Partikel dasar. Partikel dasar Bukti lain dari struktur kompleks proton

Dengan mempelajari struktur materi, fisikawan menemukan atom terbuat dari apa, sampai ke inti atom dan membaginya menjadi proton dan neutron. Semua langkah ini diberikan dengan cukup mudah - Anda hanya perlu mempercepat partikel hingga mencapai energi yang dibutuhkan, mendorongnya satu sama lain, dan kemudian partikel itu sendiri akan hancur menjadi bagian-bagian komponennya.

Namun dengan proton dan neutron, trik ini tidak lagi berhasil. Meskipun merupakan partikel komposit, mereka tidak dapat “pecah menjadi beberapa bagian” bahkan dalam tumbukan yang paling keras sekalipun. Oleh karena itu, fisikawan membutuhkan waktu puluhan tahun untuk menemukan cara berbeda untuk melihat ke dalam proton, melihat struktur dan bentuknya. Saat ini, studi tentang struktur proton adalah salah satu bidang fisika partikel yang paling aktif.

Alam memberi petunjuk

Sejarah mempelajari struktur proton dan neutron dimulai pada tahun 1930-an. Ketika, selain proton, neutron ditemukan (1932), setelah mengukur massanya, fisikawan terkejut menemukan bahwa massanya sangat dekat dengan massa proton. Terlebih lagi, ternyata proton dan neutron “merasakan” interaksi nuklir dengan cara yang persis sama. Begitu identik sehingga, dari sudut pandang gaya nuklir, proton dan neutron dapat dianggap sebagai dua manifestasi dari partikel yang sama - nukleon: proton adalah nukleon bermuatan listrik, dan neutron adalah nukleon netral. Menukar proton dengan neutron dan gaya nuklir (hampir) tidak akan menyadari apa pun.

Fisikawan menyatakan sifat alam ini sebagai simetri - interaksi nuklir adalah simetris terhadap penggantian proton dengan neutron, seperti halnya kupu-kupu yang simetris terhadap penggantian kiri dengan kanan. Simetri ini, selain berperan penting dalam fisika nuklir, sebenarnya merupakan petunjuk pertama bahwa nukleon memiliki struktur internal yang menarik. Benar, di tahun 30-an, fisikawan tidak menyadari petunjuk ini.

Pemahaman datang kemudian. Hal ini dimulai dengan fakta bahwa pada tahun 1940-an dan 1950-an, dalam reaksi tumbukan proton dengan inti berbagai unsur, para ilmuwan terkejut menemukan semakin banyak partikel baru. Bukan proton, bukan neutron, bukan pi-meson yang ditemukan pada saat itu, yang menyimpan nukleon di dalam inti, tetapi beberapa partikel yang benar-benar baru. Terlepas dari keragamannya, partikel-partikel baru ini memiliki dua sifat umum. Pertama, mereka, seperti nukleon, sangat bersedia berpartisipasi dalam interaksi nuklir - sekarang partikel tersebut disebut hadron. Dan kedua, kondisinya sangat tidak stabil. Yang paling tidak stabil di antara mereka meluruh menjadi partikel lain hanya dalam sepertriliun nanodetik, bahkan tidak sempat terbang seukuran inti atom!

Untuk waktu yang lama, “kebun binatang” hadron benar-benar berantakan. Pada akhir tahun 1950-an, fisikawan telah mempelajari cukup banyak jenis hadron yang berbeda, mulai membandingkannya satu sama lain, dan tiba-tiba melihat kesimetrian umum tertentu, bahkan periodisitas, dalam sifat-sifatnya. Diduga bahwa di dalam semua hadron (termasuk nukleon) terdapat beberapa objek sederhana yang disebut “quark”. Dengan menggabungkan quark dengan cara yang berbeda, dimungkinkan untuk memperoleh hadron yang berbeda, dan dengan jenis yang persis sama serta sifat yang sama seperti yang ditemukan dalam percobaan.

Apa yang membuat proton menjadi proton?

Setelah fisikawan menemukan struktur quark hadron dan mempelajari bahwa quark mempunyai beberapa jenis yang berbeda, menjadi jelas bahwa banyak partikel berbeda yang dapat dibuat dari quark. Jadi tidak ada yang terkejut ketika eksperimen selanjutnya terus menemukan hadron baru satu demi satu. Namun di antara semua hadron, seluruh keluarga partikel ditemukan, seperti halnya proton, hanya terdiri dari dua kamu-quark dan satu D-kuark. Semacam “saudara” dari proton. Dan di sini para fisikawan terkejut.

Mari kita lakukan satu pengamatan sederhana terlebih dahulu. Jika kita memiliki beberapa benda yang terdiri dari “batu bata” yang sama, maka benda yang lebih berat mengandung lebih banyak “batu bata”, dan benda yang lebih ringan mengandung lebih sedikit “batu bata”. Ini adalah prinsip yang sangat alami, yang dapat disebut prinsip kombinasi atau prinsip suprastruktur, dan berfungsi dengan sempurna baik dalam kehidupan sehari-hari maupun dalam fisika. Ia bahkan memanifestasikan dirinya dalam struktur inti atom - lagi pula, inti yang lebih berat hanya terdiri dari lebih banyak proton dan neutron.

Namun, pada tingkat quark, prinsip ini tidak berlaku sama sekali, dan memang fisikawan belum sepenuhnya mengetahui alasannya. Ternyata saudara berat proton juga terdiri dari quark yang sama dengan proton, meski satu setengah atau bahkan dua kali lebih berat dari proton. Mereka tidak berbeda dari proton (dan berbeda satu sama lain). komposisi, dan saling menguntungkan lokasi quark, berdasarkan keadaan di mana quark ini relatif satu sama lain. Cukup dengan mengubah posisi relatif quark - dan dari proton kita akan mendapatkan partikel lain yang jauh lebih berat.

Apa yang akan terjadi jika Anda masih mengambil dan mengumpulkan lebih dari tiga quark secara bersamaan? Akankah partikel berat baru dihasilkan? Anehnya, ini tidak akan berhasil - quark akan terpecah menjadi tiga bagian dan berubah menjadi beberapa partikel yang tersebar. Untuk beberapa alasan, alam “tidak suka” menggabungkan banyak quark menjadi satu kesatuan! Baru-baru ini, secara harfiah dalam beberapa tahun terakhir, petunjuk mulai muncul bahwa beberapa partikel multi-quark memang ada, tetapi ini hanya menekankan betapa alam tidak menyukainya.

Kesimpulan yang sangat penting dan mendalam mengikuti kombinatorik ini - massa hadron sama sekali tidak terdiri dari massa quark. Namun jika massa hadron dapat ditambah atau dikurangi hanya dengan menggabungkan kembali batu bata penyusunnya, maka bukan quark itu sendiri yang bertanggung jawab atas massa hadron. Memang, dalam percobaan selanjutnya, dimungkinkan untuk mengetahui bahwa massa quark itu sendiri hanya sekitar dua persen dari massa proton, dan sisa gravitasi muncul karena medan gaya (partikel khusus - gluon) yang mengikat quark menjadi satu. Dengan mengubah posisi relatif quark, misalnya, menjauhkannya satu sama lain, kita mengubah awan gluon, menjadikannya lebih masif, itulah sebabnya massa hadron bertambah (Gbr. 1).

Apa yang terjadi di dalam proton yang bergerak cepat?

Segala sesuatu yang dijelaskan di atas berkaitan dengan proton yang tidak bergerak; dalam bahasa fisikawan, ini adalah struktur proton dalam kerangka diamnya. Namun, dalam percobaan tersebut, struktur proton pertama kali ditemukan dalam kondisi lain - di dalam terbang cepat proton.

Pada akhir tahun 1960-an, dalam percobaan tumbukan partikel pada akselerator, diketahui bahwa proton yang bergerak dengan kecepatan mendekati cahaya berperilaku seolah-olah energi di dalamnya tidak didistribusikan secara merata, tetapi terkonsentrasi pada objek padat individu. Fisikawan terkenal Richard Feynman mengusulkan untuk menyebut gumpalan materi di dalam proton parton(dari bahasa Inggris bagian - Bagian).

Eksperimen selanjutnya meneliti banyak sifat parton—misalnya, muatan listriknya, jumlahnya, dan fraksi energi proton yang dibawanya. Ternyata parton bermuatan adalah quark, dan parton netral adalah gluon. Ya, gluon yang sama, yang dalam kerangka diam proton hanya “melayani” quark, menarik mereka satu sama lain, kini menjadi parton independen dan, bersama dengan quark, membawa “materi” dan energi proton yang bergerak cepat. Eksperimen telah menunjukkan bahwa sekitar setengah energi disimpan di quark, dan setengahnya lagi di gluon.

Parton paling mudah dipelajari dalam tumbukan proton dengan elektron. Faktanya adalah, tidak seperti proton, elektron tidak berpartisipasi dalam interaksi nuklir kuat dan tumbukannya dengan proton terlihat sangat sederhana: elektron memancarkan foton maya dalam waktu yang sangat singkat, yang menabrak partikel bermuatan dan akhirnya menghasilkan a sejumlah besar partikel ( Gambar 2). Kita dapat mengatakan bahwa elektron adalah pisau bedah yang sangat baik untuk "membuka" proton dan membaginya menjadi beberapa bagian - namun, hanya untuk waktu yang sangat singkat. Mengetahui seberapa sering proses tersebut terjadi pada akselerator, seseorang dapat mengukur jumlah parton di dalam proton dan muatannya.

Siapa sebenarnya Parton?

Dan sekarang kita sampai pada penemuan luar biasa lainnya yang dibuat oleh fisikawan saat mempelajari tumbukan partikel elementer dengan energi tinggi.

Dalam kondisi normal, pertanyaan tentang apa yang terdiri dari suatu objek tertentu memiliki jawaban universal untuk semua sistem referensi. Misalnya, molekul air terdiri dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen - dan tidak masalah apakah kita sedang melihat molekul diam atau bergerak. Namun, aturan ini nampaknya begitu wajar! - dilanggar jika kita berbicara tentang partikel elementer yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Dalam satu kerangka acuan, sebuah partikel kompleks dapat terdiri dari satu kumpulan subpartikel, dan dalam kerangka acuan lain, subpartikel lainnya. Ternyata itu komposisi adalah konsep yang relatif!

Bagaimana ini bisa terjadi? Kuncinya di sini adalah satu sifat penting: jumlah partikel di dunia kita tidak tetap – partikel dapat lahir dan menghilang. Misalnya, jika Anda mendorong dua elektron dengan energi yang cukup tinggi, maka selain dua elektron ini, foton, pasangan elektron-positron, atau partikel lain dapat lahir. Semua ini diperbolehkan oleh hukum kuantum, dan inilah yang terjadi dalam eksperimen nyata.

Namun “hukum non-kekekalan” partikel ini berhasil jika terjadi tabrakan partikel. Bagaimana bisa proton yang sama dari sudut pandang berbeda terlihat seperti terdiri dari kumpulan partikel yang berbeda? Intinya adalah bahwa sebuah proton bukan hanya tiga quark yang disatukan. Ada medan gaya gluon di antara quark. Secara umum, medan gaya (seperti medan gravitasi atau listrik) adalah sejenis “entitas” material yang menembus ruang dan memungkinkan partikel memberikan pengaruh kuat satu sama lain. Dalam teori kuantum, medan juga terdiri dari partikel, meskipun partikel khusus - partikel virtual. Jumlah partikel ini tidak tetap; mereka terus-menerus “bertunas” dari quark dan diserap oleh quark lainnya.

Beristirahat Sebuah proton dapat diumpamakan sebagai tiga quark dengan gluon yang melompat di antara keduanya. Namun jika kita melihat proton yang sama dari kerangka acuan yang berbeda, seolah-olah dari jendela “kereta relativistik” yang lewat, kita akan melihat gambaran yang sama sekali berbeda. Gluon virtual yang merekatkan quark akan tampak kurang virtual dan “lebih nyata”. Tentu saja, mereka masih dilahirkan dan diserap oleh quark, tetapi pada saat yang sama mereka hidup sendiri selama beberapa waktu, terbang di samping quark, seperti partikel nyata. Apa yang tampak seperti medan gaya sederhana dalam satu kerangka acuan berubah menjadi aliran partikel di kerangka acuan lain! Perhatikan bahwa kita tidak menyentuh proton itu sendiri, tetapi hanya melihatnya dari kerangka acuan yang berbeda.

Lebih-lebih lagi. Semakin dekat kecepatan “kereta relativistik” kita dengan kecepatan cahaya, semakin menakjubkan gambaran yang akan kita lihat di dalam proton. Saat kita mendekati kecepatan cahaya, kita akan melihat bahwa semakin banyak gluon di dalam proton. Selain itu, mereka terkadang terpecah menjadi pasangan quark-antiquark, yang juga terbang berdekatan dan juga dianggap parton. Akibatnya, proton ultrarelativistik, yaitu proton yang bergerak relatif terhadap kita dengan kecepatan yang sangat mendekati kecepatan cahaya, muncul dalam bentuk awan quark, antiquark, dan gluon yang saling menembus yang terbang bersama dan tampak saling mendukung (Gbr. .

Seorang pembaca yang akrab dengan teori relativitas mungkin merasa khawatir. Semua fisika didasarkan pada prinsip bahwa setiap proses berlangsung dengan cara yang sama dalam semua kerangka acuan inersia. Tapi ternyata komposisi proton bergantung pada kerangka acuan kita mengamatinya?!

Ya, benar, tapi ini sama sekali tidak melanggar prinsip relativitas. Hasil proses fisika - misalnya, partikel mana dan berapa banyak yang dihasilkan akibat tumbukan - ternyata invarian, meskipun komposisi proton bergantung pada kerangka acuan.

Situasi ini, yang sekilas tidak biasa, tetapi memenuhi semua hukum fisika, diilustrasikan secara skematis pada Gambar 4. Gambar ini menunjukkan bagaimana tumbukan dua proton berenergi tinggi terlihat dalam kerangka acuan yang berbeda: dalam kerangka diam satu proton, di bingkai pusat massa, di bingkai istirahat proton lain. Interaksi antar proton dilakukan melalui rangkaian pembelahan gluon, tetapi hanya dalam satu kasus rangkaian ini dianggap sebagai “bagian dalam” dari satu proton, dalam kasus lain rangkaian ini dianggap sebagai bagian dari proton lain, dan dalam kasus ketiga, rangkaian ini hanyalah semacam benda yang dipertukarkan antara dua proton. Kaskade ini ada, nyata, tetapi bagian mana dari proses yang harus dikaitkan bergantung pada kerangka acuan.

Potret 3D proton

Semua hasil yang baru saja kita bicarakan didasarkan pada eksperimen yang dilakukan cukup lama - pada tahun 60-70an abad yang lalu. Tampaknya sejak itu segala sesuatunya harus dipelajari dan semua pertanyaan harus menemukan jawabannya. Tapi tidak - struktur proton masih menjadi salah satu topik paling menarik dalam fisika partikel. Selain itu, dalam beberapa tahun terakhir, minat terhadapnya kembali meningkat karena fisikawan telah menemukan cara untuk mendapatkan potret “tiga dimensi” dari proton yang bergerak cepat, yang ternyata jauh lebih sulit daripada potret proton yang diam.

Eksperimen klasik tentang tumbukan proton hanya menceritakan tentang jumlah parton dan distribusi energinya. Dalam eksperimen semacam itu, parton berpartisipasi sebagai objek independen, yang berarti tidak mungkin untuk mengetahui dari mereka bagaimana letak parton relatif satu sama lain, atau bagaimana tepatnya mereka berkumpul untuk membentuk proton. Kita dapat mengatakan bahwa untuk waktu yang lama hanya potret “satu dimensi” dari proton yang bergerak cepat yang tersedia bagi fisikawan.

Untuk membuat potret tiga dimensi proton yang nyata dan mengetahui distribusi parton di ruang angkasa, diperlukan eksperimen yang jauh lebih halus daripada yang mungkin dilakukan 40 tahun lalu. Fisikawan belajar melakukan eksperimen semacam itu baru-baru ini, secara harfiah dalam dekade terakhir. Mereka menyadari bahwa di antara sejumlah besar reaksi berbeda yang terjadi ketika elektron bertabrakan dengan proton, terdapat satu reaksi khusus - hamburan Compton virtual yang dalam, - yang dapat memberi tahu kita tentang struktur tiga dimensi proton.

Secara umum, hamburan Compton, atau efek Compton, adalah tumbukan elastis antara foton dengan partikel, misalnya proton. Tampilannya seperti ini: sebuah foton tiba, diserap oleh sebuah proton, yang mengalami keadaan tereksitasi untuk waktu yang singkat, dan kemudian kembali ke keadaan semula, memancarkan foton ke beberapa arah.

Hamburan Compton dari foton cahaya biasa tidak menghasilkan sesuatu yang menarik - ini hanyalah pantulan cahaya dari proton. Agar struktur internal proton “berperan” dan distribusi quark “terasa”, maka perlu menggunakan foton berenergi sangat tinggi - miliaran kali lebih banyak daripada cahaya biasa. Dan foton seperti itu - meskipun foton virtual - dengan mudah dihasilkan oleh elektron yang datang. Jika sekarang kita menggabungkan satu sama lain, kita mendapatkan hamburan Compton virtual dalam (Gbr. 5).

Ciri utama reaksi ini adalah tidak menghancurkan proton. Foton yang datang tidak hanya mengenai proton, tetapi seolah-olah merasakannya dengan hati-hati dan kemudian terbang menjauh. Arah terbangnya dan berapa banyak energi yang diambil proton bergantung pada struktur proton, pada susunan relatif parton di dalamnya. Oleh karena itu, dengan mempelajari proses ini, kita dapat mengembalikan tampilan tiga dimensi proton, seolah-olah “memahat pahatannya”.

Benar, hal ini sangat sulit dilakukan oleh fisikawan eksperimental. Proses yang diperlukan jarang terjadi, dan sulit untuk mendaftarkannya. Data eksperimen pertama tentang reaksi ini diperoleh hanya pada tahun 2001 di akselerator HERA di kompleks akselerator Jerman DESY di Hamburg; serangkaian data baru kini sedang diproses oleh para peneliti. Namun, saat ini, berdasarkan data pertama, para ahli teori menggambar distribusi tiga dimensi quark dan gluon dalam proton. Besaran fisika, yang sebelumnya hanya dijadikan asumsi oleh para fisikawan, akhirnya mulai “muncul” dari eksperimen tersebut.

Apakah ada penemuan tak terduga yang menanti kita di bidang ini? Kemungkinan besar ya. Sebagai ilustrasi, katakanlah pada bulan November 2008 sebuah artikel teoretis menarik muncul, yang menyatakan bahwa proton yang bergerak cepat seharusnya tidak terlihat seperti piringan datar, melainkan lensa bikonkaf. Hal ini terjadi karena parton yang berada di daerah tengah proton dikompresi lebih kuat dalam arah memanjang dibandingkan parton yang berada di tepinya. Akan sangat menarik untuk menguji prediksi teoretis ini secara eksperimental!

Mengapa semua ini menarik bagi para fisikawan?

Mengapa fisikawan perlu mengetahui secara pasti bagaimana materi didistribusikan di dalam proton dan neutron?

Pertama, hal ini diperlukan oleh logika perkembangan fisika. Ada banyak sistem yang luar biasa kompleks di dunia yang belum dapat diatasi sepenuhnya oleh fisika teoretis modern. Hadron adalah salah satu sistem tersebut. Dengan memahami struktur hadron, kita mengasah kemampuan fisika teoretis, yang mungkin bersifat universal dan, mungkin, akan membantu dalam sesuatu yang sama sekali berbeda, misalnya, dalam studi tentang superkonduktor atau bahan lain dengan sifat yang tidak biasa.

Kedua, ada manfaat langsung bagi fisika nuklir. Meskipun sejarah mempelajari inti atom telah berlangsung hampir satu abad, para ahli teori masih belum mengetahui hukum pasti interaksi antara proton dan neutron.

Mereka sebagian harus menebak hukum ini berdasarkan data eksperimen, dan sebagian lagi membangunnya berdasarkan pengetahuan tentang struktur nukleon. Di sinilah data baru tentang struktur tiga dimensi nukleon akan membantu.

Ketiga, beberapa tahun yang lalu fisikawan mampu memperoleh tidak kurang dari keadaan agregat materi yang baru - plasma quark-gluon. Dalam keadaan ini, quark tidak berada di dalam proton dan neutron individual, namun berjalan bebas di seluruh gumpalan materi nuklir. Hal ini dapat dicapai, misalnya, seperti ini: inti atom berat dipercepat dalam akselerator hingga kecepatan yang sangat mendekati kecepatan cahaya, dan kemudian bertabrakan secara langsung. Dalam tumbukan ini, suhu triliunan derajat muncul dalam waktu yang sangat singkat, yang meleburkan inti menjadi plasma kuark-gluon. Jadi, ternyata perhitungan teoritis peleburan nuklir ini membutuhkan pengetahuan yang baik tentang struktur tiga dimensi nukleon.

Terakhir, data ini sangat diperlukan untuk astrofisika. Ketika bintang-bintang berat meledak di akhir masa hidupnya, mereka sering kali meninggalkan benda-benda yang sangat kompak - bintang neutron dan mungkin bintang kuark. Inti bintang-bintang ini seluruhnya terdiri dari neutron, dan bahkan mungkin plasma quark-gluon dingin. Bintang-bintang seperti itu telah lama ditemukan, tetapi orang hanya bisa menebak apa yang terjadi di dalamnya. Jadi pemahaman yang baik tentang distribusi quark dapat membawa kemajuan dalam astrofisika.

Semua partikel dasar lima huruf tercantum di bawah ini. Penjelasan singkat diberikan untuk setiap definisi.

Jika Anda memiliki sesuatu untuk ditambahkan, maka di bawah ini adalah formulir komentar yang siap melayani Anda, di mana Anda dapat mengungkapkan pendapat atau menambahkan artikel.

Daftar partikel elementer

Foton

Ini adalah kuantum radiasi elektromagnetik, misalnya cahaya. Cahaya, pada gilirannya, adalah fenomena yang terdiri dari aliran cahaya. Foton adalah partikel elementer. Sebuah foton memiliki muatan netral dan massa nol. Putaran foton sama dengan kesatuan. Foton membawa interaksi elektromagnetik antara partikel bermuatan. Istilah foton berasal dari bahasa Yunani phos yang berarti cahaya.

telepon

Ini adalah kuasipartikel, kuantum getaran elastis dan perpindahan atom dan molekul kisi kristal dari posisi setimbang. Dalam kisi kristal, atom dan molekul terus berinteraksi, berbagi energi satu sama lain. Dalam hal ini, hampir tidak mungkin untuk mempelajari fenomena yang serupa dengan getaran atom individu di dalamnya. Oleh karena itu, getaran acak atom biasanya dianggap berdasarkan jenis perambatan gelombang suara di dalam kisi kristal. Kuanta gelombang ini adalah fonon. Istilah fonon berasal dari bahasa Yunani telepon - suara.

Phazon

Fason fluktuasi adalah kuasipartikel, yang merupakan eksitasi dalam paduan atau sistem heterofasa lainnya, membentuk sumur potensial (daerah feromagnetik) di sekitar partikel bermuatan, misalnya elektron, dan menangkapnya.

Roton

Ini adalah kuasipartikel yang berhubungan dengan eksitasi dasar dalam helium superfluida, di wilayah impuls tinggi, terkait dengan terjadinya gerakan pusaran dalam cairan superfluida. Roton, diterjemahkan dari bahasa Latin berarti - berputar, berputar. Roton muncul pada suhu lebih besar dari 0,6 K dan menentukan sifat kapasitas panas yang bergantung pada suhu secara eksponensial, seperti entropi kepadatan normal dan lain-lain.

Meson

Ini adalah partikel non-elemen yang tidak stabil. Meson adalah elektron berat dalam sinar kosmik.
Massa meson lebih besar dari massa elektron dan lebih kecil dari massa proton.

Meson memiliki jumlah quark dan antiquark yang genap. Meson termasuk Pion, Kaon dan meson berat lainnya.

kuark

Ini adalah partikel dasar materi, tetapi sejauh ini hanya secara hipotetis. Quark biasanya disebut enam partikel dan antipartikelnya (antiquark), yang selanjutnya membentuk sekelompok partikel elementer khusus hadron.

Dipercaya bahwa partikel yang terlibat dalam interaksi kuat, seperti proton, neuron, dan beberapa lainnya, terdiri dari quark yang terhubung erat satu sama lain. Quark selalu ada dalam kombinasi yang berbeda. Ada teori bahwa quark bisa ada dalam bentuk bebas pada saat-saat pertama setelah Big Bang.

Gluon

Partikel dasar. Menurut salah satu teori, gluon tampaknya merekatkan quark, yang kemudian membentuk partikel seperti proton dan neuron. Secara umum, gluon merupakan partikel terkecil pembentuk materi.

Boson

Kuasipartikel Boson atau Partikel Bose. Boson mempunyai putaran nol atau bilangan bulat. Nama tersebut diberikan untuk menghormati fisikawan Shatyendranath Bose. Boson berbeda karena jumlahnya yang tidak terbatas dapat memiliki keadaan kuantum yang sama.

Hadron

Hadron adalah partikel elementer yang tidak benar-benar elementer. Terdiri dari quark, antiquark dan gluon. Hadron tidak memiliki muatan warna dan berpartisipasi dalam interaksi kuat, termasuk interaksi nuklir. Istilah hadron, dari bahasa Yunani adros, berarti besar, masif.

Pada artikel ini Anda akan menemukan informasi tentang proton, sebagai partikel elementer yang membentuk dasar alam semesta beserta unsur-unsur lainnya, yang digunakan dalam kimia dan fisika. Sifat-sifat proton, karakteristik kimia dan stabilitasnya akan ditentukan.

Apa itu proton

Proton adalah salah satu perwakilan partikel elementer, yang diklasifikasikan sebagai baryon, misalnya. di mana fermion berinteraksi kuat, dan partikel itu sendiri terdiri dari 3 quark. Proton adalah partikel stabil dan memiliki momentum pribadi - spin ½. Sebutan fisik untuk proton adalah P(atau P +)

Proton adalah partikel elementer yang mengambil bagian dalam proses tipe termonuklir. Jenis reaksi inilah yang pada dasarnya merupakan sumber energi utama yang dihasilkan oleh bintang-bintang di seluruh alam semesta. Hampir seluruh energi yang dilepaskan Matahari hanya ada karena penggabungan 4 proton menjadi satu inti helium dengan terbentuknya satu neutron dari dua proton.

Sifat-sifat yang melekat pada proton

Proton adalah salah satu perwakilan baryon. Itu adalah fakta. Muatan dan massa proton adalah besaran tetap. Proton bermuatan listrik +1, dan massanya ditentukan dalam berbagai satuan pengukuran dan dalam MeV 938.272 0813(58), dalam kilogram proton beratnya dalam angka 1.672 621 898(21) 10 −27 kg, dalam satuan massa atom berat proton adalah 1,007 276 466 879(91) a. e.m., dan jika dibandingkan dengan massa elektron, proton memiliki berat 1836.152 673 89 (17) jika dibandingkan dengan elektron.

Proton, yang definisinya telah diberikan di atas, dari sudut pandang fisika, adalah partikel elementer dengan proyeksi isospin +½, dan fisika nuklir memandang partikel ini dengan tanda yang berlawanan. Proton itu sendiri adalah sebuah nukleon, dan terdiri dari 3 quark (dua u quark dan satu d quark).

Struktur proton dipelajari secara eksperimental oleh fisikawan nuklir dari Amerika Serikat - Robert Hofstadter. Untuk mencapai tujuan ini, fisikawan tersebut membenturkan proton dengan elektron berenergi tinggi, dan dianugerahi Hadiah Nobel Fisika atas uraiannya.

Proton mengandung inti (inti berat) yang mengandung sekitar tiga puluh lima persen energi muatan listrik proton dan mempunyai kepadatan yang cukup tinggi. Cangkang yang mengelilingi inti relatif kosong. Cangkangnya sebagian besar terdiri dari meson virtual tipe dan p dan membawa sekitar lima puluh persen potensial listrik proton dan terletak pada jarak sekitar 0,25 * 10 13 hingga 1,4 * 10 13 . Lebih jauh lagi, pada jarak sekitar 2,5 * 10 13 sentimeter, cangkangnya terdiri dari dan w meson maya dan mengandung kira-kira lima belas persen sisa muatan listrik proton.

Stabilitas dan Stabilitas Proton

Dalam keadaan bebas, proton tidak menunjukkan tanda-tanda peluruhan, yang menunjukkan kestabilannya. Keadaan stabil proton, sebagai perwakilan baryon yang paling ringan, ditentukan oleh hukum kekekalan jumlah baryon. Tanpa melanggar hukum SBC, proton mampu meluruh menjadi neutrino, positron, dan partikel elementer lain yang lebih ringan.

Proton inti atom mempunyai kemampuan menangkap jenis elektron tertentu yang mempunyai kulit atom K, L, M. Sebuah proton, setelah menyelesaikan penangkapan elektron, berubah menjadi neutron dan sebagai hasilnya melepaskan neutrino, dan “lubang” yang terbentuk sebagai hasil penangkapan elektron diisi dengan elektron dari atas lapisan atom di bawahnya.

Dalam kerangka acuan non-inersia, proton harus memperoleh masa hidup terbatas yang dapat dihitung; hal ini disebabkan oleh efek Unruh (radiasi), yang dalam teori medan kuantum memprediksi kemungkinan kontemplasi radiasi termal dalam kerangka acuan yang dipercepat dalam kerangka acuan tersebut. tidak adanya radiasi jenis ini. Jadi, sebuah proton, jika masa hidupnya terbatas, dapat mengalami peluruhan beta menjadi positron, neutron, atau neutrino, meskipun proses peluruhan tersebut sendiri dilarang oleh ZSE.

Penggunaan proton dalam kimia

Proton adalah atom H yang dibangun dari satu proton dan tidak memiliki elektron, jadi dalam pengertian kimia, proton adalah salah satu inti atom H. Sebuah neutron yang berpasangan dengan proton menciptakan inti atom. Dalam PTCE Dmitry Ivanovich Mendeleev, nomor unsur menunjukkan jumlah proton dalam atom suatu unsur tertentu, dan nomor unsur ditentukan oleh muatan atom.

Kation hidrogen merupakan akseptor elektron yang sangat kuat. Dalam kimia, proton diperoleh terutama dari asam organik dan mineral. Ionisasi adalah metode menghasilkan proton dalam fase gas.

• Terjemahan

Beras. 1: atom hidrogen. Bukan untuk mengukur.

Anda tahu bahwa Large Hadron Collider pada dasarnya menghancurkan proton satu sama lain. Tapi apa itu proton?

Pertama-tama, ini adalah kekacauan yang parah dan total. Seburuk dan semrawutnya atom hidrogen itu sederhana dan anggun.

Tapi lalu apa itu atom hidrogen?

Ini adalah contoh paling sederhana dari apa yang oleh fisikawan disebut sebagai “keadaan terikat”. Yang dimaksud dengan “negara” pada hakikatnya adalah sesuatu yang sudah ada sejak lama, dan “terhubung” berarti komponen-komponennya saling terhubung satu sama lain, seperti pasangan suami istri dalam suatu perkawinan. Faktanya, contoh pasangan suami istri yang salah satu pasangannya jauh lebih berat dibandingkan pasangan lainnya sangat cocok di sini. Proton berada di tengah, hampir tidak bergerak, dan di tepi benda terdapat elektron yang bergerak, bergerak lebih cepat dari Anda dan saya, namun jauh lebih lambat dari kecepatan cahaya, batas kecepatan universal. Gambaran damai dari idyll pernikahan.

Atau kelihatannya seperti itu sampai kita melihat ke dalam proton itu sendiri. Bagian dalam proton itu sendiri lebih mirip sebuah komune, tempat banyak orang dewasa lajang dan anak-anak berkumpul secara padat: kekacauan murni. Ini juga merupakan keadaan terikat, tetapi tidak menghubungkan sesuatu yang sederhana, seperti proton dengan elektron, seperti pada hidrogen, atau setidaknya beberapa lusin elektron dengan inti atom, seperti pada atom yang lebih kompleks seperti emas - tetapi tak terhitung jumlahnya ( artinya, jumlahnya terlalu banyak dan berubah terlalu cepat untuk dihitung secara praktis) partikel ringan yang disebut quark, antiquark, dan gluon. Tidak mungkin untuk sekadar menggambarkan struktur proton, untuk membuat gambar sederhana - ini sangat tidak terorganisir. Semua quark, gluon, antiquark bergerak ke dalam dengan kecepatan maksimum yang mungkin, hampir dengan kecepatan cahaya.

Beras. 2: Gambar proton. Bayangkan semua quark (atas, bawah, aneh - u,d,s), antiquark (u,d,s dengan tanda hubung), dan gluon (g) berlari bolak-balik hampir dengan kecepatan cahaya, bertabrakan satu sama lain lainnya, muncul dan menghilang

Anda mungkin pernah mendengar bahwa proton terdiri dari tiga quark. Namun ini adalah sebuah kebohongan – demi kebaikan yang lebih besar, namun tetap saja hal ini cukup besar. Faktanya, ada banyak sekali gluon, antiquark, dan quark dalam sebuah proton. Singkatan standar "sebuah proton terdiri dari dua quark atas dan satu quark bawah" hanya mengatakan bahwa sebuah proton memiliki dua quark atas lebih banyak daripada quark atas dan satu quark bawah lebih banyak daripada quark bawah. Agar pengurangan ini menjadi kenyataan, perlu ditambahkan “dan pasangan gluon dan quark-antiquark yang tak terhitung jumlahnya.” Tanpa frasa ini, gagasan tentang proton akan sangat disederhanakan sehingga mustahil untuk memahami cara kerja LHC.

Beras. 3: Kebohongan Putih Kecil dalam Gambar Wikipedia Stereotip

Secara umum, atom dibandingkan dengan proton ibarat pas de deux dalam balet yang rumit dibandingkan dengan disko yang dipenuhi remaja mabuk yang melompat-lompat dan melambai ke arah DJ.

Inilah sebabnya jika Anda seorang ahli teori yang mencoba memahami apa yang akan dilihat LHC dalam tumbukan proton, Anda akan mengalami kesulitan. Sangat sulit untuk memprediksi akibat tumbukan antar benda jika tidak dapat dijelaskan secara sederhana. Namun untungnya, sejak tahun 1970an, berdasarkan gagasan Bjorken di tahun 60an, fisikawan teoretis telah menemukan teknologi yang relatif sederhana dan berfungsi. Namun masih berfungsi sampai batas tertentu, dengan akurasi sekitar 10%. Karena alasan ini dan beberapa alasan lainnya, keandalan perhitungan kami di LHC selalu terbatas.

Hal lain tentang proton adalah ukurannya yang kecil. Sangat kecil. Jika Anda meledakkan atom hidrogen seukuran kamar tidur Anda, protonnya akan menjadi seukuran sebutir debu yang sangat kecil sehingga akan sangat sulit untuk diperhatikan. Justru karena proton sangat kecil sehingga kita dapat mengabaikan kekacauan yang terjadi di dalamnya, dan menggambarkan atom hidrogen sebagai atom yang sederhana. Lebih tepatnya, ukuran proton 100.000 kali lebih kecil dari ukuran atom hidrogen.

Sebagai perbandingan, ukuran Matahari hanya 3000 kali lebih kecil dari ukuran Tata Surya (diukur dari orbit Neptunus). Benar - atom lebih kosong daripada tata surya! Ingatlah ini ketika Anda melihat langit di malam hari.

Namun Anda mungkin bertanya, “Tunggu sebentar! Apakah Anda mengatakan bahwa Large Hadron Collider menabrakkan proton yang 100.000 kali lebih kecil dari atom? Bagaimana ini mungkin?

Pertanyaan bagus.

Tabrakan proton versus tumbukan kecil quark, gluon, dan antiquark

Tumbukan proton pada LHC terjadi dengan energi tertentu. Itu adalah 7 TeV = 7000 GeV pada tahun 2011, dan 8 TeV = 8000 GeV pada tahun 2012. Namun fisikawan partikel terutama tertarik pada tumbukan quark dari satu proton dengan antiquark dari proton lain, atau tumbukan dua gluon, dan seterusnya. – sesuatu yang dapat menyebabkan munculnya fenomena fisik yang benar-benar baru. Tumbukan kecil ini membawa sebagian kecil dari total energi tumbukan proton. Berapa banyak energi yang dapat dibawanya, dan mengapa energi tumbukan perlu ditingkatkan dari 7 TeV menjadi 8 TeV?

Jawabannya ada pada Gambar. 4. Grafik menunjukkan jumlah tumbukan yang terdeteksi oleh detektor ATLAS. Data dari musim panas tahun 2011 melibatkan hamburan quark, antiquark, dan gluon dari quark, antiquark, dan gluon lainnya. Tabrakan kecil seperti itu paling sering menghasilkan dua pancaran (pancaran hadron, manifestasi quark, gluon, atau antiquark berenergi tinggi yang tersingkir dari proton induknya). Energi dan arah jet diukur, dan dari data ini jumlah energi yang seharusnya terlibat dalam tabrakan kecil ditentukan. Grafik menunjukkan jumlah tumbukan kecil jenis ini sebagai fungsi energi. Sumbu vertikal adalah logaritmik - setiap garis menunjukkan peningkatan kuantitas sebanyak 10 kali (10 n menunjukkan 1 dan n nol setelahnya). Misalnya, jumlah tumbukan kecil yang diamati pada interval energi 1550 hingga 1650 GeV adalah sekitar 10 3 = 1000 (ditandai dengan garis biru). Perhatikan bahwa grafiknya dimulai pada 750 GeV, namun jumlah tabrakan kecil terus meningkat seiring Anda mempelajari pancaran energi yang lebih rendah, hingga pada titik di mana pancaran tersebut menjadi terlalu lemah untuk dideteksi.

Beras. 4: jumlah tumbukan sebagai fungsi energi (m jj)

Anggaplah jumlah total tumbukan proton-proton dengan energi 7 TeV = 7000 GeV mendekati 100.000.000.000.000. Dan dari semua tumbukan ini, hanya dua tumbukan kecil yang melebihi 3.500 GeV - setengah energi tumbukan proton. Secara teoritis, energi tabrakan kecil dapat meningkat hingga 7000 GeV, namun kemungkinannya terus menurun. Kami sangat jarang melihat tabrakan kecil sebesar 6000 GeV sehingga kecil kemungkinan kami akan melihat 7000 GeV meskipun kami mengumpulkan data 100 kali lebih banyak.

Apa keuntungan peningkatan energi tumbukan dari 7 TeV pada tahun 2010-2011 menjadi 8 TeV pada tahun 2012? Tentu saja, apa yang dapat Anda lakukan pada tingkat energi E, kini dapat Anda lakukan pada tingkat energi 8/7 E ≈ 1,14 E. Jadi, jika sebelumnya Anda dapat berharap untuk melihat begitu banyak data tanda-tanda jenis partikel hipotetis tertentu dengan bermassa 1000 GeV/c 2, maka kita sekarang dapat berharap untuk mencapai setidaknya 1100 GeV/c 2 dengan kumpulan data yang sama. Kemampuan mesin meningkat - Anda dapat mencari partikel dengan massa sedikit lebih besar. Dan jika Anda mengumpulkan data tiga kali lebih banyak pada tahun 2012 dibandingkan tahun 2011, Anda akan mendapatkan lebih banyak tumbukan untuk setiap tingkat energi, dan Anda akan dapat melihat ciri-ciri partikel hipotetis dengan massa, katakanlah, 1200 GeV/s 2 .

Tapi itu belum semuanya. Lihatlah garis biru dan hijau pada Gambar. 4: mereka menunjukkan bahwa mereka terjadi pada energi urutan 1400 dan 1600 GeV - sehingga mereka berkorelasi satu sama lain seperti 7 hingga 8. Pada tingkat energi tumbukan proton 7 TeV, jumlah tumbukan mini quark dengan quark , quark dengan gluon, dll. P. dengan energi 1400 GeV lebih dari dua kali lipat jumlah tumbukan dengan energi 1600 GeV. Namun ketika mesin meningkatkan energi sebesar 8/7, apa yang bekerja pada 1400 mulai bekerja pada 1600. Dengan kata lain, jika Anda tertarik pada tumbukan kecil energi tetap, jumlahnya meningkat - dan lebih dari peningkatan 14%. dalam energi tumbukan proton! Ini berarti bahwa untuk proses apa pun dengan energi yang lebih disukai, misalnya kemunculan partikel ringan Higgs, yang terjadi pada energi sekitar 100-200 GeV, Anda mendapatkan hasil lebih banyak dengan biaya yang sama. Naik dari 7 ke 8 TeV berarti jumlah tumbukan proton yang sama menghasilkan lebih banyak partikel Higgs. Produksi partikel Higgs akan meningkat sekitar 1,5. Jumlah up quark dan jenis partikel hipotetis tertentu akan meningkat sedikit lebih banyak.

Artinya, meskipun jumlah tumbukan proton pada tahun 2012 3 kali lebih tinggi dibandingkan tahun 2011, jumlah partikel Higgs yang dihasilkan akan meningkat hampir 4 kali lipat hanya karena peningkatan energi.

Omong-omong, gambar. Gambar 4 juga membuktikan bahwa proton tidak hanya terdiri dari dua quark atas dan satu quark bawah, seperti yang digambarkan pada gambar seperti Gambar. 3. Jika ya, maka quark harus mentransfer sekitar sepertiga energi proton, dan sebagian besar tumbukan kecil akan terjadi pada energi sekitar sepertiga energi tumbukan proton: sekitar 2300 GeV. Namun grafik menunjukkan bahwa tidak ada hal istimewa yang terjadi di wilayah 2300 GeV. Pada energi di bawah 2300 GeV, lebih banyak tumbukan yang terjadi, dan semakin rendah Anda pergi, semakin banyak tumbukan yang Anda lihat. Hal ini karena proton mengandung sejumlah besar gluon, quark, dan antiquark, yang masing-masing mentransfer sebagian kecil energi proton, namun jumlahnya sangat banyak sehingga ikut serta dalam sejumlah besar tabrakan kecil. Properti proton ini ditunjukkan pada Gambar. 2 – meskipun pada kenyataannya jumlah gluon berenergi rendah dan pasangan quark-antiquark jauh lebih besar daripada yang ditunjukkan pada gambar.

Namun yang tidak diperlihatkan grafik tersebut adalah pecahan yang, dalam tumbukan kecil dengan energi tertentu, jatuh pada tumbukan quark dengan quark, quark dengan gluon, gluon dengan gluon, quark dengan antiquark, dll. Faktanya, hal ini tidak dapat dikatakan secara langsung dari eksperimen di LHC—pancaran dari quark, antiquark, dan gluon terlihat sama. Cara kita mengetahui bagian-bagian ini adalah cerita yang kompleks, yang melibatkan banyak eksperimen berbeda di masa lalu dan teori yang menggabungkannya. Dan dari sini kita tahu bahwa tabrakan kecil berenergi tertinggi biasanya terjadi antara quark dan quark, serta antara quark dan gluon. Tumbukan berenergi rendah biasanya terjadi antar gluon. Tabrakan antara quark dan antiquark relatif jarang terjadi, namun sangat penting untuk proses fisik tertentu.

Distribusi partikel di dalam proton

Beras. 5

Dua grafik, yang berbeda skala sumbu vertikalnya, menunjukkan probabilitas relatif tumbukan dengan gluon, quark atas atau bawah, atau antiquark yang membawa sebagian kecil energi proton sama dengan x. Pada x kecil, gluon mendominasi (dan quark serta antiquark memiliki kemungkinan dan jumlah yang sama, meskipun jumlahnya masih lebih sedikit daripada gluon), dan pada x sedang, quark mendominasi (walaupun jumlahnya menjadi sangat sedikit).

Kedua grafik tersebut menunjukkan hal yang sama, hanya saja pada skala yang berbeda, sehingga apa yang sulit dilihat pada salah satu grafik lebih mudah dilihat pada grafik lainnya. Apa yang mereka tunjukkan adalah ini: jika berkas proton mengenai Anda di Large Hadron Collider, dan Anda menabrak sesuatu di dalam proton, seberapa besar kemungkinan Anda akan menabrak quark atas, atau quark bawah, atau gluon, atau quark bawah. up antiquark, atau down quark? antiquark yang membawa sebagian kecil energi proton sama dengan x? Dari grafik tersebut dapat disimpulkan bahwa:

Dari kenyataan bahwa semua kurva tumbuh sangat cepat pada x kecil (terlihat pada grafik bawah), maka sebagian besar partikel dalam proton mentransfer kurang dari 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.
Karena kurva kuning (di bawah) jauh lebih tinggi dibandingkan kurva lainnya, maka jika Anda menemukan sesuatu yang membawa kurang dari 10% energi proton, kemungkinan besar itu adalah gluon; dan jika energi protonnya berada di bawah 2%, kemungkinan besar ia adalah quark atau antiquark.
Karena kurva gluon (atas) turun di bawah kurva quark seiring bertambahnya x, maka jika Anda menemukan sesuatu yang membawa lebih dari 20% (x > 0,2) energi proton - yang sangat, sangat jarang - kemungkinan besar adalah a quark, dan kemungkinan bahwa itu adalah quark atas adalah dua kali lebih besar kemungkinannya bahwa itu adalah quark bawah. Ini adalah sisa dari gagasan bahwa “sebuah proton adalah dua kuark atas dan satu kuark bawah”.
Semua kurva turun tajam seiring bertambahnya x; Sangat kecil kemungkinannya Anda akan menemukan sesuatu yang membawa lebih dari 50% energi proton.

Pengamatan ini secara tidak langsung tercermin dalam grafik pada Gambar. 4. Berikut adalah beberapa hal yang tidak jelas tentang kedua grafik tersebut:
Sebagian besar energi proton terbagi (hampir sama) antara sejumlah kecil quark berenergi tinggi dan sejumlah besar gluon berenergi rendah.
Di antara partikel-partikel tersebut, gluon berenergi rendah mendominasi jumlahnya, diikuti oleh quark dan antiquark dengan energi sangat rendah.

Jumlah quark dan antiquark sangat banyak, tetapi: jumlah quark atas dikurangi jumlah antiquark atas adalah dua, dan jumlah quark bawah dikurangi jumlah antiquark bawah adalah satu. Seperti yang kita lihat di atas, quark ekstra membawa sebagian besar (tetapi bukan sebagian besar) energi proton yang terbang ke arah Anda. Dan hanya dalam pengertian ini kita dapat mengatakan bahwa proton pada dasarnya terdiri dari dua quark atas dan satu quark bawah.

Omong-omong, semua informasi ini diperoleh dari kombinasi eksperimen yang menarik (terutama tentang hamburan elektron atau neutrino dari proton atau dari inti atom hidrogen berat - deuterium, yang mengandung satu proton dan satu neutron), disatukan menggunakan persamaan terperinci menggambarkan interaksi elektromagnetik, nuklir kuat dan nuklir lemah. Kisah panjang ini dimulai pada akhir tahun 1960an dan awal tahun 1970an. Dan ini berfungsi dengan baik untuk memprediksi fenomena yang diamati dalam penumbuk di mana proton bertabrakan dengan proton dan proton dengan antiproton, seperti Tevatron dan LHC.

Bukti lain tentang struktur kompleks proton

Mari kita lihat beberapa data yang diperoleh di LHC dan bagaimana data tersebut mendukung klaim tentang struktur proton (walaupun pemahaman terkini tentang proton sudah ada sejak 3-4 dekade lalu, berkat banyak eksperimen).

Grafik pada Gambar. Gambar 4 diperoleh dari pengamatan tumbukan yang terjadi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. 6: quark atau antiquark atau gluon dari satu proton bertabrakan dengan quark atau antiquark atau gluon dari proton lain, berhamburan darinya (atau terjadi sesuatu yang lebih kompleks - misalnya, dua gluon bertabrakan dan berubah menjadi quark dan antiquark), menghasilkan dalam dua partikel (quark, antiquark atau gluon) terbang menjauh dari titik tumbukan. Kedua partikel ini berubah menjadi jet (jet hadron). Energi dan arah pancaran diamati pada detektor partikel di sekitar titik tumbukan. Informasi ini digunakan untuk memahami berapa banyak energi yang terkandung dalam tumbukan dua quark/gluon/antiquark asli. Lebih tepatnya, massa invarian kedua jet, dikalikan dengan c 2, menghasilkan energi tumbukan dua quark/gluon/antiquark awal.

Beras. 6

Jumlah tumbukan jenis ini tergantung pada energinya ditunjukkan pada Gambar. 4. Fakta bahwa pada energi rendah jumlah tumbukan jauh lebih besar dibuktikan oleh fakta bahwa sebagian besar partikel di dalam proton hanya mentransfer sebagian kecil energinya. Data dimulai pada energi 750 GeV.

Beras. 7: Data untuk energi yang lebih rendah diambil dari kumpulan data yang lebih kecil. Massa dijet – sama dengan m jj pada Gambar. 4.

Data untuk Gambar. 7 diambil dari eksperimen CMS tahun 2010, yang memplot tumbukan daging hingga energi 220 GeV. Grafik di sini bukanlah jumlah tumbukan, tetapi sedikit lebih rumit: jumlah tumbukan per GeV, yaitu jumlah tumbukan dibagi lebar kolom histogram. Dapat dilihat bahwa efek yang sama terus terjadi pada seluruh rentang data. Tabrakan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, lebih banyak terjadi pada energi rendah dibandingkan pada energi tinggi. Dan jumlah ini terus bertambah hingga tidak mungkin lagi membedakan jet-jet tersebut. Sebuah proton mengandung banyak partikel berenergi rendah, dan hanya sedikit di antaranya yang membawa sebagian besar energinya.

Bagaimana dengan keberadaan antiquark di dalam proton? Tiga proses paling menarik yang tidak mirip dengan tumbukan yang digambarkan pada Gambar. 6, terkadang terjadi di LHC (dalam salah satu dari beberapa juta tumbukan proton-proton) melibatkan proses:

Quark + antiquark -> partikel W + , W - atau Z.

Mereka ditunjukkan pada Gambar. 8.

Beras. 8

Data yang sesuai dari CMS diberikan pada Gambar. 9 dan 10. Gambar. Gambar 9 menunjukkan bahwa jumlah tumbukan yang menghasilkan elektron atau positron (kiri) dan sesuatu yang tidak terdeteksi (mungkin neutrino atau antineutrino), atau muon dan antimuon (kanan), diprediksi dengan benar. Prediksi dibuat dengan menggabungkan Model Standar (persamaan yang memprediksi perilaku partikel elementer yang diketahui) dan struktur proton. Puncak besar pada data disebabkan oleh kemunculan partikel W dan Z. Teori ini sangat cocok dengan data.

Beras. 9: titik hitam – data, kuning – prediksi. Jumlah kejadian ditunjukkan dalam ribuan. Kiri: Puncak tengah disebabkan oleh neutrino dalam partikel W. Di sebelah kanan, lepton dan antilepton yang dihasilkan dalam tumbukan digabungkan dan massa partikel asal mereka tersirat. Puncak tersebut muncul karena adanya partikel Z yang dihasilkan.

Lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar. 10, yang menunjukkan bahwa teori tersebut, dalam hal jumlah tidak hanya pengukuran ini, tetapi juga banyak pengukuran terkait - yang sebagian besar terkait dengan tumbukan quark dengan antiquark - sangat cocok dengan data. Data (titik merah) dan teori (batang biru) tidak pernah sama persis karena fluktuasi statistik, sama seperti jika Anda melempar koin sepuluh kali, Anda belum tentu mendapatkan lima kepala dan lima ekor. Oleh karena itu, titik data ditempatkan di dalam “bilah kesalahan”, garis merah vertikal. Ukuran pita sedemikian rupa sehingga untuk 30% pengukuran, pita kesalahan harus berbatasan dengan teori, dan hanya untuk 5% pengukuran, pita kesalahan harus berjarak dua pita dari teori. Terlihat bahwa semua bukti menegaskan bahwa proton mengandung banyak barang antik. Dan kita memahami dengan tepat jumlah barang antik yang membawa sebagian kecil energi proton.

Beras. 10

Maka semuanya menjadi sedikit lebih rumit. Kita bahkan mengetahui berapa banyak quark atas dan bawah yang kita miliki bergantung pada energi yang dibawanya, karena kita memprediksi dengan tepat - dengan kesalahan kurang dari 10% - berapa lebih banyak partikel W+ yang kita peroleh daripada partikel W (Gbr. 11).

Beras. sebelas

Rasio antiquark atas dan quark bawah harus mendekati 1, tetapi quark atas harus lebih banyak daripada quark bawah, terutama pada energi tinggi. Pada Gambar. 6 kita dapat melihat bahwa rasio partikel W + dan W - yang dihasilkan kira-kira memberikan kita rasio kuark atas dan kuark bawah yang terlibat dalam produksi partikel W. Namun pada Gambar. Gambar 11 menunjukkan bahwa rasio terukur partikel W + terhadap W - adalah 3 banding 2, bukan 2 banding 1. Hal ini juga menunjukkan bahwa gagasan naif tentang proton yang terdiri dari dua quark atas dan satu quark bawah terlalu sederhana. Rasio 2 banding 1 yang disederhanakan menjadi kabur, karena sebuah proton mengandung banyak pasangan quark-antiquark, yang pasangan atas dan bawahnya kira-kira sama. Derajat keburaman ditentukan oleh massa partikel W sebesar 80 GeV. Jika Anda membuatnya lebih ringan, keburaman akan lebih besar, dan jika lebih berat, keburaman akan berkurang, karena sebagian besar pasangan quark-antiquark dalam proton membawa sedikit energi.

Terakhir, mari kita pastikan fakta bahwa sebagian besar partikel proton adalah gluon.

Beras. 12

Untuk melakukan ini, kita akan menggunakan fakta bahwa quark teratas dapat dibuat dengan dua cara: quark + antiquark -> top quark + top antiquark, atau gluon + gluon -> top quark + top antiquark (Gbr. 12). Kita mengetahui jumlah quark dan antiquark bergantung pada energi yang dibawanya berdasarkan pengukuran yang diilustrasikan pada Gambar. 9-11. Dari sini, kita dapat menggunakan persamaan Model Standar untuk memprediksi berapa banyak quark teratas yang akan dihasilkan dari tumbukan quark dan antiquark saja. Kami juga percaya, berdasarkan data sebelumnya, bahwa terdapat lebih banyak gluon dalam sebuah proton, sehingga proses gluon + gluon -> top quark + top antiquark harus terjadi setidaknya 5 kali lebih sering. Sangat mudah untuk memeriksa apakah ada gluon di sana; jika tidak, datanya pasti berada jauh di bawah prediksi teoritis.
gluon Tambahkan tag