Энэ нийтлэлээс та хими, физикт хэрэглэгддэг бусад элементүүдийн хамт орчлон ертөнцийн үндэс суурийг бүрдүүлдэг энгийн бөөмс болох протоны тухай мэдээллийг олж авах болно. Протоны шинж чанар, түүний химийн шинж чанар, тогтвортой байдлыг тодорхойлох болно.
Протон гэж юу вэ
Протон нь барион гэж ангилагддаг энгийн бөөмсийн төлөөлөгчдийн нэг юм. фермионууд хүчтэй харилцан үйлчилдэг ба бөөмс нь өөрөө 3 кваркаас бүрддэг. Протон нь тогтвортой бөөмс бөгөөд хувийн импульстэй - ½ эргэлттэй. Протоны физик тэмдэглэгээ нь х(эсвэл х +)
Протон бол термоядролын төрлийн процесст оролцдог энгийн бөөмс юм. Чухамдаа энэ төрлийн урвал нь орчлон ертөнц дэх оддын үүсгэсэн энергийн гол эх үүсвэр юм. Нарнаас ялгарах бараг бүх энерги нь зөвхөн 4 протоныг нэг гелий цөмд нэгтгэж, хоёр протоноос нэг нейтрон үүссэнтэй холбоотой юм.
Протонд байдаг шинж чанарууд
Протон бол барионуудын төлөөлөгчдийн нэг юм. Энэ бол баримт. Протоны цэнэг ба масс нь тогтмол хэмжигдэхүүн юм. Протон нь цахилгаанаар цэнэглэгдсэн +1 бөгөөд түүний массыг янз бүрийн хэмжүүрээр тодорхойлдог бөгөөд MeV 938.272 0813(58), протоны килограммаар жин нь 1.672 621 898(21) 10 −27 кг, атомын массын нэгжээр протоны жин 1.007 276 466 879(91) a. e.m ба электроны масстай харьцуулахад протон нь электронтой харьцуулахад 1836.152 673 89 (17) жинтэй.
Физикийн үүднээс дээр дурдсан тодорхойлолтыг аль хэдийн өгсөн протон нь изоспин +½ проекц бүхий энгийн бөөмс бөгөөд цөмийн физик нь энэ бөөмсийг эсрэг тэмдгээр хүлээн авдаг. Протон нь өөрөө нуклон бөгөөд 3 кваркаас (хоёр у кварк, нэг д кварк) бүрдэнэ.
Протоны бүтцийг Америкийн Нэгдсэн Улсын цөмийн физикч Роберт Хофштадтер туршилтаар судалжээ. Энэ зорилгодоо хүрэхийн тулд физикч протоныг өндөр энергитэй электронтой мөргөлдүүлсэн бөгөөд түүний тайлбарыг үндэслэн физикийн салбарт Нобелийн шагнал хүртжээ.
Протон нь цөм (хүнд цөм) агуулдаг бөгөөд энэ нь протоны цахилгаан цэнэгийн энергийн гучин таван хувийг агуулдаг бөгөөд нэлээд өндөр нягттай байдаг. Цөмийг тойрсон бүрхүүл нь харьцангуй цэнэггүй болсон. Бүрхүүл нь гол төлөв ба p төрлийн виртуал мезонуудаас бүрдэх ба протоны цахилгаан потенциалын тавин хувийг агуулдаг бөгөөд ойролцоогоор 0.25 * 10 13-аас 1.4 * 10 13 хүртэлх зайд байрладаг. Бүр цаашлаад 2.5*1013 см орчим зайд бүрхүүл нь виртуал мезонуудаас бүрдэх ба протоны цахилгаан цэнэгийн үлдсэн арван таван хувийг агуулдаг.
Протоны тогтвортой байдал ба тогтвортой байдал
Чөлөөт төлөвт протон задралын шинж тэмдэг илэрдэггүй нь түүний тогтвортой байдлыг илтгэнэ. Барионуудын хамгийн хөнгөн төлөөлөгч болох протоны тогтвортой байдал нь барионуудын тоог хадгалах хуулиар тодорхойлогддог. SBC хуулийг зөрчихгүйгээр протонууд нь нейтрино, позитрон болон бусад хөнгөн энгийн бөөмс болж задрах чадвартай.
Атомын цөмийн протон нь K, L, M атомын бүрхүүлтэй тодорхой төрлийн электронуудыг барьж авах чадвартай. Протон нь электрон барьж дууссаны дараа нейтрон болж хувирч, үр дүнд нь нейтрино ялгардаг бөгөөд электрон барьж авсны үр дүнд үүссэн "нүх" нь атомын доод давхаргын дээгүүр электронуудаар дүүрдэг.
Инерцийн бус лавлагааны системд протонууд хязгаарлагдмал амьдрах хугацааг олж авах ёстой бөгөөд энэ нь Unruh эффект (цацраг)-аас үүдэлтэй бөгөөд энэ нь квант талбайн онолын хувьд хэмжигдэхүүн дэх дулааны цацрагийн боломжит төсөөллийг урьдчилан таамаглаж байна. энэ төрлийн цацраг байхгүй байх. Тиймээс, хэрэв протон нь хязгаарлагдмал амьдрах хугацаатай бол ийм задралын процессыг ZSE хориглосон ч позитрон, нейтрон эсвэл нейтрино болж бета задралд орж болно.
Протоныг химийн салбарт ашиглах
Протон нь нэг протоноос бүтсэн Н атом бөгөөд электронгүй тул химийн утгаараа протон нь Н атомын нэг цөм юм. Протонтой хосолсон нейтрон нь атомын цөмийг үүсгэдэг. Дмитрий Иванович Менделеевийн PTHE-д элементийн дугаар нь тухайн элементийн атом дахь протоны тоог зааж, элементийн дугаарыг атомын цэнэгээр тодорхойлдог.
Устөрөгчийн катионууд нь маш хүчтэй электрон хүлээн авагч юм. Химийн хувьд протоныг ихэвчлэн органик болон эрдэс хүчлээс авдаг. Ионжуулалт нь хийн үе шатанд протон үйлдвэрлэх арга юм.
Бүх таван үсэг бүхий энгийн бөөмсийг доор жагсаав. Тодорхойлолт бүрийн хувьд товч тайлбарыг өгсөн болно.
Хэрэв танд нэмэх зүйл байгаа бол доор санал бодлоо илэрхийлэх эсвэл нийтлэлд нэмж оруулах боломжтой санал хүсэлтийн маягт таны үйлчилгээнд байна.
Энгийн бөөмсийн жагсаалт
Фотон
Энэ нь цахилгаан соронзон цацрагийн квант, жишээ нь гэрэл юм. Гэрэл нь эргээд гэрлийн урсгалаас бүрддэг үзэгдэл юм. Фотон бол энгийн бөөмс юм. Фотон нь саармаг цэнэгтэй, тэг масстай. Фотоны эргэлт нь нэгдмэл байдалтай тэнцүү байна. Фотон нь цэнэглэгдсэн хэсгүүдийн хоорондох цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлийг дамжуулдаг. Фотон гэдэг нэр томъёо нь гэрэл гэсэн утгатай Грекийн phos-аас гаралтай.
Фонон
Энэ нь талст торны атом ба молекулуудын тэнцвэрийн байрлалаас шилжилт хөдөлгөөн, уян харимхай чичиргээний квант буюу хагас бөөмс юм. Кристал торонд атом ба молекулууд байнга харилцан үйлчилж, бие биетэйгээ энерги хуваалцдаг. Үүнтэй холбогдуулан тэдгээрийн доторх бие даасан атомуудын чичиргээтэй төстэй үзэгдлийг судлах нь бараг боломжгүй юм. Тиймээс атомын санамсаргүй чичиргээг болор тор доторх дууны долгионы тархалтын төрлөөс хамааруулан авч үздэг. Эдгээр долгионы квантууд нь фононууд юм. Фонон гэдэг нэр томъёо нь Грекийн утас - дуунаас гаралтай.
Фазон
Флюктуоны фазон нь хайлш эсвэл өөр гетерофазын систем дэх өдөөлт бөгөөд цэнэглэгдсэн бөөмийн эргэн тойронд боломжит худаг (ферросоронзон бүс) үүсгэж, электроныг барьж авдаг.
Ротон
Энэ нь хэт шингэн дэх эргүүлэг хөдөлгөөн үүсэхтэй холбоотой өндөр импульсийн бүсэд хэт шингэний гелий дэх элементийн өдөөлтөд тохирсон квази бөөм юм. Ротон, Латин хэлнээс орчуулбал - ээрэх, ээрэх гэсэн утгатай. Ротон нь 0.6 К-ээс дээш температурт гарч ирдэг бөгөөд ердийн нягтын энтропи болон бусад дулааны багтаамжийн температураас хамааралтай шинж чанарыг тодорхойлдог.
Мезон
Энэ нь тогтворгүй элементар бус бөөмс юм. Мезон бол сансрын цацраг дахь хүнд электрон юм.
Мезоны масс нь электроны массаас их, протоны массаас бага.
Мезон нь тэгш тооны кварк ба антикварктай. Мезонд Пион, Каон болон бусад хүнд мезон орно.
Кварк
Энэ бол материйн энгийн бөөмс боловч одоог хүртэл зөвхөн таамаглалаар л байна. Кваркуудыг ихэвчлэн зургаан бөөмс ба тэдгээрийн эсрэг бөөмсүүд (антикваркууд) гэж нэрлэдэг бөгөөд тэдгээр нь эргээд тусгай элементар хэсгүүдийн адроныг бүрдүүлдэг.
Хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцдог бөөмс, тухайлбал протон, нейрон болон бусад зарим хэсгүүд нь хоорондоо нягт холбогдсон кваркуудаас бүрддэг гэж үздэг. Кваркууд байнга өөр өөр хослолоор оршдог. Их тэсрэлтийн дараах эхний мөчүүдэд кваркууд чөлөөт хэлбэрээр оршин тогтнох боломжтой гэсэн онол байдаг.
Глюон
Элементар бөөмс. Нэг онолын дагуу глюонууд нь кваркуудыг хооронд нь нааж, улмаар протон, нейрон зэрэг бөөмсийг үүсгэдэг. Ерөнхийдөө глюонууд нь бодис үүсгэдэг хамгийн жижиг хэсгүүд юм.
Бозон
Бозон-квази бөөмс эсвэл Боз-бөөм. Бозон нь тэг эсвэл бүхэл спиралтай. Энэ нэрийг физикч Шатиендранат Босегийн хүндэтгэлд зориулж өгсөн. Бозон нь хязгааргүй тооны ижил квант төлөвтэй байж чаддагаараа ялгаатай.
Адрон
Адрон бол жинхэнэ элемент биш энгийн бөөмс юм. Кварк, антикварк, глюонуудаас бүрдэнэ. Адрон нь өнгөт цэнэггүй бөгөөд хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцдог бөгөөд цөмийн харилцан үйлчлэлд оролцдог. Грек хэлнээс гаралтай адрос гэдэг нэр томъёо нь том, асар том гэсэн утгатай.
Бодисын бүтцийг судалснаар физикчид атомууд юунаас бүрддэг болохыг олж мэдээд, атомын цөмд хүрч, түүнийг протон, нейтрон болгон хуваадаг. Эдгээр бүх алхмуудыг маш амархан өгсөн - та бөөмсийг шаардлагатай энерги хүртэл хурдасгаж, бие биенийхээ эсрэг түлхэж, дараа нь тэд өөрсдөө бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд хуваагдана.
Гэвч протон ба нейтроны хувьд энэ заль мэх ажиллахаа больсон. Хэдийгээр тэдгээр нь нийлмэл тоосонцор боловч хамгийн хүчтэй мөргөлдөөнд ч "хуваагдах" боломжгүй. Тиймээс физикчдэд протоны дотоод байдлыг харах, түүний бүтэц, хэлбэрийг харах янз бүрийн арга замыг олохын тулд хэдэн арван жил шаардагдана. Өнөөдөр протоны бүтцийг судлах нь бөөмийн физикийн хамгийн идэвхтэй чиглэлүүдийн нэг юм.
Байгаль нь зөвлөгөө өгдөг
Протон ба нейтроны бүтцийг судлах түүх 1930-аад оноос эхтэй. Протоноос гадна нейтроныг олж илрүүлэхэд (1932) тэдний массыг хэмжихэд физикчид энэ нь протоны масстай маш ойрхон байгааг олж мэдээд гайхсан. Түүгээр ч барахгүй протон ба нейтронууд цөмийн харилцан үйлчлэлийг яг адилхан "мэдэрдэг" нь тогтоогдсон. Цөмийн хүчний үүднээс авч үзвэл протон ба нейтроныг ижил бөөмийн хоёр илрэл гэж үзэж болох тул нуклон: протон нь цахилгаанаар цэнэглэгдсэн нуклон, нейтрон нь төвийг сахисан нуклон юм. Протоныг нейтроноор сольж, цөмийн хүчийг (бараг) юу ч анзаарахгүй.
Физикчид байгалийн энэ шинж чанарыг тэгш хэм гэж илэрхийлдэг - цөмийн харилцан үйлчлэл нь протоныг нейтроноор солихтой адил тэгш хэмтэй байдаг, эрвээхэй зүүнийг баруун тийш солихтой адил тэгш хэмтэй байдаг. Энэхүү тэгш хэм нь цөмийн физикт чухал үүрэг гүйцэтгэхээс гадна үнэндээ нуклонууд сонирхолтой дотоод бүтэцтэй байдгийн анхны сануулга болсон юм. 30-аад оны үед физикчид энэ санааг ойлгоогүй нь үнэн.
Ойлголт дараа нь ирсэн. Энэ нь 1940-50-аад онд янз бүрийн элементийн цөмтэй протонууд мөргөлдөх урвалын үеэр эрдэмтэд улам олон шинэ тоосонцор нээж байгаад гайхаж байснаас эхэлсэн. Протон ч биш, нейтрон ч биш, цөм дэх нуклонуудыг хадгалдаг тэр үед нээгдсэн пи-мезонууд ч биш, харин цоо шинэ бөөмсүүд ч биш. Бүх олон янз байдлын хувьд эдгээр шинэ бөөмс нь хоёр нийтлэг шинж чанартай байв. Нэгдүгээрт, тэд нуклонуудын нэгэн адил цөмийн харилцан үйлчлэлд маш их дуртай байсан - одоо ийм бөөмсийг адрон гэж нэрлэдэг. Хоёрдугаарт, тэд туйлын тогтворгүй байсан. Тэдгээрийн хамгийн тогтворгүй нь атомын цөм шиг нисч амжаагүй, наносекундын нэг их наядны дотор л өөр бөөмс болон задарсан!
Удаан хугацааны турш адрон "амьтны хүрээлэн" бүрэн замбараагүй байсан. 1950-иад оны сүүлээр физикчид адронуудын нэлээд олон төрлийг сурч мэдсэн бөгөөд тэдгээрийг бие биетэйгээ харьцуулж эхэлсэн бөгөөд гэнэт тэдний шинж чанарт тодорхой ерөнхий тэгш хэм, бүр үе үе байгааг олж харав. Бүх адрон дотор (нуклонуудыг оруулаад) "кварк" гэж нэрлэгддэг энгийн объектууд байдаг гэж үздэг. Кваркуудыг янз бүрийн аргаар нэгтгэснээр туршилтаар нээсэн яг ижил төрлийн, ижил шинж чанартай, өөр өөр адронуудыг олж авах боломжтой.
Юу нь протоныг протон болгодог вэ?
Физикчид адронуудын кваркийн бүтцийг нээж, кваркууд хэд хэдэн өөр сорттой байдгийг мэдсэний дараа кваркуудаас олон янзын бөөмс үүсгэж болох нь тодорхой болсон. Тиймээс дараагийн туршилтууд ар араасаа шинэ адронуудыг олсоор байгаад хэн ч гайхсангүй. Гэвч бүх адронуудын дотроос протонтой адил хоёр ширхэгээс бүрдсэн бөөмийн бүхэл бүтэн гэр бүл олдсон. у- кварк ба нэг г- кварк. Протоны нэг төрлийн "ах". Энд физикчдийг гэнэтийн бэлэг хүлээж байв.
Эхлээд нэг энгийн ажиглалт хийцгээе. Хэрэв бид ижил "тоосго" -оос бүрдсэн хэд хэдэн объекттой бол илүү хүнд "тоосго" илүү их, хөнгөн нь цөөн байдаг. Энэ бол хосолсон зарчим эсвэл дээд бүтцийн зарчим гэж нэрлэж болох маш зүй ёсны зарчим бөгөөд өдөр тутмын амьдралд ч, физикт ч төгс ажилладаг. Энэ нь бүр атомын цөмийн бүтцэд илэрдэг - эцэст нь хүнд цөмүүд нь илүү олон тооны протон, нейтроноос бүрддэг.
Гэсэн хэдий ч кваркуудын түвшинд энэ зарчим огт ажиллахгүй байгаа бөгөөд физикчид яагаад гэдгийг бүрэн тайлаагүй байгаа нь үнэн. Протоны хүнд ах дүүс нь протонтой ижил кваркуудаас бүрддэг нь протоноос нэг ба хагас эсвэл бүр хоёр дахин хүнд байдаг. Тэд протоноос ялгаатай (мөн бие биенээсээ ялгаатай). найрлага,болон харилцан байршилкваркууд, эдгээр кваркууд хоорондоо харьцангуй байх төлөвөөр. Кваркуудын харьцангуй байрлалыг өөрчлөхөд хангалттай бөгөөд протоноос бид өөр, мэдэгдэхүйц хүнд бөөмсийг авах болно.
Хэрэв та гурваас дээш кваркуудыг хамтад нь аваад цуглуулсан хэвээр байвал юу болох вэ? Шинэ хүнд бөөмс гарч ирэх үү? Гайхалтай нь энэ нь ажиллахгүй - кваркууд гурваараа задарч, хэд хэдэн тараагдсан бөөмс болж хувирна. Яагаад ч юм байгаль олон кваркуудыг нэг бүтнээр нэгтгэхэд "дургүй" байдаг! Саяхан, яг үнэндээ сүүлийн жилүүдэд зарим олон кваркийн бөөмс байдаг гэсэн сануулгууд гарч эхэлсэн боловч энэ нь байгаль тэдэнд хэр их дургүй байгааг онцолж байна.
Энэхүү комбинаторикоос маш чухал бөгөөд гүнзгий дүгнэлт гарч байна - адронуудын масс нь кваркуудын массаас огт бүрддэггүй. Гэхдээ адроны массыг бүрдүүлэгч тоосгонуудыг зүгээр л дахин нэгтгэх замаар өсгөж эсвэл багасгаж болох юм бол адронуудын массыг кваркууд өөрсдөө хариуцдаггүй. Үнэхээр ч дараагийн туршилтуудаар кваркуудын масс нь протоны массын ердөө хоёр хувьтай тэнцэх бөгөөд таталцлын үлдсэн хэсэг нь хүчний талбараас (тусгай бөөмс - глюонууд) үүсдэг болохыг олж мэдэх боломжтой байв. кваркуудыг хооронд нь холбох. Кваркуудын харьцангуй байрлалыг өөрчилснөөр, жишээлбэл, тэдгээрийг бие биенээсээ холдуулснаар бид глюоны үүлийг өөрчилж, илүү их масстай болгодог тул адроны масс нэмэгддэг (Зураг 1).
Хурдан хөдөлж буй протон дотор юу болж байна вэ?
Дээр дурдсан бүх зүйл нь физикчдийн хэлээр хөдөлгөөнгүй протонтой холбоотой бөгөөд энэ нь түүний амрах хүрээн дэх протоны бүтэц юм. Гэсэн хэдий ч туршилтаар протоны бүтцийг өөр нөхцөлд буюу дотроос нь анх илрүүлсэн хурдан нисдэгпротон.
1960-аад оны сүүлчээр хурдасгуур дээр бөөмс мөргөлдөх туршилтаар гэрлийн ойролцоо хурдаар хөдөлж буй протонууд доторх энерги жигд тархаагүй, харин бие даасан авсаархан биетүүдэд төвлөрч байгаа мэт аашилж байгааг анзаарсан. Алдарт физикч Ричард Фейнман эдгээр бөөгнөрөлүүдийг протон гэж нэрлэхийг санал болгов. партонс(англи хэлнээс хэсэг -хэсэг).
Дараачийн туршилтууд нь партонуудын олон шинж чанарыг, тухайлбал тэдгээрийн цахилгаан цэнэг, тэдгээрийн тоо, протоны энергийн хэсэг тус бүрийг авч үзсэн. Эндээс харахад цэнэгтэй партонууд кваркууд, саармаг партонууд глюонууд юм. Тийм ээ, тийм ээ, протоны тайван орчинд кваркуудад зүгээр л "үйлчилж", бие биедээ татдаг глюонууд одоо бие даасан партонууд болж, кваркуудын хамт хурдан хөдөлдөг протоны "матери" болон энергийг авч явдаг. Туршилтаар энергийн бараг тал нь кваркуудад, тал нь глюонуудад хадгалагддаг болохыг харуулсан.
Партоныг протоны электронтой мөргөлдөхөд хамгийн тохиромжтой байдлаар судалдаг. Үнэн хэрэгтээ протоноос ялгаатай нь электрон нь цөмийн хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцдоггүй бөгөөд протонтой мөргөлдөх нь маш энгийн харагддаг: электрон нь маш богино хугацаанд виртуал фотоныг ялгаруулж, цэнэгтэй партон руу унаж, эцэст нь цахилгаан энерги үүсгэдэг. олон тооны тоосонцор (Зураг 2). Электрон бол протоныг "нээж", түүнийг салангид хэсгүүдэд хуваахад маш сайн хутга гэж бид хэлж чадна, гэхдээ маш богино хугацаанд. Ийм үйл явц хурдасгуур дээр хэр олон удаа тохиолддогийг мэдэхийн тулд протон доторх партонуудын тоо, тэдгээрийн цэнэгийг хэмжиж болно.
Партонууд үнэхээр хэн бэ?
Энд бид физикчдийн өндөр энергитэй энгийн бөөмсийн мөргөлдөөнийг судалж байхдаа хийсэн өөр нэг гайхалтай нээлтэд ирлээ.
Ердийн нөхцөлд энэ эсвэл тэр объект юунаас бүрддэг вэ гэсэн асуулт нь бүх лавлагааны системд түгээмэл хариулттай байдаг. Жишээлбэл, усны молекул нь хоёр устөрөгчийн атом, нэг хүчилтөрөгчийн атомаас бүрддэг бөгөөд бид хөдөлгөөнгүй эсвэл хөдөлгөөнт молекулыг харж байгаа эсэх нь хамаагүй. Гэсэн хэдий ч энэ дүрэм маш байгалийн юм шиг санагдаж байна! - хэрэв бид гэрлийн хурдтай ойролцоо хурдтай хөдөлж буй энгийн бөөмсийн тухай ярьж байгаа бол зөрчигдөнө. Нэг лавлагааны системд нийлмэл бөөм нь нэг дэд хэсгүүдээс, өөр лавлагааны хүрээнд нөгөө хэсгээс бүрдэж болно. Энэ нь харагдаж байна найрлага нь харьцангуй ойлголт юм!
Энэ яаж байж болох вэ? Энд гол зүйл бол нэг чухал шинж чанар юм: манай дэлхий дээрх бөөмсийн тоо тогтмол байдаггүй - бөөмс үүсч, алга болж болно. Жишээлбэл, хэрэв та хангалттай өндөр энергитэй хоёр электроныг шахвал эдгээр хоёр электроноос гадна фотон, электрон-позитрон хос эсвэл бусад бөөмс үүсч болно. Энэ бүхнийг квантын хуулиар зөвшөөрдөг бөгөөд бодит туршилтуудад яг ийм зүйл тохиолддог.
Гэхдээ энэ бөөмсийн "хадгалагдахгүй байх хууль" ажилладаг мөргөлдөх тохиолдолдтоосонцор. Янз бүрийн өнцгөөс харахад ижил протон өөр бөөмсөөс бүрдсэн мэт харагддаг нь яаж болдог вэ? Гол нь протон нь зөвхөн гурван кваркыг нэгтгэсэн зүйл биш юм. Кваркуудын хооронд глюоны хүчний орон бий. Ерөнхийдөө хүчний орон (таталцлын болон цахилгаан орон гэх мэт) нь орон зайд нэвтэрч, бөөмс бие биедээ хүчтэй нөлөө үзүүлэх боломжийг олгодог нэг төрлийн материаллаг "байгууллага" юм. Квантын онолын хувьд талбар нь тусгай хэсгүүдээс гадна виртуал хэсгүүдээс бүрддэг. Эдгээр бөөмсийн тоо тогтмол биш, тэдгээр нь кваркуудаас байнга "нахиалах" бөгөөд бусад кваркуудад шингэдэг.
АмралтПротоныг үнэхээр гурван кварк гэж ойлгож болно, тэдгээрийн хооронд глюонууд үсэрч байна. Харин хажуугаар өнгөрч буй “харьцангуй галт тэрэгний” цонхоор ижил протоныг өөр өөр хүрээнээс харвал огт өөр дүр зураг харагдах болно. Кваркуудыг хооронд нь наасан виртуал глюонууд нь виртуаль багатай, "илүү бодит" бөөмс мэт санагдах болно. Мэдээжийн хэрэг, тэд төрж, кваркуудад шингэсэн хэвээр байгаа боловч яг тэр үед тэд жинхэнэ бөөмс шиг кваркуудын хажууд нисч хэсэг хугацаанд бие даан амьдардаг. Нэг жишиг хүрээн дэх энгийн хүчний талбар мэт харагддаг зүйл нь өөр хүрээн дэх бөөмсийн урсгал болж хувирдаг! Бид протонд өөрөө хүрдэггүй, харин зөвхөн өөр лавлах хүрээнээс хардаг гэдгийг анхаарна уу.
Цаашид - илүү. Манай "харьцангуй галт тэрэгний" хурд нь гэрлийн хурдтай ойртох тусам протон доторх дүр зураг илүү гайхалтай байх болно. Бид гэрлийн хурд руу ойртох тусам протон дотор илүү олон глюонууд байгааг анзаарах болно. Түүгээр ч барахгүй тэд заримдаа кварк-антикварк хосуудад хуваагддаг бөгөөд тэдгээр нь ойролцоо нисдэг бөгөөд партон гэж тооцогддог. Үүний үр дүнд хэт релятивист протон, өөрөөр хэлбэл бидэнтэй харьцангуй гэрлийн хурдтай ойролцоо хурдтай хөдөлж буй протон нь хоорондоо нэвчсэн кварк, антикварк, глюонуудын үүл хэлбэрээр гарч ирдэг бөгөөд хамтдаа нисч, бие биенээ дэмждэг мэт харагддаг (Зураг 1). 3).
Харьцангуйн онолыг мэддэг уншигч танд санаа зовж магадгүй юм. Бүх физик нь аливаа үйл явц нь бүх инерциал тооллын системд ижил замаар явагддаг зарчим дээр суурилдаг. Тэгээд дараа нь протоны найрлага нь бидний ажиглаж буй лавлагааны хүрээнээс хамаардаг болох нь тодорхой болов?!
Тийм ээ, гэхдээ энэ нь харьцангуйн зарчмыг зөрчихгүй. Физик үйл явцын үр дүн, жишээлбэл, мөргөлдөөний үр дүнд аль бөөмс, хэдэн ширхэг үүсдэг вэ гэдэг нь хувьсах шинж чанартай байдаг ч протоны найрлага нь лавлагааны хүрээнээс хамаардаг.
Өнгөц харахад ер бусын боловч физикийн бүх хуулиудыг хангасан энэ нөхцөл байдлыг 4-р зурагт бүдүүвчээр дүрслэн үзүүлэв. Энэ нь өндөр энергитэй хоёр протоны мөргөлдөөн өөр өөр хүрээнд хэрхэн харагдахыг харуулж байна: нэг протоны үлдсэн хэсэгт, массын төвийн хүрээ, бусад протоны үлдсэн хэсэгт . Протонуудын харилцан үйлчлэл нь хуваагдах глюонуудын каскадаар явагддаг боловч зөвхөн нэг тохиолдолд энэ каскад нь нэг протоны "дотор" гэж тооцогддог, өөр тохиолдолд өөр протоны нэг хэсэг гэж тооцогддог, гурав дахь тохиолдолд энэ нь зүгээр л нэг хэсэг юм. хоёр протоны хооронд солилцох объект. Энэ каскад байдаг, энэ нь бодит боловч үйл явцын аль хэсэгт хамаарах нь лавлагааны хүрээнээс хамаарна.
Протоны 3D хөрөг зураг
Бидний сая ярьсан бүх үр дүн нь нэлээд эрт буюу өнгөрсөн зууны 60-70-аад оны үед хийгдсэн туршилтууд дээр үндэслэсэн. Тэр цагаас хойш бүх зүйлийг судалж, бүх асуулт хариултаа олох ёстой байсан юм шиг санагдаж байна. Гэхдээ үгүй - протоны бүтэц нь бөөмийн физикийн хамгийн сонирхолтой сэдвүүдийн нэг хэвээр байна. Түүгээр ч барахгүй сүүлийн жилүүдэд физикчид хөдөлгөөнгүй протоны хөрөг зургаас хамаагүй хэцүү байсан хурдан хөдөлж буй протоны "гурван хэмжээст" хөрөг зургийг хэрхэн олж авахыг олж мэдсэн тул үүнийг сонирхох нь дахин нэмэгдсэн.
Протоны мөргөлдөөний сонгодог туршилтууд нь зөвхөн партонуудын тоо, тэдгээрийн энергийн хуваарилалтын тухай өгүүлдэг. Ийм туршилтанд партонууд бие даасан биет байдлаар оролцдог бөгөөд энэ нь тэднээс партонууд бие биентэйгээ харьцуулахад хэрхэн байрладаг, эсвэл яг яаж нийлж протон үүсгэдэг болохыг олж мэдэх боломжгүй гэсэн үг юм. Удаан хугацааны турш физикчдэд зөвхөн хурдан хөдөлж буй протоны "нэг хэмжээст" хөрөг зураг байсан гэж бид хэлж чадна.
Бодит, гурван хэмжээст протоны хөргийг бүтээх, сансарт партонуудын тархалтыг олж мэдэхийн тулд 40 жилийн өмнөх туршилтаас хамаагүй илүү нарийн туршилт хийх шаардлагатай байна. Физикчид ийм туршилт хийж сурсан нь саяхан буюу сүүлийн арван жилд шууд утгаараа. Электрон протонтой мөргөлдөх үед тохиолддог асар олон тооны янз бүрийн урвалын дунд нэг онцгой урвал байдаг гэдгийг тэд ойлгосон. гүн виртуал Compton тархалт, - Энэ нь протоны гурван хэмжээст бүтцийн талаар хэлж чадна.
Ерөнхийдөө Комптон сарнилт буюу Комптон эффект нь фотоныг бөөмс, жишээ нь протонтой уян харимхай мөргөлдүүлэх явдал юм. Энэ нь иймэрхүү харагдаж байна: фотон ирж, протонд шингэж, богино хугацаанд өдөөх төлөвт орж, дараа нь анхны төлөвтөө буцаж, ямар нэг чиглэлд фотон ялгаруулдаг.
Энгийн гэрлийн фотонуудын комптоны тархалт нь ямар ч сонирхолтой зүйлд хүргэдэггүй - энэ нь протоноос гэрлийн тусгал юм. Протоны дотоод бүтэц, кваркуудын тархалтыг "мэдрэх" тулд энгийн гэрлээс хэдэн тэрбум дахин их энергитэй фотонуудыг ашиглах шаардлагатай. Яг ийм фотонууд - виртуаль ч гэсэн - ослын электроноор амархан үүсдэг. Хэрэв бид одоо нэгийг нөгөөтэй нь нийлүүлбэл гүн виртуаль Compton тархалтыг олж авна (Зураг 5).
Энэ урвалын гол онцлог нь протоныг устгадаггүй явдал юм. Ослын фотон протоныг зүгээр л цохиод зогсохгүй, түүнийг анхааралтай мэдэрч, дараа нь нисч оддог. Түүний нисэх чиглэл, протон түүнээс энергийн ямар хэсгийг авах нь протоны бүтэц, доторх партонуудын харьцангуй байрлалаас хамаарна. Тийм ч учраас энэ үйл явцыг судалснаар протоны гурван хэмжээст төрхийг сэргээж, “баримлыг нь сийлсэн” мэтээр сэргээх боломжтой юм.
Туршилтын физикч үүнийг хийхэд маш хэцүү байдаг нь үнэн. Шаардлагатай үйл явц нь маш ховор тохиолддог бөгөөд үүнийг бүртгүүлэхэд хэцүү байдаг. Энэ урвалын талаархи анхны туршилтын өгөгдлийг зөвхөн 2001 онд Гамбург дахь Германы DESY хурдасгуурын цогцолбор дахь HERA хурдасгуураас авсан; Туршилтынхан одоо шинэ цуврал өгөгдлийг боловсруулж байна. Гэсэн хэдий ч өнөөдөр аль хэдийн анхны өгөгдөл дээр үндэслэн онолчид протон дахь кварк ба глюонуудын гурван хэмжээст тархалтыг зурж байна. Физикчид урьд өмнө нь зөвхөн таамаглаж байсан физик хэмжигдэхүүн эцэст нь туршилтаас "гарч" эхлэв.
Энэ талбарт гэнэтийн нээлтүүд биднийг хүлээж байна уу? Тийм байх магадлалтай. Тодруулбал, 2008 оны арваннэгдүгээр сард хурдан хөдөлдөг протон нь хавтгай диск шиг биш, харин хоёр хонхойсон линз шиг харагдах ёстой гэсэн сонирхолтой онолын нийтлэл гарсан гэж бодъё. Энэ нь протоны төв хэсэгт байрлах партонууд ирмэг дээр сууж буй партонуудаас тууш чиглэлд илүү хүчтэй шахагддагтай холбоотой юм. Эдгээр онолын таамаглалыг туршилтаар шалгах нь маш сонирхолтой байх болно!
Энэ бүхэн яагаад физикчдэд сонирхолтой байдаг вэ?
Физикчид яагаад протон, нейтроны дотор бодис яг хэрхэн тархдагийг мэдэх шаардлагатай байна вэ?
Нэгдүгээрт, энэ нь физикийн хөгжлийн логикийн хувьд зайлшгүй шаардлагатай. Орчин үеийн онолын физикийн бүрэн гүйцэд даван туулж чадахгүй байгаа олон гайхалтай нарийн төвөгтэй системүүд дэлхий дээр байдаг. Хадрон бол ийм системүүдийн нэг юм. Адронуудын бүтцийг ойлгосноор бид онолын физикийн чадварыг сайжруулж байгаа бөгөөд энэ нь бүх нийтийн шинж чанартай болж магадгүй бөгөөд огт өөр зүйлд, жишээлбэл, хэт дамжуулагч эсвэл ер бусын шинж чанартай бусад материалыг судлахад туслах болно.
Хоёрдугаарт, цөмийн физикт шууд ашиг тустай. Атомын цөмийг судалсан бараг зуун жилийн түүхтэй хэдий ч онолчид протон ба нейтроны харилцан үйлчлэлийн яг тодорхой хуулийг мэдэхгүй хэвээр байна.
Тэд туршилтын мэдээлэлд үндэслэн энэ хуулийг хэсэгчлэн таамаглаж, зарим талаараа нуклонуудын бүтцийн талаархи мэдлэг дээр үндэслэн байгуулах ёстой. Энд нуклонуудын гурван хэмжээст бүтцийн талаарх шинэ мэдээлэл туслах болно.
Гуравдугаарт, хэдэн жилийн өмнө физикчид материйн шинэ агрегат төлөв болох кварк-глюоны плазмыг олж авч чадсан. Энэ төлөвт кваркууд бие даасан протон ба нейтрон дотор суудаггүй, харин цөмийн бодисын бүх бөөгнөрөл дээр чөлөөтэй алхаж байдаг. Жишээлбэл, ийм үр дүнд хүрч болно: хүнд цөмүүд нь хурдасгуурт гэрлийн хурдтай маш ойрхон хурдтай болж, дараа нь шууд мөргөлддөг. Энэхүү мөргөлдөөний үед маш богино хугацаанд хэдэн триллион градусын температур үүсдэг бөгөөд энэ нь цөмийг хайлуулж кварк-глюоны плазм болгон хувиргадаг. Тэгэхээр энэхүү цөмийн хайлалтын онолын тооцоололд нуклонуудын гурван хэмжээст бүтцийг сайн мэдэх шаардлагатай болж байна.
Эцэст нь хэлэхэд эдгээр өгөгдөл нь астрофизикийн хувьд маш чухал юм. Хүнд одод амьдралынхаа төгсгөлд дэлбэрэхэд маш авсаархан биетүүд болох нейтрон, магадгүй кварк оддыг үлдээдэг. Эдгээр оддын цөм нь бүхэлдээ нейтрон, тэр ч байтугай хүйтэн кварк-глюоны плазмаас бүрддэг. Ийм оддыг эртнээс олж илрүүлсэн боловч тэдний дотор юу болж байгааг тааж болно. Тиймээс кваркийн тархалтын талаар сайн ойлголттой байх нь астрофизикийн дэвшилд хүргэдэг.
- Орчуулга
Цагаан будаа. 1: устөрөгчийн атом. Томруулахгүй байх.
Том адрон коллайдер нь үндсэндээ протонуудыг бие бие рүүгээ буталдаг гэдгийг та мэднэ. Гэхдээ протон гэж юу вэ?
Юуны өмнө, энэ бол аймшигтай, бүрэн эмх замбараагүй байдал юм. Устөрөгчийн атом нь энгийн бөгөөд дэгжин байдаг шиг муухай, эмх замбараагүй байдаг.
Гэхдээ устөрөгчийн атом гэж юу вэ?
Энэ бол физикчдийн "хязгаарлагдмал төлөв" гэж нэрлэдэг хамгийн энгийн жишээ юм. "Төр" гэдэг нь үндсэндээ нэлээн удаан байгаа зүйлийг, "холбогдсон" гэдэг нь гэр бүл дэх эхнэр, нөхөр шиг бие биетэйгээ холбоотой гэсэн үг юм. Үнэн хэрэгтээ эхнэр, нөхөр хоёрын нэг нь нөгөөгөөсөө хамаагүй хүнд байдаг жишээ энд маш сайн тохирч байна. Протон төвд сууж, бараг л хөдөлдөггүй бөгөөд объектын ирмэг дээр та бид хоёроос хурдан боловч гэрлийн хурдаас хамаагүй удаан, бүх нийтийн хурдны хязгаараас хурдан хөдөлж буй электрон байдаг. Гэрлэлтийн дүр төрхийн тайван дүр төрх.
Эсвэл бид протоныг өөрөө харах хүртэл тийм юм шиг санагддаг. Протоны дотор тал нь олон ганц бие насанд хүрэгчид болон хүүхдүүдийн нягт бөөгнөрөл бүхий коммун шиг байдаг: цэвэр эмх замбараагүй байдал. Энэ нь бас холбоотой төлөв боловч устөрөгчийн нэгэн адил протоныг электронтой, эсвэл алт гэх мэт нарийн төвөгтэй атомуудын адил атомын цөмтэй хэдэн арван электрон гэх мэт энгийн зүйлийг холбодоггүй, гэхдээ тоо томшгүй олон тооны ( өөрөөр хэлбэл тэдгээр нь хэтэрхий олон бөгөөд тэдгээр нь практикт тоолоход хэтэрхий хурдан өөрчлөгддөг) кварк, антикварк, глюон гэж нэрлэгддэг хөнгөн хэсгүүд. Протоны бүтцийг зүгээр л дүрслэх, энгийн зураг зурах боломжгүй - энэ нь маш эмх замбараагүй юм. Бүх кварк, глюон, антикваркууд дотроос хамгийн дээд хурдаар, бараг гэрлийн хурдаар эргэлддэг.
Цагаан будаа. 2: Протоны зураг. Бүх кваркууд (дээш, доош, хачирхалтай - u,d,s), антикваркууд (у,д,с зураастай), глюонууд (g) бараг гэрлийн хурдаар нааш цааш гүйж, тус бүртэй мөргөлддөг гэж төсөөлөөд үз дээ. бусад, гарч ирэх ба алга болно
Протон гурван кваркаас бүрддэг гэж та сонссон байх. Гэхдээ энэ бол худал юм - илүү сайн сайхны төлөө, гэхдээ маш том зүйл. Үнэндээ протонд тоо томшгүй олон глюон, антикварк, кваркууд байдаг. "Протон нь хоёр дээш, нэг доош кваркаас бүрддэг" гэсэн стандарт товчлол нь протон нь дээш кваркуудаас хоёр дээш, доош кваркуудаас нэг илүү доош кварктай байдаг гэсэн үг юм. Энэхүү бууралт үнэн байхын тулд түүнд "мөн тоо томшгүй олон глюон ба кварк-антикварк хосуудыг" нэмэх шаардлагатай. Энэ хэллэггүйгээр протоны санааг маш хялбаршуулж, LHC-ийн ажиллагааг ойлгох боломжгүй болно.
Цагаан будаа. 3: Википедиагийн хэвшмэл зураг дээрх бяцхан цагаан худал
Ер нь протонтой харьцуулбал атомууд нь согтуу өсвөр насны хүүхдүүд дээш доош үсэрч, DJ рүү даллаж буй дискотой харьцуулахад нарийн хийцтэй балетын па де деустай адил юм.
Тийм ч учраас хэрэв та онолч хүн бол LHC протоны мөргөлдөөнд юу харагдахыг ойлгохыг хичээж байгаа бол танд хэцүү байх болно. Энгийн байдлаар тайлбарлах боломжгүй объектуудын мөргөлдөөний үр дүнг урьдчилан таамаглахад маш хэцүү байдаг. Гэвч аз болоход 1970-аад оноос хойш Бьоркений 60-аад оны санаан дээр үндэслэн онолын физикчид харьцангуй энгийн бөгөөд ажиллах технологийг олсон. Гэхдээ энэ нь 10% орчим нарийвчлалтай тодорхой хязгаар хүртэл ажилладаг. Энэ болон бусад шалтгааны улмаас LHC дээр бидний хийсэн тооцооллын найдвартай байдал үргэлж хязгаарлагдмал байдаг.
Протоны өөр нэг зүйл бол жижиг хэмжээтэй байдаг. Үнэхээр жижигхэн. Хэрэв та унтлагын өрөөнийхөө хэмжээтэй устөрөгчийн атомыг дэлбэлвэл протон нь тоосны ширхэгийн хэмжээтэй байх тул анзаарахад маш хэцүү байх болно. Энэ нь протон нь маш жижиг учраас бид түүний дотор болж буй эмх замбараагүй байдлыг үл тоомсорлож, устөрөгчийн атомыг энгийн гэж тодорхойлдог. Илүү нарийн яривал протоны хэмжээ устөрөгчийн атомын хэмжээнээс 100 000 дахин бага.
Харьцуулбал, Нарны хэмжээ нь Нарны аймгийн хэмжээнээс (Далай вангийн тойрог замаар хэмжигддэг) ердөө 3000 дахин бага юм. Энэ нь зөв - атом нь нарны аймгаас илүү хоосон юм! Шөнө тэнгэрийг харахдаа үүнийг санаарай.
Гэхдээ та “Түр хүлээнэ үү! Том адрон коллайдер нь атомаас 100,000 дахин жижиг протонуудтай мөргөлддөг гэж та хэлж байна уу? Энэ нь яаж боломжтой юм бэ?
Их асуулт.
Протоны мөргөлдөөн нь кварк, глюон, антикваркуудын жижиг мөргөлдөөнтэй харьцуулахад
LHC дахь протоны мөргөлдөөн нь тодорхой эрчим хүчээр явагддаг. 2011 онд 7 ТеВ = 7000 ГэВ, 2012 онд 8 ТеВ = 8000 ГэВ байсан. Гэхдээ бөөмийн физикчид голчлон нэг протоны кварк өөр протоны антикварктай мөргөлдөх, эсвэл хоёр глюоны мөргөлдөх гэх мэтийг сонирхдог. – жинхэнэ шинэ физик үзэгдэл үүсэхэд хүргэж болох зүйл. Эдгээр мини мөргөлдөөн нь протоны мөргөлдөөний нийт энергийн багахан хувийг эзэлдэг. Тэд энэ энергийн хэдийг зөөвөрлөж чадах вэ, яагаад мөргөлдөх энергийг 7 ТэВ-ээс 8 ТеВ болгон нэмэгдүүлэх шаардлагатай байсан бэ?Хариулт нь Зураг дээр байна. 4. График нь ATLAS илрүүлэгчийн илрүүлсэн мөргөлдөөний тоог харуулав. 2011 оны зуны мэдээлэлд бусад кварк, антикварк, глюонуудаас кварк, антикварк, глюонууд тараагдсан байна. Ийм жижиг мөргөлдөөн нь ихэвчлэн хоёр тийрэлтэт онгоц (хадроны тийрэлтэт тийрэлтэт онгоц, өндөр энергийн кваркуудын илрэл, глюон эсвэл эх протоноос тасарсан антикваркууд) үүсгэдэг. Тийрэлтэт онгоцны эрч хүч, чиглэлийг хэмжиж, энэ өгөгдлөөс жижиг мөргөлдөөнд оролцох ёстой энергийн хэмжээг тодорхойлно. График нь энергийн функцээр ийм төрлийн мини мөргөлдөөний тоог харуулж байна. Босоо тэнхлэг нь логарифм юм - мөр бүр нь тоо хэмжээг 10 дахин ихэсгэхийг илэрхийлдэг (10 n нь 1 ба түүний араас n тэгийг илэрхийлнэ). Жишээлбэл, 1550-аас 1650 ГэВ хүртэлх энергийн интервалд ажиглагдсан мини мөргөлдөөний тоо 10 3 = 1000 орчим (цэнхэр шугамаар тэмдэглэгдсэн) байв. График нь 750 ГэВ-ээс эхэлдэг боловч бага энергийн тийрэлтэт онгоцыг судлах тусам жижиг мөргөлдөөний тоо нэмэгдсээр байгааг анхаарна уу, тийрэлтэт онгоцууд нь илрүүлэхэд хэтэрхий сул болно.
Цагаан будаа. 4: энергиээс хамаарсан мөргөлдөөний тоо (m jj)
7 TeV = 7000 ГэВ энергитэй протон-протоны мөргөлдөөний нийт тоо 100,000,000,000,000-д ойртсон бөгөөд эдгээр бүх мөргөлдөөнөөс зөвхөн хоёр жижиг мөргөлдөөн нь 3,500 ГэВ-ээс давсан нь протоны мөргөлдөөний энергийн тал хувь юм. Онолын хувьд жижиг мөргөлдөөний энерги нь 7000 ГэВ хүртэл өсөх боломжтой боловч түүний магадлал байнга буурч байна. Бид 6000 ГэВ-ийн жижиг мөргөлдөөнийг маш ховор хардаг тул бид 100 дахин их мэдээлэл цуглуулсан ч 7000 ГэВ-ийг харах боломжгүй юм.
2010-2011 онд 7 ТэВ байсан мөргөлдөөний энергийг 2012 онд 8 ТеВ болгосноор ямар давуу талтай вэ? Мэдээжийн хэрэг, та E энергийн түвшинд юу хийж чадах байсан бол одоо 8/7 E ≈ 1.14 E эрчим хүчний түвшинд хийж болно. Тэгэхээр, хэрэв та өмнө нь тодорхой төрлийн таамаглал бүхий бөөмсийн шинж тэмдгийг маш их өгөгдөлд харна гэж найдаж байсан бол. 1000 ГеВ/с 2 масстай бол бид ижил өгөгдлөөр дор хаяж 1100 ГеВ/с 2 хүрнэ гэж найдаж болно. Машины хүчин чадал нэмэгдэж байна - та арай том масстай хэсгүүдийг хайж болно. Хэрэв та 2012 онд 2011 онтой харьцуулахад гурав дахин их мэдээлэл цуглуулвал энергийн түвшин тус бүрээр илүү их мөргөлдөөн гарч ирэх ба 1200 ГэВ/с 2 масстай таамагласан бөөмийн тэмдэглэгээг харах боломжтой болно.
Гэхдээ энэ нь бүгд биш юм. Зураг дээрх цэнхэр, ногоон шугамыг хар. 4: тэдгээр нь 1400 ба 1600 ГэВ-ийн дарааллын энергид тохиолддогийг харуулж байна - тэд бие биетэйгээ 7-аас 8 хүртэл хамааралтай байдаг. 7 TeV-ийн протоны мөргөлдөөний энергийн түвшинд кваркуудын кваркуудын жижиг мөргөлдөөний тоо , глюонтой кваркууд гэх мэт х. 1400 ГэВ-ийн энергитэй бол 1600 ГэВ-ийн энергитэй мөргөлдөөний тооноос хоёр дахин их байна. Гэвч машин нь эрчим хүчийг 8/7-оор нэмэгдүүлэхэд 1400-д ажилласан зүйл 1600-д ажиллаж эхэлдэг. Өөрөөр хэлбэл, хэрэв та тогтмол эрчим хүчний мини-мөргөлдөөнийг сонирхож байгаа бол тэдгээрийн тоо нэмэгдэж, 14% -иас хамаагүй их байх болно. протоны мөргөлдөөний энергид! Энэ нь 100-200 ГэВ-ийн эрчим хүчээр явагддаг хөнгөн жинтэй Хиггсийн тоосонцор гарч ирэхийг илүүд үздэг энергитэй аливаа процессын хувьд ижил мөнгөөр илүү үр дүнд хүрнэ гэсэн үг юм. 7-аас 8 TeV болвол ижил тооны протонтой мөргөлдөхөд та илүү олон Хиггсийн бөөмсийг авна гэсэн үг юм. Хиггсийн бөөмийн үйлдвэрлэл ойролцоогоор 1.5-аар нэмэгдэнэ. Ап кваркууд болон зарим төрлийн таамагласан бөөмсийн тоо бага зэрэг нэмэгдэх болно.
Энэ нь 2012 онд протоны мөргөлдөөний тоо 2011 онтой харьцуулахад 3 дахин их байгаа хэдий ч эрчим хүчний өсөлтөөс болж үйлдвэрлэсэн Хиггс бөөмийн нийт тоо бараг 4 дахин нэмэгдэнэ гэсэн үг юм.
Дашрамд хэлэхэд, зураг. Зураг 4-т мөн адил протонууд нь хоёр дээш, нэг доош кваркаас тогтдоггүйг мөн баталж байна. 3. Хэрэв тийм байсан бол кваркууд протоны энергийн гуравны нэг орчим хувийг шилжүүлэх ёстой бөгөөд ихэнх мини мөргөлдөөн нь протоны мөргөлдөөний энергийн гуравны нэг орчим буюу 2300 ГэВ орчим энергитэй байх болно. Гэхдээ графикаас харахад 2300 ГеВ-ын бүсэд онцгой зүйл тохиолддоггүй. 2300 ГэВ-ээс доош энергитэй үед мөргөлдөөн олон байдаг ба доошоо явах тусам мөргөлдөөн ихсэх болно. Учир нь протон нь маш олон тооны глюон, кварк, антикваркуудыг агуулдаг бөгөөд тэдгээр нь тус бүр нь протоны энергийн багахан хэсгийг дамжуулдаг боловч тэдгээр нь маш олон тул маш олон тооны жижиг мөргөлдөөнд оролцдог. Протоны энэ шинж чанарыг Зураг дээр үзүүлэв. 2 – Хэдийгээр үнэндээ бага энергитэй глюон ба кварк-антикварк хосуудын тоо зурагт үзүүлсэнээс хамаагүй их байна.
Гэхдээ графикт харагдахгүй байгаа зүйл бол тодорхой энергитэй жижиг мөргөлдөөнд кваркууд кваркуудтай, кваркууд глюонуудтай, глюонуудтай глюонуудтай, кваркууд антикваркуудтай мөргөлдөхөд унадаг хэсэг юм. Үнэн хэрэгтээ үүнийг LHC-ийн туршилтаас шууд хэлэх боломжгүй - кварк, антикварк, глюонуудын тийрэлтэт онгоцууд адилхан харагдаж байна. Эдгээр бутархайг бид яаж мэдэх вэ гэдэг нь өнгөрсөн үеийн олон янзын туршилтууд, тэдгээрийг нэгтгэсэн онолыг агуулсан нарийн төвөгтэй түүх юм. Эндээс бид хамгийн их энергийн мини мөргөлдөөн нь ихэвчлэн кварк ба кваркуудын хооронд, кварк ба глюонуудын хооронд тохиолддог гэдгийг бид мэднэ. Бага эрчим хүчний мөргөлдөөн нь ихэвчлэн глюонуудын хооронд тохиолддог. Кварк ба антикваркуудын хоорондох мөргөлдөөн нь харьцангуй ховор боловч тодорхой физик процессуудад маш чухал юм.
Протон доторх бөөмсийн тархалт
Цагаан будаа. 5
Босоо тэнхлэгийн масштабаар ялгаатай хоёр график нь протоны энергийн х-тэй тэнцүү хэсгийг агуулсан глюон, дээш эсвэл доош кварк эсвэл антикварктай мөргөлдөх харьцангуй магадлалыг харуулж байна. Жижиг x-д глюонууд давамгайлдаг (мөн кваркууд ба антикваркууд нь ижил магадлалтай бөгөөд олон байдаг ч глюонуудаас цөөхөн байдаг), дунд x-д кваркууд давамгайлдаг (хэдийгээр тэд маш цөөхөн байдаг).
Хоёр график нь ижил зүйлийг, өөр масштабаар харуулдаг тул тэдгээрийн аль нэг дээр нь харахад хэцүү зүйлийг нөгөө талаас нь харахад хялбар байдаг. Тэдний харуулж буй зүйл бол: Хэрэв том адрон коллайдер дээр протоны цацраг чам руу ирж, та протон доторх ямар нэг зүйлийг мөргөх юм бол та дээш кварк, доош кварк, глюон, эсвэл ямар нэгэн зүйл рүү цохих магадлал хэр өндөр вэ? дээш антикварк уу эсвэл протоны энергийн х-тэй тэнцүү хэсгийг агуулсан антикварк уу? Эдгээр графикуудаас дараахь дүгнэлтийг хийж болно.
Бүх муруйнууд жижиг x үед маш хурдан ургадаг (доод графикаас харахад) протон дахь ихэнх бөөмс 10% -иас бага (x) шилжинэ.< 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.
Шар муруй (доор) бусдаас хамаагүй өндөр байгаа тул хэрэв та протоны энергийн 10% -иас бага хувийг агуулсан зүйлтэй тулгарвал энэ нь глюон байх магадлалтай; ба протоны энергийн 2% -иас доош унах нь кварк эсвэл антикварк байх магадлалтай.
Глюоны муруй (дээд) х нэмэгдэх тусам кваркийн муруйгаас доош унадаг тул хэрэв та протоны энергийн 20% -иас илүү (x > 0.2) -ийг агуулсан ямар нэгэн зүйлтэй тулгарвал - энэ нь маш ховор тохиолддог. кварк ба энэ нь дээш кварк байх магадлал нь даун кварк байх магадлалаас хоёр дахин их байна. Энэ бол “Протон нь хоёр дээш, нэг доош кварк” гэсэн санааны үлдэгдэл юм.
Бүх муруй нь x нэмэгдэх тусам огцом буурдаг; Протоны энергийн 50-иас дээш хувийг агуулсан зүйлтэй тулгарах магадлал тун бага.
Эдгээр ажиглалтыг Зураг дээрх графикт шууд бусаар тусгасан болно. 4. Хоёр графиктай холбоотой хэд хэдэн тодорхой бус зүйл энд байна:
Протоны ихэнх энерги нь цөөн тооны өндөр энергитэй кваркууд болон асар олон тооны бага энергитэй глюонуудын хооронд (ойролцоогоор тэнцүү) хуваагддаг.
Бөөмүүдийн дотроос бага энергитэй глюонууд тоогоор давамгайлж, дараа нь маш бага энергитэй кварк, антикваркууд ордог.
Кварк ба антикваркуудын тоо асар их боловч: дээш кваркуудын нийт тооноос дээш антикваркуудын нийт тоог хасвал хоёр, харин даун кваркуудын нийт тоог хасвал нэг байна. Дээр дурдсанчлан нэмэлт кваркууд нь таны зүг нисч буй протоны энергийн ихээхэн хэсгийг (гэхдээ ихэнхийг нь биш) авч явдаг. Зөвхөн энэ утгаараа протон нь үндсэндээ хоёр дээш, нэг доош кваркаас бүрддэг гэж хэлж болно.
Дашрамд хэлэхэд, энэ бүх мэдээллийг туршилтын гайхалтай хослолоос (гол төлөв протоноос электрон эсвэл нейтрино тараах эсвэл хүнд устөрөгчийн атомын цөм - нэг протон, нэг нейтрон агуулсан дейтерий) нарийвчилсан тэгшитгэлийг ашиглан олж авсан. цахилгаан соронзон, хүчтэй цөмийн болон сул цөмийн харилцан үйлчлэлийг дүрсэлсэн. Энэхүү урт түүх 1960-аад оны сүүл, 1970-аад оны эхэн үе хүртэл үргэлжилдэг. Теватрон ба LHC зэрэг протонууд протонтой, протонууд антипротонтой мөргөлддөг мөргөлдөөнд ажиглагдсан үзэгдлийг урьдчилан таамаглахад маш сайн ажилладаг.
Протоны цогц бүтцийн бусад нотолгоо
LHC-ээс олж авсан зарим өгөгдлүүд болон энэ нь протоны бүтцийн талаархи мэдэгдлийг хэрхэн дэмжиж байгааг харцгаая (хэдийгээр протоны талаарх одоогийн ойлголт нь олон туршилтын ачаар 3-4 арван жилийн өмнө үүссэн боловч).Зураг дээрх график. 4-ийг 1-р зурагт үзүүлсэнтэй адил зүйл болох мөргөлдөөний ажиглалтаас олж авсан. 6: нэг протоны кварк эсвэл антикварк эсвэл глюон нь өөр протоны кварк эсвэл антикварк эсвэл глюонтой мөргөлдөж, түүнээс тархсан (эсвэл илүү төвөгтэй зүйл тохиолддог - жишээлбэл, хоёр глюон мөргөлдөж кварк ба антикварк болж хувирдаг), Үүний үр дүнд хоёр бөөмс (кварк, антикварк эсвэл глюон) мөргөлдөх цэгээс нисдэг. Эдгээр хоёр бөөмс нь тийрэлтэт онгоц (хадрон тийрэлтэт) болж хувирдаг. Тийрэлтийн эрч хүч, чиглэлийг цохилтын цэгийг тойрсон бөөмс илрүүлэгчд ажигладаг. Энэхүү мэдээллийг хоёр анхны кварк/глюон/антикваркуудын мөргөлдөөнд хэр их энерги агуулсныг ойлгоход ашигладаг. Илүү нарийвчлалтайгаар, хоёр тийрэлтэт онгоцны инвариант массыг c 2-оор үржүүлснээр хоёр анхны кварк/глюон/антикваркуудын мөргөлдөх энергийг өгдөг.
Цагаан будаа. 6
Эрчим хүчээс хамааран ийм төрлийн мөргөлдөөний тоог Зураг дээр үзүүлэв. 4. Бага энергитэй үед мөргөлдөөний тоо хамаагүй их байдаг нь протон доторх бөөмсийн ихэнх хэсэг нь энергийнх нь багахан хэсгийг л дамжуулж байгаагаар нотлогддог. Өгөгдөл нь 750 ГэВ-ийн эрчим хүчээр эхэлдэг.
Цагаан будаа. 7: Бага өгөгдлийн багцаас авсан бага энергийн өгөгдөл. Дижет масс - Зураг дээрх m jj-тэй ижил. 4.
Зурагт зориулсан өгөгдөл. 7-г 2010 онд хийсэн CMS туршилтаас авсан бөгөөд 220 ГэВ хүртэл энергитэй махан биетэй мөргөлдөхийг зурсан. Энд байгаа график нь мөргөлдөөний тоо биш, харин арай илүү төвөгтэй: нэг GeV-ийн мөргөлдөөний тоо, өөрөөр хэлбэл гистограмын баганын өргөнд хуваагдсан мөргөлдөөний тоо юм. Үүнтэй ижил үр нөлөө нь бүх өгөгдлийн хүрээнд ажилласаар байгааг харж болно. Зурагт үзүүлсэнтэй адил мөргөлдөөн. 6, өндөр энергитэй харьцуулахад бага энергитэй үед илүү их тохиолддог. Мөн энэ тоо тийрэлтэт онгоцыг ялгах боломжгүй болтлоо өссөөр байна. Протон нь бага энергитэй маш олон тоосонцор агуулдаг бөгөөд тэдгээрийн цөөхөн хэсэг нь энергийн багахан хэсгийг агуулдаг.
Протон дахь антикваркуудын талаар юу хэлэх вэ? Зураг дээр үзүүлсэн мөргөлдөөнтэй төстэй биш хамгийн сонирхолтой гурван процесс. 6, заримдаа LHC-д тохиолддог (хэдэн сая протон-протоны мөргөлдөөний нэгэнд) дараах үйл явцыг хамардаг.
Кварк + антикварк -> W + , W - эсвэл Z бөөмс.
Тэдгээрийг Зураг дээр үзүүлэв. 8.
Цагаан будаа. 8
CMS-ийн холбогдох өгөгдлийг Зураг дээр үзүүлэв. 9 ба 10. Зураг. 9-р зурагт электрон эсвэл позитрон (зүүн талд) болон үл мэдэгдэх зүйл (магадгүй нейтрино эсвэл антинейтрино) эсвэл мюон ба антимуон (баруун) үүсгэдэг мөргөлдөөний тоог зөв таамаглаж байгааг харуулж байна. Урьдчилан таамаглалыг Стандарт загвар (мэдэгдэж буй энгийн бөөмсийн төлөв байдлыг урьдчилан таамаглах тэгшитгэл) болон протоны бүтцийг нэгтгэх замаар хийдэг. Өгөгдөл дэх том оргилууд нь W ба Z хэсгүүдийн харагдах байдлаас үүдэлтэй.
Цагаан будаа. 9: хар цэгүүд - өгөгдөл, шар - таамаглал. Үйл явдлын тоог мянгаар нь зааж өгсөн. Зүүн талд: Төв оргил нь W бөөмс дэх нейтринотой холбоотой. Баруун талд мөргөлдөөний үед үүссэн лептон ба антилептоныг нэгтгэж, тэдгээрийн үүссэн бөөмийн массыг харуулав. Үүссэн Z бөөмсийн улмаас оргил нь гарч ирдэг.
Илүү дэлгэрэнгүй мэдээллийг Зураг дээр харж болно. 10-т онол нь зөвхөн эдгээрийн тоо төдийгүй олон тооны холбогдох хэмжилтүүдийн хувьд - ихэнх нь кваркууд антикваркуудтай мөргөлдөхтэй холбоотой байдаг - өгөгдөлтэй төгс тохирч байгааг харуулж байна. Өгөгдөл (улаан цэгүүд) ба онол (цэнхэр баар) нь статистикийн хэлбэлзлээс болж хэзээ ч яг таарч тохирохгүй, учир нь та зоосыг арав дахин эргүүлбэл заавал таван толгой, таван сүүлтэй болдоггүй. Тиймээс өгөгдлийн цэгүүдийг "алдааны мөр" буюу босоо улаан судал дотор байрлуулна. Туузны хэмжээ нь хэмжилтийн 30% -д алдааны зурвас нь онолтой хиллэх ёстой бөгөөд хэмжилтийн зөвхөн 5% нь онолоос хоёр зурвасын зайтай байх ёстой. Протонд олон тооны антикварк агуулагдаж байгааг бүх нотлох баримт нотолж байгааг харж болно. Мөн бид протоны энергийн тодорхой хэсгийг агуулдаг антикваркуудын тоог зөв ойлгодог.
Цагаан будаа. 10
Дараа нь бүх зүйл арай илүү төвөгтэй байдаг. Бид 10% -иас бага алдаатай - W - бөөмсөөс хэр их W + бөөмсийг олж авдаг - бид зөв урьдчилан таамагладаг учраас бид хичнээн дээш доош кварктай болохыг тэдний энергиээс хамаарч мэддэг (Зураг 11).
Цагаан будаа. 11
Дээш антикваркуудын доод кваркуудын харьцаа 1-тэй ойролцоо байх ёстой, гэхдээ ялангуяа өндөр энергитэй үед доош кваркуудаас илүү дээшээ кваркууд байх ёстой. Зураг дээр. 6-аас харахад үүссэн W + ба W - бөөмсийн харьцаа нь W бөөмсийг үйлдвэрлэхэд оролцдог дээш болон доош кваркуудын харьцааг ойролцоогоор өгөх ёстой. Зураг 11-ээс харахад W + ба W - бөөмсийн хэмжсэн харьцаа 2-оос 1 биш харин 3-аас 2 байна. Энэ нь протоныг хоёр дээш, нэг доош кваркаас тогтдог гэсэн гэнэн төсөөлөл нь хэтэрхий энгийн болохыг харуулж байна. Протон нь олон кварк-антикварк хосуудыг агуулдаг бөгөөд тэдгээрийн дээд ба доод хэсгүүд нь ойролцоогоор тэнцүү байдаг тул хялбаршуулсан 2-1 харьцаа бүдгэрч байна. Бүдгэрэлтийн зэргийг 80 ГэВ-ийн W бөөмийн массаар тодорхойлно. Протон дахь кварк-антикварк хосуудын ихэнх нь бага энергийг зөөдөг тул илүү хөнгөн болговол бүдэгрэх нь ихэсч, хүнд байвал бүдэгрэх нь багасна.
Эцэст нь протон дахь бөөмсийн ихэнх нь глюон байдаг гэдгийг баталъя.
Цагаан будаа. 12
Үүний тулд бид кварк + антикварк -> дээд кварк + дээд антикварк, эсвэл глюон + глюон -> дээд кварк + дээд антикварк гэсэн хоёр аргаар бий болно гэдгийг бид ашиглах болно (Зураг 12). Зурагт үзүүлсэн хэмжилтүүд дээр үндэслэн бид кварк ба антикваркуудын тоог тэдний авч буй энергиэс хамааруулан мэддэг. 9-11. Эндээс бид стандарт загварын тэгшитгэлийг ашиглан зөвхөн кварк ба антикваркуудын мөргөлдөөнөөс хичнээн дээд кварк үүсэхийг таамаглаж болно. Бид өмнөх мэдээлэлд үндэслэн протонд илүү олон глюон байдаг тул глюон + глюон -> дээд кварк + дээд антикварк процесс дор хаяж 5 дахин их тохиолддог гэж бид үзэж байна. Тэнд глюон байгаа эсэхийг шалгахад хялбар байдаг; Хэрэв тийм биш бол өгөгдөл нь онолын таамаглалаас хамаагүй доогуур байх ёстой.
gluons Шошго нэмэх