Положително заредената частица в ядрото на атома е обект с неописуема сложност, която се променя в зависимост от това как се изследва.
Статия, публикувана в Quanta Magazine, представя многото лица на протона и връзките между тях, за да формираме най-пълна картина за тази частица.
Повече от век след като Ърнест Ръдърфорд открива положително заредената частица в сърцето на всеки атом, физиците все още се опитват да разберат напълно протона.
Изследователите наскоро откриха, че протонът понякога включва очарователен кварк и очарователен антикварк, огромни частици, всяка от които е по-масивна от самия протон.
Учителите по физика в гимназията ги описват като скучни топки с по една единица положителен електрически заряд - идеалнaта компания за отрицателно заредените електрони, които се носят около тях. Учениците научават, че топката всъщност е група от три елементарни частици, наречени кварки. Но десетилетия изследвания разкриват една по-дълбока истина, която е твърде странна, за да бъде ясно изразена с думи или изображения.
„Това е най-сложното нещо, което можете да си представите“, обяснява Майк Уилямс (Mike Williams), физик от Масачузетския технологичен институт (MIT). „Всъщност дори не можете да си представите колко е сложно.“
Протонът е квантово-механичен обект, който съществува като мъгла от вероятности, докато експеримент не го принуди да приеме конкретна форма. И неговите форми се различават драстично в зависимост от това как изследователите са поставили своя експеримент. Свързването на многото лица на частицата е работа на поколения. „Тепърва започваме да разбираме тази система всъщност“, коментира Ричард Милнър (Richard Milner), ядрен физик в MIT.
Изследванията продължават, а тайните на протона започват да излизат наяве. Съвсем наскоро монументален анализ на данни, публикуван през август, установява, че протонът съдържа следи от частици, наречени чаровни кварки, които са по-масивни от самия протон.
Протонът „учи хората на смирение“, коментира Уилямс. „Всеки път, когато си помислите, че някак си се справяте с него, той ви изненадва.“
Наскоро Милнър, заедно с Ролф Ент от Jefferson Lab, режисьорите от Масачузетския технологичен институт Крис Бьобел и Джо Макмастър и аниматора Джеймс ЛаПланте, се заемат да представят набор от тайнствени сюжети, които обединяват резултатите от стотици експерименти в поредица от анимации на протона.
В статията може да видите техни анимации.
Разбиването на протона
Доказателство, че протонът съдържа други частица, идва от Станфордския център за линейни ускорители (SLAC) през 1967 г. В по-ранни експерименти изследователите го бомбардират с електрони и ги наблюдават как рикошират като билярдни топки. Но SLAC може да изстрелва електроните по-силно и изследователите виждат, че рикошират по различен начин. Електроните удрят протона достатъчно силно, за да го разбият - процес, наречен дълбоко нееластично разсейване - и отскачат от частиците, съставящи протона, наречени кварки.
„Това бе първото доказателство, че кварките наистина съществуват“, разказва Сяочао Цън (Xiaochao Zheng), физик от Университета на Вирджиния.
След откритието на SLAC, което печели Нобелова награда за физика през 1990 г., интересът към протона се засилва. Досега физиците са провели стотици експерименти с нееластично разсейване. Те правят изводи за различни аспекти на вътрешността на обекта, като регулират колко силно да го бомбардират и като избират кои разпръснати частици да събират след това.
Кредит: Quanta magazine
Използвайки електрони с по-висока енергия, физиците могат да открият по-фини характеристики на протона. По този начин енергията на електрона определя максималната разделителна способност на експеримент с дълбоко нееластично разсейване. По-мощните ускорители на частици предлагат по-детайлен изглед на протона.
Колайдерите с по-висока енергия също произвеждат по-широк набор от резултати от сблъсъци, позволявайки на изследователите да избират различни подмножества от изходящите електрони за анализ. Тази гъвкавост се оказа ключова за разбирането на кварките, които се движат вътре в протона с различни стойности на импулса.
Чрез измерване на енергията и траекторията на всеки разпръснат електрон, изследователите могат да разберат дали е отскочил от кварк, носещ голяма част от общия импулс на протона или само малка част от него. Чрез повтарящи се сблъсъци те могат да направят нещо като преброяване - определяйки дали импулсът на протона е свързан предимно с няколко кварка или е разпределен в много.
Кредит: Quanta magazine
Но дори разбиващите протоните сблъсъци в SLAC са анемични по днешните стандарти. При тези събития на дълбоко нееластично разсейване електроните често излитат по начини, които предполагат, че са се сблъскали с кварки, носещи една трета от общия импулс на протона. Откритието съвпада с теорията на Мъри Гел-Ман и Джордж Цвайг, които през 1964 г. предполагат, че протонът се състои от три кварка.
„Кварковият модел“ на Гел-Ман и Цвайг остава елегантен начин да си представим протона. Той има два „горни“ кварка с електрически заряди от +2/3 всеки и един „долен“ кварк със заряд от −1/3, за общ заряд на протона от +1.
Три кварка трепкат в тази управлявана от данни анимация. Кредит: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Но кварковият модел е прекалено опростен, а това има сериозни недостатъци.
Той се проваля например, когато става въпрос за спина на протон, квантово свойство, аналогично на ъгловия импулс. Протонът има половин единица спин, както и всеки от неговите горни и долни кварки. Първоначално физиците предполагат, че се повтаря простата аритметика на заряда - половинките на двата горни кварка минус тази на долния кварк трябва да се равняват на 1/2 за протона като цяло. Но през 1988 г. European Muon Collaboration съобщава, че спиновете на кварките дават много по-малко от 1/2. По същия начин, масите на два горни кварка и един долен кварк съставляват само около 1% от общата маса на протона. Тези дефицити водят до това, че физиците вече започват да осъзнават, че протонът е много повече от три кварка.
Много повече от три кварка
Адрон-електронния кръгов ускорител (HERA - Hadron-Electron Ring Accelerator), който работи в Хамбург, Германия, от 1992 до 2007 г., сблъсква електроните в протоните приблизително хиляда пъти по-силно от SLAC. В експериментите на HERA физиците могат да изберат електрони, които са отскочили от кварките с изключително нисък импулс, включително такива, носещи само 0,005% от общия импулс на протона. И ги откриват: електроните на HERA отскачат от водовъртежа от кварки с нисък импулс и техните двойници от антиматерия, антикварки.
Много кварки и антикварки кипят във вълнуващо „море“ от частици.
Много кварки и антикварки кипят във вълнуващо „море“ от частици. Кредит: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Резултатите потвърждават сложна и странна теория, която заменя кварковия модел на Гел-Ман и Цвайг. Разработена през 70-те години на миналия век, това е квантова теория за „силното взаимодействие“, което действа между кварките. Теорията описва кварките като свързани заедно от частици, носители на сила, наречени глуони. Всеки кварк и всеки глуон има един от трите типа "цветен" заряд, означен като червен, зелен и син. Тези цветно заредени частици естествено се дърпат една друга и образуват група - например протон - чиито цветове се допълват до неутрално бяло. Цветната теория стана известна като квантова хромодинамика или КХД (quantum chromodynamics, QCD).
Според КХД глуоните могат да уловят моментни пикове на енергия. С тази енергия глуонът се разделя на кварк и антикварк - всеки от които носи само малка част от импулса - преди двойката да се анихилира и изчезне. Това е онова „море“ от преходни глуони, кварки и антикварки, които HERA, с по-голямата си чувствителност към частици с по-нисък импулс, открива преди.
HERA също така събира намеци за това как би изглеждал протонът в по-мощни колайдери. Тъй като физиците настройват HERA, за да търсят кварки с по-нисък импулс, тези кварки - които идват от глуони - се появяват във все по-големи и по-големи количества. Резултатите предполагат, че при сблъсъци с още по-висока енергия протонът ще изглежда като облак, съставен почти изцяло от глуони.
Глуоните изобилстват в подобна на облак форма. Кредит: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Глуонното глухарче е точно това, което КХД прогнозира.
„Данните от HERA са пряко експериментално доказателство, че КХД описва природата“, заявява Милнър.
Но победата на младата теория идва с горчиво хапче: докато КХД красиво описва танца на краткотрайните кварки и глуони, разкрит от екстремните сблъсъци на HERA, теорията е безполезна за разбирането на трите дълготрайни кварка, наблюдавани при нежното бомбардиране на SLAC.
Прогнозите на КХД са лесни за разбиране само когато силното взаимодействие е относително слабо. И силното взаимодействие отслабва само когато кварките са изключително близо един до друг, тъй като те са в краткотрайни двойки кварк-антикварк. Франк Вилчек (Frank Wilczek), Дейвид Грос (David Gross) и Дейвид Полицър (David Politzer) идентифицират тази определяща характеристика на КХД през 1973 г., спечелвайки Нобелова награда за нея 31 години по-късно.
Но за по-меки сблъсъци като SLAC, където протонът действа като три кварка, които взаимно поддържат разстоянието си, тези кварки се дърпат един друг достатъчно силно, че КХД изчисленията стават невъзможни. По този начин задачата за по-нататъшно демистифициране на трикварковия възглед за протона се е паднала до голяма степен на експериментаторите. Изследователите, които провеждат „дигитални експерименти“, в които прогнозите на КХД се симулират на суперкомпютри, също имат ключов принос.
Но именно в тази картина с ниска разделителна способност физиците продължават да откриват изненади.
Очарователна нова гледка
Наскоро екип, ръководен от Хуан Рохо (Juan Rojo) от Националния институт за субатомна физика в Холандия и Свободния университет на Амстердам, анализира повече от 5000 моментни снимки на протони, направени през последните 50 години, използвайки машинно обучение, за да заключи движенията на кварките и глуоните вътре в протона по начин, който заобикаля теоретичните догадки.
Новото изследване установи размазване на фона в изображенията, което е убягнало на предишни изследователи. При сравнително меки сблъсъци, които едва отварят протона, по-голямата част от импулса е заключен в обичайните три кварка: два горни и един долен. Но малко количество импулс изглежда идва от „чаровен“ кварк и чаровен антикварк – колосални елементарни частици, всяка от които превъзхожда целия протон с повече от една трета.
Протонът понякога действа като "молекула" от пет кварка. Кредит: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Краткотрайните "очарования" често се появяват в „кварковото море“ на протона (глуоните могат да се разпадат на всеки от шест различни типа кварк, ако имат достатъчно енергия).
Но резултатите от Рохо и колеги предполагат, че чаровните кварки имат по-постоянно присъствие, което ги прави откриваеми при по-леки сблъсъци.
При тези сблъсъци протонът изглежда като квантова смес или суперпозиция на множество състояния: Електронът обикновено среща трите леки кварка. Но от време на време ще срещне по-рядка „молекула“ от пет кварка, като горен, долен и чаровен кварк, групирани от едната страна, и горен кварк и чаровен антикварк от другата.
Такива фини подробности за състава на протона може да се окажат последователни.
В Големия адронен колайдер физиците търсят нови елементарни частици, сблъсквайки високоскоростни протони и виждайки какво изскача. Зза да разберат резултатите, изследователите трябва да знаят какво има в протона като начало. Случайното появяване на гигантски чаровни кварки би намалило шансовете за създаване на по-екзотични частици.
И когато протоните, наречени космически лъчи, се втурват тук от космоса и се блъскат в протоните в земната атмосфера, чаровните кварки, изскачащи в правилните моменти, ще обсипят Земята с изключително високоенергийни неутрино, изчисляват изследователите през 2021 г. Това може да обърка наблюдателите, търсещи високоенергийни неутрино, идващи от целия космос.
Колаборацията на Рохо планира да продължи да изследва протона, търсейки дисбаланс между чаровните кварки и антикварките. А по-тежките съставки, като върховен кварк, биха могли да направят още по-редки и по-трудни за откриване изяви.
Експериментите от следващо поколение ще търсят още повече неизвестни функции.
Физиците от Националната лаборатория Брукхейвън се надяват да задействат електронно-йонния колайдер EIC (Electron-Ion Collider) през 2030 г. и да продължат там, където HERA е спряла, като направят моментни снимки с по-висока разделителна способност, които ще позволят първите 3D реконструкции на протона.
EIC също ще използва електрони, за да създаде подробни карти на спиновете на вътрешните кварки и глуони, точно както SLAC и HERA са изследвали импулсите им. Това би трябвало да помогне на изследователите най-накрая да установят произхода на спина на протона и да отговорят на други фундаментални въпроси относно объркващата частица, която съставлява по-голямата част от нашия ежедневен свят.
Изтoчник: Inside the Proton, the ‘Most Complicated Thing You Could Possibly Imagine’, Quanta magazine
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари