iegūt dažādus hadronus, turklāt tieši tāda paša veida un ar tādām pašām īpašībām, kādas tika atklātas eksperimentā.
Kas padara protonu par protonu?
Pēc tam, kad fiziķi atklāja hadronu kvarku struktūru un uzzināja, ka kvarkiem ir vairākas dažādas šķirnes, kļuva skaidrs, ka no kvarkiem var izveidot daudzas dažādas daļiņas. Tāpēc neviens nebija pārsteigts, kad turpmākie eksperimenti turpināja atrast jaunus hadronus vienu pēc otra. Bet starp visiem hadroniem tika atklāta vesela daļiņu saime, kas sastāv, tāpat kā protons, tikai no diviem u-kvarki un viens d- kvarks. Sava veida protona "brālis". Un šeit fiziķus gaidīja pārsteigums.
Vispirms izdarīsim vienu vienkāršu novērojumu. Ja mums ir vairāki objekti, kas sastāv no vieniem un tiem pašiem “ķieģeļiem”, tad smagākos objektos ir vairāk “ķieģeļu”, bet vieglākos – mazāk. Tas ir ļoti dabisks princips, ko var saukt par kombinācijas vai virsbūves principu, un tas lieliski darbojas gan ikdienā, gan fizikā. Tas izpaužas pat atomu kodolu struktūrā – galu galā smagāki kodoli vienkārši sastāv no lielāka protonu un neitronu skaita.
Tomēr kvarku līmenī šis princips vispār nedarbojas, un, jāatzīst, fiziķi vēl nav pilnībā sapratuši, kāpēc. Izrādās, ka arī smagie protona brāļi sastāv no tādiem pašiem kvarkiem kā protons, lai gan tie ir pusotru vai pat divas reizes smagāki par protonu. Tie atšķiras no protona (un atšķiras viens no otra) ne kompozīcija, un savstarpēja atrašanās vieta kvarki, pēc stāvokļa, kādā šie kvarki atrodas viens pret otru. Pietiek tikai mainīt kvarku relatīvo stāvokli - un no protona mēs iegūsim citu, manāmi smagāku, daļiņu.
Kas notiks, ja jūs joprojām paņemsiet un savāksiet vairāk nekā trīs kvarkus? Vai tiks ražota jauna smagā daļiņa? Pārsteidzoši, ka tas nedarbosies - kvarki sadalīsies pa trim un pārvērtīsies vairākās izkliedētās daļiņās. Kādu iemeslu dēļ dabai “nepatīk” apvienot daudzus kvarkus vienā veselumā! Tikai pavisam nesen, burtiski pēdējos gados, sāka parādīties mājieni, ka dažas daudzkvarku daļiņas patiešām pastāv, taču tas tikai uzsver, cik ļoti dabai tās nepatīk.
No šīs kombinatorikas izriet ļoti svarīgs un dziļš secinājums - hadronu masa nemaz nesastāv no kvarku masas. Bet, ja hadrona masu var palielināt vai samazināt, vienkārši pārkombinējot to veidojošos ķieģeļus, tad par hadronu masu nav atbildīgi paši kvarki. Un patiešām, turpmākajos eksperimentos bija iespējams noskaidrot, ka pašu kvarku masa ir tikai aptuveni divi procenti no protona masas, un pārējā gravitācijas daļa rodas spēka lauka (īpašu daļiņu - gluonu) dēļ, kas. sasiet kvarkus kopā. Mainot kvarku relatīvo novietojumu, piemēram, attālinot tos vienu no otra, mēs tādējādi mainām gluona mākoni, padarot to masīvāku, kā rezultātā palielinās hadronu masa (1. att.).
Kas notiek ātri kustīgā protona iekšpusē?
Viss, kas aprakstīts iepriekš, attiecas uz stacionāru protonu, fiziķu valodā, tā ir protona struktūra tā miera stāvoklī. Taču eksperimentā protona struktūra vispirms tika atklāta citos apstākļos – iekšā ātri lido protonu.
Sešdesmito gadu beigās eksperimentos ar daļiņu sadursmēm pie paātrinātājiem tika novērots, ka protoni, kas pārvietojas gandrīz gaismas ātrumā, uzvedās tā, it kā enerģija to iekšienē nebūtu sadalīta vienmērīgi, bet būtu koncentrēta atsevišķos kompaktos objektos. Slavenais fiziķis Ričards Feinmens ierosināja saukt šīs vielas kopas protonu iekšpusē partons(no angļu valodas daļa - daļa).
Turpmākajos eksperimentos tika pētītas daudzas partonu īpašības, piemēram, to elektriskais lādiņš, to skaits un katras nesošās protonu enerģijas daļa. Izrādās, ka uzlādētie partoni ir kvarki, bet neitrālie partoni ir gluoni. Jā, tie paši gluoni, kas protona miera rāmī vienkārši “apkalpoja” kvarkus, piesaistot tos viens otram, tagad ir neatkarīgi partoni un kopā ar kvarkiem nes ātri kustīga protona “matēriju” un enerģiju. Eksperimenti ir parādījuši, ka aptuveni puse enerģijas tiek glabāta kvarkos un puse gluonos.
Partonus visērtāk pētīt protonu sadursmēs ar elektroniem. Fakts ir tāds, ka atšķirībā no protona elektrons nepiedalās spēcīgā kodola mijiedarbībā un tā sadursme ar protonu izskatās ļoti vienkārša: elektrons ļoti īsu brīdi izstaro virtuālu fotonu, kas ietriecas lādētā partonā un galu galā ģenerē liels daļiņu skaits (2. att.). Var teikt, ka elektrons ir lielisks skalpelis protona “atvēršanai” un sadalīšanai atsevišķās daļās – tomēr tikai ļoti īsu laiku. Zinot, cik bieži šādi procesi notiek pie akseleratora, var izmērīt partonu skaitu protona iekšpusē un to lādiņus.
Kas īsti ir Pārtoni?
Un šeit mēs nonākam pie vēl viena pārsteidzoša atklājuma, ko fiziķi izdarīja, pētot elementārdaļiņu sadursmes ar lielu enerģiju.
Normālos apstākļos jautājumam par to, no kā sastāv šis vai cits objekts, ir universāla atbilde visām atskaites sistēmām. Piemēram, ūdens molekula sastāv no diviem ūdeņraža atomiem un viena skābekļa atoma – un nav svarīgi, vai mēs skatāmies uz nekustīgu vai kustīgu molekulu. Tomēr šis noteikums šķiet tik dabisks! - tiek pārkāpts, ja mēs runājam par elementārdaļiņām, kas pārvietojas ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam. Vienā atskaites sistēmā kompleksa daļiņa var sastāvēt no vienas apakšdaļiņu kopas, bet citā atskaites sistēmā no citas. Izrādās, ka kompozīcija ir relatīvs jēdziens!
Kā tas var būt? Galvenais šeit ir viens svarīgs īpašums: daļiņu skaits mūsu pasaulē nav fiksēts - daļiņas var piedzimt un pazust. Piemēram, ja saspiež kopā divus elektronus ar pietiekami lielu enerģiju, tad papildus šiem diviem elektroniem var piedzimt vai nu fotons, vai elektronu-pozitronu pāris, vai kādas citas daļiņas. To visu pieļauj kvantu likumi, un tieši tā notiek reālos eksperimentos.
Bet šis daļiņu “nesaglabāšanās likums” darbojas sadursmju gadījumā daļiņas. Kā tas notiek, ka viens un tas pats protons no dažādiem skatpunktiem izskatās tā, it kā tas sastāv no atšķirīgas daļiņu kopas? Lieta ir tāda, ka protons nav tikai trīs kvarki, kas apvienoti kopā. Starp kvarkiem ir gluona spēka lauks. Kopumā spēka lauks (piemēram, gravitācijas vai elektriskais lauks) ir sava veida materiāla “vienība”, kas caurstrāvo telpu un ļauj daļiņām spēcīgi ietekmēt viena otru. Kvantu teorijā lauks sastāv arī no daļiņām, kaut arī īpašām - virtuālajām. Šo daļiņu skaits nav fiksēts, tās pastāvīgi “izplūst” no kvarkiem un tiek absorbētas citos kvarkos.
Atpūšoties Protonu patiešām var uzskatīt par trim kvarkiem, starp kuriem lēkā gluoni. Bet, ja mēs skatāmies uz to pašu protonu no cita atskaites rāmja, it kā no garāmbraucoša “relatīvistiskā vilciena” loga, mēs redzēsim pavisam citu ainu. Tie virtuālie gluoni, kas salīmēja kvarkus, šķitīs mazāk virtuālas, “reālākas” daļiņas. Tos, protams, joprojām piedzimst un absorbē kvarki, bet tajā pašā laikā viņi kādu laiku dzīvo paši, lidojot blakus kvarkiem, kā īstas daļiņas. Tas, kas izskatās kā vienkāršs spēka lauks vienā atskaites sistēmā, pārvēršas daļiņu plūsmā citā kadrā! Ņemiet vērā, ka mēs nepieskaramies pašam protonam, bet tikai skatāmies uz to no cita atskaites rāmja.
Tālāk vairāk. Jo tuvāk mūsu “relativistiskā vilciena” ātrums ir gaismas ātrumam, jo pārsteidzošāku attēlu mēs redzēsim protona iekšpusē. Tuvojoties gaismas ātrumam, mēs pamanīsim, ka protona iekšpusē ir arvien vairāk gluonu. Turklāt tie dažkārt sadalās kvarku un antikvarku pāros, kas arī lido tuvumā un tiek uzskatīti arī par partoniem. Rezultātā ultrarelativistisks protons, t.i., protons, kas pārvietojas attiecībā pret mums ar ātrumu, kas ir ļoti tuvu gaismas ātrumam, parādās savstarpēji šķērsojošu kvarku, antikvarku un gluonu mākoņu veidā, kas lido kopā un, šķiet, atbalsta viens otru (att. 3).
Lasītājs, kurš pārzina relativitātes teoriju, var būt noraizējies. Visa fizika balstās uz principu, ka jebkurš process notiek vienādi visos inerciālās atskaites sistēmās. Bet izrādās, ka protona sastāvs ir atkarīgs no atskaites sistēmas, no kuras mēs to novērojam?!
Jā, tieši tā, bet tas nekādā gadījumā nepārkāpj relativitātes principu. Fizisko procesu rezultāti - piemēram, kuras daļiņas un cik daudz rodas sadursmes rezultātā - izrādās nemainīgi, lai gan protona sastāvs ir atkarīgs no atskaites sistēmas.
Šī no pirmā acu uzmetiena neparastā, bet visus fizikas likumus apmierinošā situācija shematiski parādīta 4. attēlā. Tas parāda, kā divu protonu ar lielu enerģiju sadursme izskatās dažādos atskaites rāmjos: viena protona pārējā kadrā, masas centrs, cita protona pārējā kadrā. Mijiedarbība starp protoniem tiek veikta caur sadalošo gluonu kaskādi, bet tikai vienā gadījumā šī kaskāde tiek uzskatīta par viena protona “iekšpusi”, citā gadījumā tā tiek uzskatīta par cita protona daļu, bet trešajā tas ir vienkārši daži. objekts, kas tiek apmainīts starp diviem protoniem. Šī kaskāde pastāv, tā ir reāla, bet uz kuru procesa daļu to attiecināt, ir atkarīgs no atskaites sistēmas.
Protona 3D portrets
Visi rezultāti, par kuriem mēs tikko runājām, bija balstīti uz eksperimentiem, kas veikti diezgan sen - pagājušā gadsimta 60.–70. Šķiet, ka kopš tā laika viss bija jāizpēta un uz visiem jautājumiem bija jāatrod atbildes. Bet nē - protona struktūra joprojām ir viena no interesantākajām tēmām daļiņu fizikā. Turklāt interese par to pēdējos gados atkal pieaugusi, jo fiziķi ir izdomājuši, kā iegūt ātri kustīga protona “trīsdimensiju” portretu, kas izrādījās daudz grūtāks nekā stacionāra protona portrets.
Klasiskie eksperimenti par protonu sadursmēm stāsta tikai par partonu skaitu un to enerģijas sadalījumu. Šādos eksperimentos partoni piedalās kā neatkarīgi objekti, kas nozīmē, ka no tiem nav iespējams noskaidrot, kā partoni atrodas viens pret otru vai kā tieši tie summējas, veidojot protonu. Var teikt, ka ilgu laiku fiziķiem bija pieejams tikai “viendimensionāls” ātri kustīga protona portrets.
Lai uzbūvētu īstu, trīsdimensiju protona portretu un noskaidrotu partonu izplatību kosmosā, ir nepieciešami daudz smalkāki eksperimenti nekā tie, kas bija iespējami pirms 40 gadiem. Fiziķi iemācījās veikt šādus eksperimentus pavisam nesen, burtiski pēdējā desmitgadē. Viņi saprata, ka starp milzīgo skaitu dažādu reakciju, kas notiek, elektronam saduroties ar protonu, ir viena īpaša reakcija - dziļa virtuālā Compton izkliede, - kas var mums pastāstīt par protona trīsdimensiju struktūru.
Kopumā Komptona izkliede jeb Komptona efekts ir fotona elastīga sadursme ar daļiņu, piemēram, protonu. Tas izskatās šādi: ierodas fotons, to absorbē protons, kas uz īsu brīdi pāriet uzbudinātā stāvoklī un pēc tam atgriežas sākotnējā stāvoklī, izstarojot fotonu kādā virzienā.
Parasto gaismas fotonu komptona izkliede ne pie kā interesanta nenoved – tā vienkārši ir gaismas atstarošana no protona. Lai protona iekšējā struktūra "stātos spēlē" un kvarku sadalījums būtu "sajūtams", ir jāizmanto ļoti augstas enerģijas fotoni - miljardiem reižu vairāk nekā parastajā gaismā. Un tieši šādus fotonus - kaut arī virtuālus - viegli ģenerē krītošs elektrons. Ja tagad apvienojam vienu ar otru, iegūstam dziļu virtuālo Komptona izkliedi (5. att.).
Šīs reakcijas galvenā iezīme ir tā, ka tā neiznīcina protonu. Incidentais fotons ne tikai ietriecas protonā, bet it kā uzmanīgi to sajūt un tad aizlido. Virziens, kādā tas aizlido un kādu daļu no enerģijas protons paņem no tā, ir atkarīgs no protona uzbūves, no partonu relatīvā izvietojuma tā iekšienē. Tāpēc, pētot šo procesu, ir iespējams atjaunot protona trīsdimensiju izskatu, it kā "izveidot tā skulptūru".
Tiesa, eksperimentālajam fiziķim to ir ļoti grūti izdarīt. Nepieciešamais process notiek diezgan reti, un to ir grūti reģistrēt. Pirmie eksperimentālie dati par šo reakciju tika iegūti tikai 2001. gadā HERA akseleratorā Vācijas akseleratoru kompleksā DESY Hamburgā; eksperimentētāji tagad apstrādā jaunu datu sēriju. Taču jau šodien, balstoties uz pirmajiem datiem, teorētiķi protonā zīmē kvarku un gluonu trīsdimensiju sadalījumus. No eksperimenta beidzot sāka “izcelties” fiziskais lielums, par kuru fiziķi iepriekš bija izteikuši tikai pieņēmumus.
Vai šajā jomā mūs sagaida kādi negaidīti atklājumi? Visticamāk, ka jā. Lai ilustrētu, pieņemsim, ka 2008. gada novembrī parādījās interesants teorētisks raksts, kurā teikts, ka ātri kustīgam protonam nevajadzētu izskatīties kā plakanam diskam, bet gan abpusēji ieliektam objektīvam. Tas notiek tāpēc, ka partoni, kas atrodas protona centrālajā reģionā, tiek saspiesti spēcīgāk garenvirzienā nekā partoni, kas atrodas malās. Būtu ļoti interesanti šīs teorētiskās prognozes pārbaudīt eksperimentāli!
Kāpēc tas viss ir interesanti fiziķiem?
Kāpēc fiziķiem pat precīzi jāzina, kā viela tiek sadalīta protonos un neitronos?
Pirmkārt, to prasa pati fizikas attīstības loģika. Pasaulē ir daudz pārsteidzoši sarežģītu sistēmu, ar kurām mūsdienu teorētiskā fizika vēl nevar pilnībā tikt galā. Hadroni ir viena no šādām sistēmām. Izprotot hadronu uzbūvi, mēs slīpējam teorētiskās fizikas spējas, kas var izrādīties universālas un, iespējams, noderēs pavisam citādāk, piemēram, supravadītāju vai citu materiālu ar neparastām īpašībām izpētē.
Otrkārt, kodolfizikai ir tiešs ieguvums. Neskatoties uz gandrīz gadsimtu ilgo atomu kodolu izpētes vēsturi, teorētiķi joprojām nezina precīzu protonu un neitronu mijiedarbības likumu.
Viņiem ir daļēji jāuzmin šis likums, pamatojoties uz eksperimentāliem datiem, un daļēji jākonstruē, pamatojoties uz zināšanām par nukleonu struktūru. Šeit palīdzēs jauni dati par nukleonu trīsdimensiju struktūru.
Treškārt, pirms vairākiem gadiem fiziķi spēja iegūt ne mazāk kā jaunu vielas agregātu - kvarka-gluona plazmu. Šādā stāvoklī kvarki neatrodas atsevišķos protonos un neitronos, bet brīvi staigā pa visu kodolmateriālu kopu. To var panākt, piemēram, šādi: smagos kodolus akseleratorā paātrina līdz ātrumam, kas ir ļoti tuvu gaismas ātrumam, un pēc tam saduras frontāli. Šajā sadursmē ļoti īsu laiku rodas triljoniem grādu temperatūra, kas izkausē kodolus kvarka-gluona plazmā. Tātad izrādās, ka šīs kodola kušanas teorētiskajiem aprēķiniem ir vajadzīgas labas zināšanas par nukleonu trīsdimensiju struktūru.
Visbeidzot, šie dati ir ļoti nepieciešami astrofizikai. Kad smagās zvaigznes savas dzīves beigās eksplodē, tās bieži atstāj aiz sevis ārkārtīgi kompaktus objektus – neitronu un, iespējams, kvarku zvaigznes. Šo zvaigžņu kodolu pilnībā veido neitroni un varbūt pat aukstā kvarka-gluona plazma. Šādas zvaigznes jau sen ir atklātas, taču var tikai minēt, kas tajās notiek. Tātad laba izpratne par kvarku sadalījumu var novest pie progresa astrofizikā.
- Tulkošana
Rīsi. 1: ūdeņraža atoms. Ne mērogot.
Jūs zināt, ka lielais hadronu paātrinātājs būtībā sagrauj protonus vienu otrā. Bet kas ir protons?
Pirmkārt, tas ir briesmīgs un pilnīgs haoss. Tik neglīts un haotisks kā ūdeņraža atoms ir vienkāršs un elegants.
Bet kas tad ir ūdeņraža atoms?
Šis ir vienkāršākais piemērs tam, ko fiziķi sauc par “saistīto stāvokli”. “Valsts” būtībā nozīmē kaut ko tādu, kas pastāv jau labu laiku, un “savienots” nozīmē, ka tās sastāvdaļas ir savstarpēji saistītas, piemēram, laulātie laulībā. Patiesībā šeit ļoti labi iederas precēta pāra piemērs, kurā viens laulātais ir daudz smagāks par otru. Protons sēž centrā, tik tikko kustas, un objekta malās pārvietojas elektrons, kas kustas ātrāk nekā tu un es, bet daudz lēnāk nekā gaismas ātrums, universālais ātruma ierobežojums. Mierīgs laulības idilles tēls.
Vai arī tā šķiet, līdz mēs aplūkojam pašu protonu. Paša protona iekšpuse vairāk atgādina komūnu, kur daudzi vientuļi pieaugušie un bērni ir blīvi saspiesti: tīrs haoss. Tas ir arī saistīts stāvoklis, taču tas nesaista kaut ko vienkāršu, piemēram, protonu ar elektronu, kā tas ir ūdeņradis, vai vismaz vairākus desmitus elektronu ar atoma kodolu, kā sarežģītākos atomos, piemēram, zeltā, bet gan neskaitāmu skaitu ( tas ir, to ir pārāk daudz un tie mainās pārāk ātri, lai tos praktiski varētu saskaitīt) vieglas daļiņas, ko sauc par kvarkiem, antikvarkiem un gluoniem. Nav iespējams vienkārši aprakstīt protona struktūru, uzzīmēt vienkāršus attēlus - tas ir ārkārtīgi nesakārtots. Visi kvarki, gluoni, antikvarki steidzas iekšā ar maksimālo iespējamo ātrumu, gandrīz ar gaismas ātrumu.
Rīsi. 2: protona attēls. Iedomājieties, ka visi kvarki (uz augšu, uz leju, dīvaini - u,d,s), antikvarki (u,d,s ar domuzīmi) un gluoni (g) skraida uz priekšu un atpakaļ gandrīz ar gaismas ātrumu, saduras ar katru. cits, parādās un pazūd
Iespējams, esat dzirdējuši, ka protons sastāv no trim kvarkiem. Bet tie ir meli – lielākam labumam, bet tomēr diezgan lieli. Faktiski protonos ir neskaitāmi daudz gluonu, antikvarku un kvarku. Standarta saīsinājums “protons sastāv no diviem augšupvērstiem kvarkiem un viena lejupejošajiem kvarkiem” vienkārši saka, ka protonam ir par diviem augšupvērstiem kvarkiem vairāk nekā augšējiem kvarkiem un par vienu leju kvarku vairāk nekā leju kvarkiem. Lai šis samazinājums būtu patiess, tam ir jāpievieno "un vēl neskaitāmi gluonu un kvarku-antikvarku pāri". Bez šīs frāzes protona ideja tiks tik vienkāršota, ka būs pilnīgi neiespējami saprast LHC darbību.
Rīsi. 3: Mazie baltie meli stereotipiskā Vikipēdijas attēlā
Kopumā atomi salīdzinājumā ar protoniem ir kā pas de deux sarežģītā baletā, salīdzinot ar diskotēku, kas piepildīta ar piedzērušiem pusaudžiem, kuri lēkā un vicina dīdžejam.
Tāpēc, ja esat teorētiķis, mēģinot saprast, ko LHC redzēs protonu sadursmēs, jums būs grūti. Ir ļoti grūti paredzēt tādu objektu sadursmju rezultātus, kurus nevar vienkāršā veidā aprakstīt. Bet, par laimi, kopš 1970. gadiem, pamatojoties uz Bjorkena idejām no 60. gadiem, teorētiskie fiziķi ir atraduši salīdzinoši vienkāršu un funkcionējošu tehnoloģiju. Bet tas joprojām darbojas līdz noteiktām robežām ar aptuveni 10% precizitāti. Šī un dažu citu iemeslu dēļ mūsu aprēķinu ticamība LHC vienmēr ir ierobežota.
Vēl viena lieta par protonu ir tā, ka tas ir niecīgs. Tiešām niecīga. Ja jūs uzspridzināt ūdeņraža atomu līdz jūsu guļamistabas izmēram, protons būs tik mazs putekļu grauda lielumā, ka to būs ļoti grūti pamanīt. Tieši tāpēc, ka protons ir tik mazs, mēs varam ignorēt tajā notiekošo haosu, ūdeņraža atomu raksturojot kā vienkāršu. Precīzāk, protona izmērs ir 100 000 reižu mazāks nekā ūdeņraža atoma izmērs.
Salīdzinājumam, Saules izmērs ir tikai 3000 reižu mazāks par Saules sistēmas izmēru (mērot pēc Neptūna orbītas). Tieši tā – atoms ir tukšāks nekā Saules sistēma! Atcerieties to, kad skatāties debesīs naktī.
Bet jūs varētu jautāt: “Pagaidi! Vai jūs gribat teikt, ka lielais hadronu paātrinātājs kaut kādā veidā saduras ar protoniem, kas ir 100 000 reižu mazāki par atomu? Kā tas vispār ir iespējams?
Lielisks jautājums.
Protonu sadursmes pret kvarku, gluonu un antikvarku mini sadursmēm
Protonu sadursmes LHC notiek ar noteiktu enerģiju. 2011. gadā tā bija 7 TeV = 7000 GeV un 2012. gadā 8 TeV = 8000 GeV. Bet daļiņu fiziķus galvenokārt interesē viena protona kvarka sadursmes ar cita protona antikvarku vai divu gluonu sadursmes utt. – kaut kas, kas var novest pie patiesi jaunas fiziskas parādības rašanās. Šīs mini sadursmes nes nelielu daļu no kopējās protonu sadursmes enerģijas. Cik daudz šīs enerģijas viņi var pārvadāt, un kāpēc bija nepieciešams palielināt sadursmes enerģiju no 7 TeV līdz 8 TeV?Atbilde ir attēlā. 4. Grafikā parādīts ATLAS detektora konstatēto sadursmju skaits. 2011. gada vasaras dati ietver kvarku, antikvarku un gluonu izkliedi no citiem kvarkiem, antikvarkiem un gluoniem. Šādas minisadursmes visbiežāk rada divas strūklas (hadronu strūklu, augstas enerģijas kvarku, gluonu vai antikvarku izpausmes, kas izsisti no vecākiem protoniem). Tiek izmērītas strūklu enerģijas un virzieni, un no šiem datiem tiek noteikts enerģijas daudzums, kuram vajadzēja būt iesaistītam minisadursmē. Grafikā parādīts šāda veida mini sadursmju skaits kā enerģijas funkcija. Vertikālā ass ir logaritmiska – katra rinda apzīmē 10-kārtīgu daudzuma pieaugumu (10 n apzīmē 1 un n nulles aiz tās). Piemēram, mini-sadursmju skaits, kas novērots enerģijas intervālā no 1550 līdz 1650 GeV, bija aptuveni 10 3 = 1000 (atzīmēts ar zilām līnijām). Ņemiet vērā, ka grafiks sākas ar 750 GeV, bet mini sadursmju skaits turpina pieaugt, pētot zemākas enerģijas strūklas, līdz brīdim, kad strūklas kļūst pārāk vājas, lai tās atklātu.
Rīsi. 4: sadursmju skaits kā enerģijas funkcija (m jj)
Apsveriet, ka kopējais protonu-protonu sadursmju skaits ar enerģiju 7 TeV = 7000 GeV tuvojās 100 000 000 000 000 un no visām šīm sadursmēm tikai divas mini sadursmes pārsniedza 3500 GeV - pusi no protonu sadursmes enerģijas. Teorētiski mini-sadursmes enerģija varētu pieaugt līdz 7000 GeV, taču tās iespējamība visu laiku samazinās. Mēs redzam 6000 GeV mini sadursmes tik reti, ka maz ticams, ka mēs redzēsim 7000 GeV, pat ja mēs savācam 100 reizes vairāk datu.
Kādas ir sadursmes enerģijas palielināšanas priekšrocības no 7 TeV 2010.–2011. gadā līdz 8 TeV 2012. gadā? Acīmredzot to, ko jūs varētu darīt enerģijas līmenī E, jūs tagad varat darīt enerģijas līmenī 8/7 E ≈ 1,14 E. Tātad, ja iepriekš varējāt cerēt tik daudzos datos saskatīt noteikta veida hipotētiskas daļiņas pazīmes ar masu 1000 GeV/c 2, tad tagad varam cerēt sasniegt vismaz 1100 GeV/c 2 ar tādu pašu datu kopu. Mašīnas iespējas pieaug - var meklēt daļiņas ar nedaudz lielāku masu. Un, ja jūs savācat trīs reizes vairāk datu 2012. gadā nekā 2011. gadā, jūs iegūsit vairāk sadursmju katram enerģijas līmenim, un jūs varēsiet redzēt hipotētiskas daļiņas ar masu, teiksim, 1200 GeV/s 2 .
Bet tas vēl nav viss. Apskatiet zilās un zaļās līnijas attēlā. 4: tie parāda, ka tie notiek pie enerģijām 1400 un 1600 GeV — tā, ka tās savstarpēji korelē kā 7 līdz 8. Protonu sadursmes enerģijas līmenī 7 TeV kvarku mini sadursmju skaits ar kvarkiem , kvarki ar gluoniem utt. P. ar enerģiju 1400 GeV vairāk nekā divas reizes pārsniedz sadursmju skaitu ar enerģiju 1600 GeV. Bet, kad mašīna palielina enerģiju par 8/7, tas, kas strādāja par 1400, sāk strādāt par 1600. Citiem vārdiem sakot, ja jūs interesē fiksētas enerģijas mini sadursmes, to skaits palielinās - un daudz vairāk nekā 14% pieaugums. protonu sadursmes enerģijā! Tas nozīmē, ka jebkuram procesam ar vēlamo enerģiju, piemēram, vieglu Higsa daļiņu parādīšanos, kas notiek ar 100–200 GeV enerģijām, jūs iegūstat vairāk rezultātu par to pašu naudu. Pārejot no 7 uz 8 TeV, tas nozīmē, ka par tādu pašu protonu sadursmju skaitu jūs iegūstat vairāk Higsa daļiņu. Higsa daļiņu ražošana palielināsies par aptuveni 1,5. Augšup kvarku un dažu veidu hipotētisko daļiņu skaits nedaudz palielināsies.
Tas nozīmē, ka, lai gan protonu sadursmju skaits 2012. gadā ir 3 reizes lielāks nekā 2011. gadā, kopējais saražoto Higsa daļiņu skaits pieaugs gandrīz 4 reizes vienkārši enerģijas pieauguma dēļ.
Starp citu, att. 4. attēls arī pierāda, ka protoni nesastāv vienkārši no diviem augšupvērstiem kvarkiem un viena lejupejoša kvarka, kā parādīts tādos zīmējumos kā 1. 3. Ja tā būtu, tad kvarkiem būtu jāpārnes aptuveni trešdaļa protonu enerģijas, un lielākā daļa mini sadursmju notiktu pie aptuveni trešdaļas no protonu sadursmes enerģijas: aptuveni 2300 GeV. Bet grafikā redzams, ka 2300 GeV reģionā nekas īpašs nenotiek. Ja enerģija ir zemāka par 2300 GeV, ir daudz vairāk sadursmju, un, jo zemāk jūs ejat, jo vairāk sadursmju redzat. Tas ir tāpēc, ka protons satur milzīgu skaitu gluonu, kvarku un antikvarku, no kuriem katrs pārnes nelielu daļu no protona enerģijas, taču to ir tik daudz, ka tie piedalās ļoti daudzās mini sadursmēs. Šī protona īpašība ir parādīta attēlā. 2 – lai gan patiesībā zemas enerģijas gluonu un kvarku-antikvarku pāru skaits ir daudz lielāks, nekā parādīts attēlā.
Bet tas, ko grafiks nerāda, ir daļa, kas mini-sadursmēs ar noteiktu enerģiju iekrīt kvarku sadursmēs ar kvarkiem, kvarkiem ar gluoniem, gluoniem ar gluoniem, kvarkiem ar antikvarkiem utt. Faktiski to nevar tieši pateikt no eksperimentiem LHC — kvarku, antikvarku un gluonu strūklas izskatās vienādi. Tas, kā mēs zinām šīs frakcijas, ir sarežģīts stāsts, kas ietver daudz dažādu pagātnes eksperimentu un teoriju, kas tos apvieno. Un no tā mēs zinām, ka augstākās enerģijas mini sadursmes parasti notiek starp kvarkiem un kvarkiem un starp kvarkiem un gluoniem. Zemas enerģijas sadursmes parasti notiek starp gluoniem. Kvarku un antikvarku sadursmes notiek salīdzinoši reti, taču tās ir ļoti svarīgas noteiktiem fizikāliem procesiem.
Daļiņu sadalījums protona iekšpusē
Rīsi. 5
Divi grafiki, kas atšķiras pēc vertikālās ass skalas, parāda relatīvo sadursmes varbūtību ar gluonu, augšup vai lejup kvarku vai antikvarku, kas nes daļu no protona enerģijas, kas vienāda ar x. Pie maza x dominē gluoni (un kvarki un antikvarki kļūst vienlīdz ticami un daudzskaitlīgi, lai gan to joprojām ir mazāk nekā gluonu), un pie vidēja x dominē kvarki (lai gan to skaits kļūst ārkārtīgi mazs).
Abi grafiki parāda vienu un to pašu, tikai atšķirīgā mērogā, tāpēc to, kas ir grūti saskatīt vienā no tiem, ir vieglāk saskatīt otrā. Viņi parāda šādu: ja lielajā hadronu paātrinātājā pret jums nāk protonu stars un jūs kaut kam atsitīsit protona iekšienē, cik liela ir iespējamība, ka jūs trāpīsit augšup kvarkam, leju kvarkam, gluonam, vai augšup antikvarks vai leju kvarks, kas nes daļu no protona enerģijas, kas vienāda ar x? No šiem grafikiem var secināt, ka:
No tā, ka visas līknes ļoti ātri aug pie maza x (redzams apakšējā grafikā), izriet, ka lielākā daļa protonu daļiņu pārnes mazāk par 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.
Tā kā dzeltenā līkne (zemāk) ir daudz augstāka nekā pārējās, no tā izriet, ka, ja jūs saskaraties ar kaut ko, kas nes mazāk nekā 10% no protona enerģijas, tas, visticamāk, ir gluons; un, ja protonu enerģijas līmenis ir mazāks par 2%, tie vienlīdz iespējams ir kvarki vai antikvarki.
Tā kā gluona līkne (augšā) nokrītas zem kvarku līknēm, palielinoties x, no tā izriet, ka, ja jūs saskaraties ar kaut ko, kas satur vairāk nekā 20% (x > 0,2) no protona enerģijas – kas ir ļoti, ļoti reti – tas, visticamāk, kvarks, un varbūtība, ka tas ir augšupejošs kvarks, ir divreiz lielāka nekā varbūtība, ka tas ir lejupejošs kvarks. Tas ir paliekas no idejas, ka "protons ir divi augšējie kvarki un viens lejupējais kvarks".
Visas līknes strauji samazinās, palielinoties x; Ir maz ticams, ka jūs sastapsit kaut ko, kas satur vairāk nekā 50% no protona enerģijas.
Šie novērojumi ir netieši atspoguļoti grafikā attēlā. 4. Šeit ir vēl dažas nepārprotamas lietas par abām diagrammām.
Lielākā daļa protonu enerģijas ir sadalīta (apmēram vienādi) starp nelielu skaitu augstas enerģijas kvarku un milzīgu skaitu zemas enerģijas gluonu.
Daļiņu vidū dominē zemas enerģijas gluoni, kam seko ļoti zemas enerģijas kvarki un antikvarki.
Kvarku un antikvarku skaits ir milzīgs, bet: kopējais augšējo kvarku skaits mīnus kopējais augšējo antikvarku skaits ir divi, un kopējais dūnu kvarku skaits mīnus kopējais dūnu antikvarku skaits ir viens. Kā redzējām iepriekš, papildu kvarki nes ievērojamu (bet ne lielāko daļu) protona enerģijas daļu, kas lido pret jums. Un tikai šajā ziņā mēs varam teikt, ka protons pamatā sastāv no diviem augšupvērstiem kvarkiem un viena lejup kvarka.
Starp citu, visa šī informācija tika iegūta no aizraujošas eksperimentu kombinācijas (galvenokārt par elektronu vai neitrīno izkliedi no protoniem vai no smagā ūdeņraža - deitērija atomu kodoliem, kas satur vienu protonu un vienu neitronu), kas tika salikti kopā, izmantojot detalizētus vienādojumus. aprakstot elektromagnētisko, spēcīgu kodolu un vāju kodola mijiedarbību. Šis garais stāsts sniedzas 1960. gadu beigās un 1970. gadu sākumā. Un tas lieliski darbojas, lai prognozētu parādības, kas novērotas sadursmēs, kur protoni saduras ar protoniem un protoni ar antiprotoniem, piemēram, Tevatron un LHC.
Citi pierādījumi par protona sarežģīto struktūru
Apskatīsim dažus LHC iegūtos datus un to, kā tie atbalsta apgalvojumus par protona struktūru (lai gan pašreizējā izpratne par protonu ir datēta ar 3-4 gadu desmitiem, pateicoties daudziem eksperimentiem).Grafiks attēlā. 4. attēls ir iegūts no sadursmju novērojumiem, kuru laikā notiek kaut kas līdzīgs 1. attēlā parādītajam. 6: viena protona kvarks vai antikvarks vai gluons saduras ar cita protona kvarku vai antikvarku vai gluonu, tiek no tā izkliedēts (vai notiek kas sarežģītāks - piemēram, divi gluoni saduras un pārvēršas par kvarku un antikvarku), kā rezultātā divas daļiņas (kvarki, antikvarki vai gluoni) aizlido no sadursmes vietas. Šīs divas daļiņas pārvēršas strūklās (hadronu strūklās). Strūklu enerģija un virziens tiek novērots daļiņu detektoros, kas ieskauj trieciena punktu. Šī informācija tiek izmantota, lai saprastu, cik daudz enerģijas bija divu sākotnējo kvarku/gluonu/antikvarku sadursmē. Precīzāk, divu strūklu nemainīgā masa, kas reizināta ar c 2, dod divu sākotnējo kvarku/gluonu/antikvarku sadursmes enerģiju.
Rīsi. 6
Šāda veida sadursmju skaits atkarībā no enerģijas ir parādīts attēlā. 4. To, ka pie zemām enerģijām sadursmju skaits ir daudz lielāks, apstiprina fakts, ka lielākā daļa daļiņu protona iekšpusē pārnes tikai nelielu daļu no tā enerģijas. Dati sākas ar 750 GeV enerģiju.
Rīsi. 7: dati par zemāku enerģiju, kas iegūti no mazākas datu kopas. Dijet masa – tāda pati kā m jj attēlā. 4.
Dati att. 7 ir ņemti no 2010. gada CMS eksperimenta, kurā tika attēlotas miesas sadursmes līdz 220 GeV enerģijām. Šeit redzamais grafiks ir nevis sadursmju skaits, bet gan nedaudz sarežģītāks: sadursmju skaits uz GeV, tas ir, sadursmju skaits dalīts ar histogrammas kolonnas platumu. Var redzēt, ka tas pats efekts turpina darboties visā datu diapazonā. Sadursmes, kā parādīts attēlā. 6, daudz vairāk notiek ar zemu enerģiju nekā ar lielu enerģiju. Un šis skaitlis turpina augt, līdz vairs nav iespējams atšķirt strūklas. Protons satur daudz zemas enerģijas daļiņu, un dažas no tām pārvadā ievērojamu daļu no tā enerģijas.
Kā ar antikvarku klātbūtni protonā? Trīs no interesantākajiem procesiem, kas nav līdzīgi sadursmei, kas attēlota attēlā. 6, dažkārt notiek LHC (vienā no vairākiem miljoniem protonu-protonu sadursmju), ietver procesu:
Kvarks + antikvarks -> W + , W - vai Z daļiņa.
Tie ir parādīti attēlā. 8.
Rīsi. 8
Atbilstošie dati no CMS ir parādīti attēlā. 9. un 10. att. 9. attēlā parādīts, ka sadursmju skaits, kas rada elektronu vai pozitronu (pa kreisi) un kaut ko nenosakāmu (iespējams, neitrīno vai antineitrīnu), vai mūonu un antimuonu (pa labi), tiek prognozēts pareizi. Prognoze tiek veikta, apvienojot standarta modeli (vienādojumus, kas paredz zināmo elementārdaļiņu uzvedību) un protona struktūru. Datu lielās virsotnes ir saistītas ar W un Z daļiņu parādīšanos. Teorija lieliski atbilst datiem.
Rīsi. 9: melni punkti – dati, dzelteni – prognozes. Pasākumu skaits norādīts tūkstošos. Pa kreisi: centrālais maksimums ir saistīts ar neitrīniem W daļiņās. Labajā pusē sadursmē radītais leptons un antileptons ir apvienoti, un tiek norādīta daļiņas masa, no kuras tie radušies. Pīķis parādās iegūto Z daļiņu dēļ.
Vēl sīkāku informāciju var redzēt attēlā. 10, kur parādīts, ka teorija ne tikai šo, bet arī daudzo saistīto mērījumu skaita ziņā, no kuriem lielākā daļa ir saistīta ar kvarku sadursmēm ar antikvarkiem, lieliski atbilst datiem. Dati (sarkanie punkti) un teorija (zilas joslas) nekad precīzi nesakrīt statistikas svārstību dēļ tā paša iemesla dēļ, ka, apmetot monētu desmit reizes, jūs ne vienmēr iegūsit piecas galvas un piecas astes. Tāpēc datu punkti atrodas “kļūdu joslā”, vertikālajā sarkanajā joslā. Joslas izmērs ir tāds, ka 30% mērījumu kļūdu joslai vajadzētu robežoties ar teoriju, un tikai 5% mērījumu tai vajadzētu būt divu joslu attālumā no teorijas. Var redzēt, ka visi pierādījumi apstiprina, ka protons satur daudz antikvarku. Un mēs pareizi saprotam antikvarku skaitu, kas pārvadā noteiktu daļu no protona enerģijas.
Rīsi. 10
Tad viss ir nedaudz sarežģītāk. Mēs pat zinām, cik augšup un lejup kvarku mums ir atkarībā no enerģijas, ko tie nes, jo mēs pareizi prognozējam - ar kļūdu mazāku par 10% - cik daudz vairāk W + daļiņu mēs iegūstam nekā W - daļiņas (11. att.).
Rīsi. vienpadsmit
Augšup antikvarku un leju kvarku attiecībai jābūt tuvu 1, taču augšējo kvarku ir jābūt vairāk nekā leju kvarku, it īpaši pie augstas enerģijas. Attēlā 6 mēs redzam, ka iegūto W + un W - daļiņu attiecībai vajadzētu aptuveni dot mums W daļiņu ražošanā iesaistīto augšupējo kvarku un leju kvarku attiecību. 11. attēlā parādīts, ka izmērītā W + un W - daļiņu attiecība ir 3 pret 2, nevis 2 pret 1. Tas arī parāda, ka naivā ideja par protonu, kas sastāv no diviem augšup vērstiem kvarkiem un viena lejupejoša kvarka, ir pārāk vienkāršota. Vienkāršotā attiecība 2 pret 1 ir neskaidra, jo protons satur daudz kvarku un antikvarku pāru, no kuriem augšējais un apakšējais ir aptuveni vienādi. Izplūduma pakāpi nosaka W daļiņas masa 80 GeV. Ja padarīsit to vieglāku, būs vairāk izplūšanas, un, ja tas ir smagāks, izplūšanas būs mazāks, jo lielākajai daļai kvarku un antikvarku pāru protonā ir maz enerģijas.
Visbeidzot, apstiprināsim faktu, ka lielākā daļa protona daļiņu ir gluoni.
Rīsi. 12
Lai to izdarītu, izmantosim to, ka top kvarki var tikt izveidoti divos veidos: kvarks + antikvarks -> top kvarks + top antikvarks, vai gluons + gluons -> top kvarks + top antikvarks (12. att.). Mēs zinām kvarku un antikvarku skaitu atkarībā no enerģijas, ko tie nes, pamatojoties uz mērījumiem, kas parādīti attēlā. 9-11. Pamatojoties uz to, mēs varam izmantot standarta modeļa vienādojumus, lai prognozētu, cik top kvarku tiks iegūti tikai kvarku un antikvarku sadursmēs. Mēs arī uzskatām, pamatojoties uz iepriekšējiem datiem, ka protonā ir vairāk gluonu, tāpēc procesam gluons + gluons -> augšējais kvarks + augšējais antikvarks jānotiek vismaz 5 reizes biežāk. Ir viegli pārbaudīt, vai tur ir gluoni; ja tā nav, datiem jāatrodas krietni zem teorētiskajām prognozēm.
gluons Pievienot tagus