Particule elementare. Particule elementare Alte dovezi ale structurii complexe a protonului

Studiind structura materiei, fizicienii au aflat din ce sunt alcătuiți atomii, au ajuns la nucleul atomic și l-au împărțit în protoni și neutroni. Toți acești pași au fost făcuți destul de ușor - trebuia doar să accelerați particulele până la energia necesară, să le împingeți unul împotriva celuilalt, iar apoi ele însele se destramau în părțile lor componente.

Dar cu protoni și neutroni acest truc nu a mai funcționat. Deși sunt particule compozite, ele nu pot fi „fărâmate în bucăți” chiar și în cea mai violentă coliziune. Prin urmare, fizicienilor le-au luat zeci de ani pentru a găsi moduri diferite de a privi în interiorul protonului, de a-i vedea structura și forma. Astăzi, studiul structurii protonului este una dintre cele mai active domenii ale fizicii particulelor.

Natura dă indicii

Istoria studierii structurii protonilor și neutronilor datează din anii 1930. Când, pe lângă protoni, au fost descoperiți neutroni (1932), după ce le-au măsurat masa, fizicienii au fost surprinși să descopere că era foarte aproape de masa unui proton. Mai mult, s-a dovedit că protonii și neutronii „simt” interacțiunea nucleară exact în același mod. Atât de identice încât, din punctul de vedere al forțelor nucleare, un proton și un neutron pot fi considerate două manifestări ale aceleiași particule - un nucleon: un proton este un nucleon încărcat electric, iar un neutron este un nucleon neutru. Schimbați protonii cu neutroni și forțele nucleare nu va observa (aproape) nimic.

Fizicienii exprimă această proprietate a naturii ca simetrie - interacțiunea nucleară este simetrică în ceea ce privește înlocuirea protonilor cu neutroni, la fel cum un fluture este simetric în ceea ce privește înlocuirea stângii cu dreapta. Această simetrie, pe lângă faptul că joacă un rol important în fizica nucleară, a fost de fapt primul indiciu că nucleonii aveau o structură internă interesantă. Adevărat, atunci, în anii 30, fizicienii nu și-au dat seama de acest indiciu.

Înțelegerea a venit mai târziu. A început cu faptul că în anii 1940–50, în reacțiile de ciocnire a protonilor cu nucleele diferitelor elemente, oamenii de știință au fost surprinși să descopere tot mai multe particule noi. Nu protoni, nu neutroni, nu pi-mezonii descoperiți până atunci, care dețin nucleoni în nuclei, ci niște particule complet noi. Cu toată diversitatea lor, aceste noi particule aveau două proprietăți comune. În primul rând, ei, ca și nucleonii, au participat foarte binevoitor la interacțiunile nucleare - acum astfel de particule se numesc hadroni. Și în al doilea rând, erau extrem de instabili. Cele mai instabile dintre ele s-au degradat în alte particule în doar o trilionime dintr-o nanosecundă, neavând timp nici măcar să zboare de dimensiunea unui nucleu atomic!

Multă vreme, „grădina zoologică” cu hadron a fost o mizerie completă. La sfârșitul anilor 1950, fizicienii învățaseră deja destul de multe tipuri diferite de hadroni, au început să le compare între ele și au văzut brusc o anumită simetrie generală, chiar periodicitate, în proprietățile lor. S-a sugerat că în interiorul tuturor hadronilor (inclusiv nucleonii) există câteva obiecte simple numite „quarci”. Prin combinarea cuarcilor în moduri diferite, este posibil să se obțină hadroni diferiți, și de exact același tip și cu aceleași proprietăți care au fost descoperite în experiment.

Ce face un proton un proton?

După ce fizicienii au descoperit structura cuarci a hadronilor și au aflat că cuarcii vin în mai multe varietăți diferite, a devenit clar că multe particule diferite pot fi construite din quarci. Așa că nimeni nu a fost surprins când experimentele ulterioare au continuat să găsească noi hadroni unul după altul. Dar printre toți hadronii s-a descoperit o întreagă familie de particule, formată, la fel ca protonul, din doar două u-quarci și unul d-quarc. Un fel de „frate” al protonului. Și aici fizicienii aveau o surpriză.

Să facem mai întâi o observație simplă. Dacă avem mai multe obiecte formate din aceleași „cărămizi”, atunci obiectele mai grele conțin mai multe „cărămizi”, iar cele mai ușoare conțin mai puține. Acesta este un principiu foarte natural, care poate fi numit principiul combinației sau principiul suprastructurii și funcționează perfect atât în ​​viața de zi cu zi, cât și în fizică. Se manifestă chiar și în structura nucleelor ​​atomice - la urma urmei, nucleele mai grele constau pur și simplu dintr-un număr mai mare de protoni și neutroni.

Cu toate acestea, la nivelul quarcilor, acest principiu nu funcționează deloc și, desigur, fizicienii nu și-au dat seama încă pe deplin de ce. Se pare că frații grei ai protonului sunt, de asemenea, formați din aceiași quarci ca protonul, deși sunt de o jumătate și jumătate sau chiar de două ori mai grei decât protonul. Ele diferă de proton (și diferă unele de altele) nu compoziţie,și reciprocă Locație cuarcuri, prin starea în care acești cuarcuri sunt relativ unul față de celălalt. Este suficient să schimbăm poziția relativă a quarcilor - și din proton vom obține o altă particulă, vizibil mai grea.

Ce se va întâmpla dacă tot luați și colectați mai mult de trei quarci împreună? Va exista o nouă particulă grea? În mod surprinzător, nu va funcționa - quarcii se vor rupe în trei și se vor transforma în câteva particule împrăștiate. Din anumite motive, naturii „nu-i place” să combine mulți quarci într-un singur întreg! Numai foarte recent, literalmente în ultimii ani, au început să apară indicii că unele particule multi-quark există, dar acest lucru nu face decât să sublinieze cât de mult nu-i plac naturii.

Din această combinatorie rezultă o concluzie foarte importantă și profundă - masa hadronilor nu este deloc formată din masa quarcilor. Dar dacă masa unui hadron poate fi mărită sau scăzută prin simpla recombinare a cărămizilor sale constitutive, atunci nu quarcii înșiși sunt responsabili pentru masa hadronilor. Și într-adevăr, în experimentele ulterioare a fost posibil să se descopere că masa cuarcilor în sine este doar aproximativ două procente din masa protonului, iar restul gravitației apare din cauza câmpului de forță (particule speciale - gluoni) care leagă quarcurile împreună. Schimbând poziția relativă a quarcilor, de exemplu, îndepărtându-i unul de celălalt, schimbăm astfel norul gluon, făcându-l mai masiv, motiv pentru care masa hadronului crește (Fig. 1).

Ce se întâmplă în interiorul unui proton care se mișcă rapid?

Tot ceea ce este descris mai sus se referă la un proton staționar; în limbajul fizicienilor, aceasta este structura protonului în cadrul său de repaus. Cu toate acestea, în experiment, structura protonului a fost descoperită pentru prima dată în alte condiții - în interior zbor rapid proton.

La sfârșitul anilor 1960, în experimentele privind ciocnirile de particule la acceleratoare, s-a observat că protonii care călătoreau cu viteza apropiată de lumina s-au comportat ca și cum energia din interiorul lor nu ar fi distribuită uniform, ci era concentrată în obiecte compacte individuale. Faimosul fizician Richard Feynman a propus să numească aceste aglomerări de materie din interiorul protoni partoni(din engleza parte - Parte).

Experimentele ulterioare au examinat multe dintre proprietățile partonilor - de exemplu, sarcina lor electrică, numărul lor și fracția de energie protonică pe care fiecare o transportă. Se pare că partonii încărcați sunt cuarci, iar partonii neutri sunt gluoni. Da, aceiași gluoni, care în cadrul de repaus al protonului pur și simplu „au servit” quarcilor, atragându-i unul către celălalt, sunt acum partoni independenți și, împreună cu quarcii, poartă „materia” și energia unui proton care se mișcă rapid. Experimentele au arătat că aproximativ jumătate din energie este stocată în quarci și jumătate în gluoni.

Partonii sunt studiați cel mai convenabil în ciocnirile protonilor cu electronii. Faptul este că, spre deosebire de un proton, un electron nu participă la interacțiuni nucleare puternice și ciocnirea lui cu un proton pare foarte simplă: electronul emite un foton virtual pentru o perioadă foarte scurtă de timp, care se prăbușește într-un parton încărcat și în cele din urmă generează un număr mare de particule ( Fig. 2). Putem spune că electronul este un bisturiu excelent pentru „deschiderea” protonului și împărțirea lui în părți separate - totuși, doar pentru o perioadă foarte scurtă de timp. Știind cât de des apar astfel de procese la un accelerator, se poate măsura numărul de partoni din interiorul unui proton și sarcinile acestora.

Cine sunt cu adevărat Partonii?

Și aici ajungem la o altă descoperire uimitoare pe care fizicienii au făcut-o în timp ce studiau ciocnirile de particule elementare la energii mari.

În condiții normale, întrebarea în ce constă acest sau acel obiect are un răspuns universal pentru toate sistemele de referință. De exemplu, o moleculă de apă este formată din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen - și nu contează dacă ne uităm la o moleculă staționară sau în mișcare. Cu toate acestea, această regulă pare atât de naturală! - este încălcat dacă vorbim de particule elementare care se deplasează cu viteze apropiate de viteza luminii. Într-un cadru de referință, o particulă complexă poate consta dintr-un set de subparticule, iar într-un alt cadru de referință, dintr-un altul. Se pare că compoziția este un concept relativ!

Cum poate fi aceasta? Cheia aici este o proprietate importantă: numărul de particule din lumea noastră nu este fix - particulele pot să se nască și să dispară. De exemplu, dacă împingeți doi electroni cu o energie suficient de mare, atunci, pe lângă acești doi electroni, se pot naște fie un foton, fie o pereche electron-pozitron, fie alte particule. Toate acestea sunt permise de legile cuantice și exact asta se întâmplă în experimentele reale.

Dar această „lege a neconservării” particulelor funcționează în caz de coliziuni particule. Cum se întâmplă ca același proton din puncte de vedere diferite să arate ca fiind format dintr-un set diferit de particule? Ideea este că un proton nu sunt doar trei quarci la un loc. Există un câmp de forță gluon între quarci. În general, un câmp de forță (cum ar fi un câmp gravitațional sau electric) este un fel de „entitate” materială care pătrunde în spațiu și permite particulelor să exercite o influență puternică unele asupra altora. În teoria cuantică, câmpul este format și din particule, deși speciale - virtuale. Numărul acestor particule nu este fix; ele „depart” în mod constant din quarci și sunt absorbite de alți quarci.

Odihnind Un proton poate fi considerat într-adevăr ca trei quarci cu gluoni care sar între ei. Dar dacă privim același proton dintr-un cadru de referință diferit, ca de la fereastra unui „tren relativist” care trece, vom vedea o imagine complet diferită. Acei gluoni virtuali care au lipit quarcii împreună vor părea particule mai puțin virtuale, „mai reale”. Ei, desigur, sunt încă născuți și absorbiți de quarci, dar în același timp trăiesc singuri pentru o perioadă de timp, zburând lângă quarci, ca niște particule reale. Ceea ce pare un simplu câmp de forță într-un cadru de referință se transformă într-un flux de particule într-un alt cadru! Rețineți că nu atingem protonul în sine, ci doar îl privim dintr-un cadru de referință diferit.

Mai departe mai mult. Cu cât viteza „trenului nostru relativist” este mai aproape de viteza luminii, cu atât imaginea pe care o vom vedea în interiorul protonului este mai uimitoare. Pe măsură ce ne apropiem de viteza luminii, vom observa că în interiorul protonului sunt din ce în ce mai mulți gluoni. Mai mult decât atât, uneori se împart în perechi quark-antiquark, care zboară și în apropiere și sunt considerate și partoni. Ca urmare, un proton ultrarelativist, adică un proton care se mișcă în raport cu noi cu o viteză foarte apropiată de viteza luminii, apare sub forma unor nori întrepătrunse de quarci, antiquarci și gluoni care zboară împreună și par să se susțină unul pe altul (Fig. . 3).

Un cititor familiarizat cu teoria relativității poate fi îngrijorat. Întreaga fizică se bazează pe principiul că orice proces se desfășoară în același mod în toate cadrele de referință inerțiale. Dar se dovedește că compoziția protonului depinde de cadrul de referință din care îl observăm?!

Da, exact, dar acest lucru nu încalcă în niciun caz principiul relativității. Rezultatele proceselor fizice - de exemplu, ce particule și câte sunt produse ca urmare a unei coliziuni - se dovedesc a fi invariante, deși compoziția protonului depinde de cadrul de referință.

Această situație, neobișnuită la prima vedere, dar care satisface toate legile fizicii, este ilustrată schematic în Figura 4. Ea arată cum arată ciocnirea a doi protoni cu energie mare în cadre de referință diferite: în cadrul de repaus al unui proton, în cadrul centrului de masă, în cadrul de repaus al altui proton. Interacțiunea dintre protoni se realizează printr-o cascadă de gluoni de scindare, dar numai într-un caz această cascadă este considerată „interiorul” unui proton, în alt caz este considerată parte a altui proton, iar în al treilea este pur și simplu ceva obiect care este schimbat între doi protoni. Această cascadă există, este reală, dar cărei părți a procesului ar trebui să i se atribuie depinde de cadrul de referință.

Portret 3D al unui proton

Toate rezultatele despre care tocmai am vorbit s-au bazat pe experimente efectuate cu mult timp în urmă - în anii 60-70 ai secolului trecut. S-ar părea că de atunci totul ar fi trebuit studiat și toate întrebările ar fi trebuit să-și găsească răspunsurile. Dar nu - structura protonului rămâne încă unul dintre cele mai interesante subiecte din fizica particulelor. Mai mult, în ultimii ani, interesul pentru acesta a crescut din nou, deoarece fizicienii au descoperit cum să obțină un portret „tridimensional” al unui proton în mișcare rapidă, care s-a dovedit a fi mult mai dificil decât portretul unui proton staționar.

Experimentele clasice privind ciocnirile de protoni spun doar despre numărul de partoni și despre distribuția lor de energie. La astfel de experimente, partonii participă ca obiecte independente, ceea ce înseamnă că este imposibil să aflăm de la ei cum sunt localizați partonii unul față de celălalt sau cum se adună exact un proton. Putem spune că pentru o lungă perioadă de timp doar un portret „unidimensional” al unui proton în mișcare rapidă a fost disponibil pentru fizicieni.

Pentru a construi un portret real, tridimensional al unui proton și pentru a afla distribuția partonilor în spațiu, sunt necesare experimente mult mai subtile decât cele care au fost posibile acum 40 de ani. Fizicienii au învățat să efectueze astfel de experimente destul de recent, literalmente în ultimul deceniu. Ei și-au dat seama că printre numărul mare de reacții diferite care apar atunci când un electron se ciocnește cu un proton, există o reacție specială - împrăștiere Compton virtuală profundă, - care ne poate spune despre structura tridimensională a protonului.

În general, împrăștierea Compton, sau efectul Compton, este ciocnirea elastică a unui foton cu o particulă, de exemplu un proton. Arata astfel: un foton soseste, este absorbit de un proton, care intră într-o stare excitată pentru o perioadă scurtă de timp, apoi revine la starea inițială, emițând un foton într-o anumită direcție.

Imprăștirea Compton a fotonilor obișnuiți de lumină nu duce la nimic interesant - este pur și simplu reflectarea luminii de la un proton. Pentru ca structura internă a protonului să „intre în joc” și distribuția quarcilor să fie „simțită”, este necesar să se utilizeze fotoni de energie foarte mare - de miliarde de ori mai mult decât în ​​lumina obișnuită. Și tocmai astfel de fotoni - deși virtuali - sunt generați cu ușurință de un electron incident. Dacă acum combinăm unul cu celălalt, obținem o împrăștiere Compton virtuală profundă (Fig. 5).

Principala caracteristică a acestei reacții este că nu distruge protonul. Fotonul incident nu lovește doar protonul, ci, parcă, îl simte cu atenție și apoi zboară departe. Direcția în care zboară și ce parte din energia ia protonul de la el depinde de structura protonului, de aranjarea relativă a partonilor în interiorul acestuia. De aceea, prin studierea acestui proces, este posibil să se restabilească aspectul tridimensional al protonului, ca și cum ar fi „sculpta sculptura acestuia”.

Adevărat, acest lucru este foarte greu de făcut pentru un fizician experimental. Procesul necesar are loc destul de rar și este dificil să îl înregistrați. Primele date experimentale despre această reacție au fost obținute abia în 2001 la acceleratorul HERA de la complexul de acceleratoare german DESY din Hamburg; o nouă serie de date este acum procesată de experimentatori. Cu toate acestea, deja astăzi, pe baza primelor date, teoreticienii desenează distribuții tridimensionale ale quarcilor și gluonilor în proton. O cantitate fizică, despre care fizicienii făcuseră anterior doar presupuneri, a început în cele din urmă să „iasă” din experiment.

Există descoperiri neașteptate care ne așteaptă în acest domeniu? Este probabil ca da. Pentru a ilustra, să spunem că în noiembrie 2008 a apărut un articol teoretic interesant, care spune că un proton cu mișcare rapidă nu trebuie să arate ca un disc plat, ci ca o lentilă biconcavă. Acest lucru se întâmplă deoarece partonii aflați în regiunea centrală a protonului sunt comprimați mai puternic pe direcția longitudinală decât partonii așezați la margini. Ar fi foarte interesant să testăm experimental aceste predicții teoretice!

De ce sunt toate acestea interesante pentru fizicieni?

De ce fizicienii chiar trebuie să știe exact cum este distribuită materia în interiorul protonilor și neutronilor?

În primul rând, acest lucru este cerut de însăși logica dezvoltării fizicii. Există multe sisteme uimitor de complexe în lume cărora fizica teoretică modernă nu le poate face încă pe deplin. Hadronii sunt un astfel de sistem. Înțelegând structura hadronilor, perfecționăm abilitățile fizicii teoretice, care se pot dovedi a fi universale și, poate, vor ajuta la ceva complet diferit, de exemplu, în studiul supraconductorilor sau al altor materiale cu proprietăți neobișnuite.

În al doilea rând, există beneficii directe pentru fizica nucleară. În ciuda istoriei de aproape un secol a studierii nucleelor ​​atomice, teoreticienii încă nu cunosc legea exactă a interacțiunii dintre protoni și neutroni.

Ei trebuie să ghicească parțial această lege pe baza datelor experimentale și, parțial, să o construiască pe baza cunoștințelor despre structura nucleonilor. Aici vor ajuta noi date despre structura tridimensională a nucleonilor.

În al treilea rând, în urmă cu câțiva ani, fizicienii au reușit să obțină nu mai puțin decât o nouă stare agregată a materiei - plasmă cuarc-gluon. În această stare, quarkurile nu stau în interiorul protonilor și neutronilor individuali, ci se deplasează liber prin întreaga masă nucleară. Acest lucru se poate realiza, de exemplu, astfel: nucleele grele sunt accelerate într-un accelerator la o viteză foarte apropiată de viteza luminii și apoi se ciocnesc frontal. În această ciocnire, se ridică temperaturi de trilioane de grade pentru o perioadă foarte scurtă de timp, ceea ce topește nucleele în plasmă de cuarc-gluon. Deci, se dovedește că calculele teoretice ale acestei topiri nucleare necesită o bună cunoaștere a structurii tridimensionale a nucleonilor.

În cele din urmă, aceste date sunt foarte necesare pentru astrofizică. Când stelele grele explodează la sfârșitul vieții, ele lasă adesea în urmă obiecte extrem de compacte - stele neutronice și posibil cuarci. Miezul acestor stele este format în întregime din neutroni și poate chiar din plasmă rece de quarc-gluoni. Astfel de stele au fost descoperite de mult, dar se poate doar ghici ce se întâmplă în interiorul lor. Deci, o bună înțelegere a distribuțiilor cuarcilor poate duce la progrese în astrofizică.

Toate particulele elementare cu cinci litere sunt enumerate mai jos. Pentru fiecare definiție este dată o scurtă descriere.

Dacă aveți ceva de adăugat, atunci mai jos aveți la dispoziție un formular de comentarii, în care vă puteți exprima opinia sau adăuga la articol.

Lista particulelor elementare

Foton

Este o cantitate de radiație electromagnetică, de exemplu lumina. Lumina, la rândul său, este un fenomen care constă din fluxuri de lumină. Un foton este o particulă elementară. Un foton are o sarcină neutră și o masă zero. Spinul fotonului este egal cu unitatea. Fotonul poartă interacțiunea electromagnetică între particulele încărcate. Termenul foton provine din grecescul phos, care înseamnă lumină.

Phonon

Este o cvasiparticulă, un cuantum de vibrații elastice și deplasări ale atomilor și moleculelor rețelei cristaline dintr-o poziție de echilibru. În rețelele cristaline, atomii și moleculele interacționează în mod constant, împărtășind energia unul cu celălalt. În acest sens, este aproape imposibil să studiezi fenomene similare cu vibrațiile atomilor individuali din ele. Prin urmare, vibrațiile aleatorii ale atomilor sunt de obicei considerate în funcție de tipul de propagare a undelor sonore în interiorul unei rețele cristaline. Cuantele acestor unde sunt fononi. Termenul phonon provine din grecescul telefon - sunet.

Phazon

Fazonul de fluctuon este o cvasiparticulă, care este o excitație în aliaje sau într-un alt sistem heterofazic, formând un puț de potențial (regiune ferromagnetică) în jurul unei particule încărcate, să zicem un electron, și captând-o.

Roton

Este o cvasiparticulă care corespunde excitației elementare în heliul superfluid, în regiunea impulsurilor mari, asociată cu apariția mișcării vortex într-un lichid superfluid. Roton, tradus din latină înseamnă - tors, tors. Rotonul apare la temperaturi mai mari de 0,6 K și determină proprietăți exponențial dependente de temperatură ale capacității termice, cum ar fi entropia de densitate normală și altele.

Meson

Este o particulă neelementară instabilă. Un mezon este un electron greu din razele cosmice.
Masa unui mezon este mai mare decât masa unui electron și mai mică decât masa unui proton.

Mezonii au un număr par de quarci și antiquarci. Mesonii includ Pioni, Kaoni și alți mezoni grei.

Quarc

Este o particulă elementară de materie, dar până acum doar ipotetic. Cuarcii sunt de obicei numiți șase particule și antiparticulele lor (antiquarci), care, la rândul lor, formează un grup de particule elementare speciale hadroni.

Se crede că particulele care participă la interacțiuni puternice, cum ar fi protonii, neuronii și alții, constau din quarci strâns conectați unul cu celălalt. Quarcii există în mod constant în diferite combinații. Există o teorie conform căreia quarcurile ar putea exista într-o formă liberă în primele momente după Big Bang.

Gluon

Particulă elementară. Potrivit unei teorii, gluonii par să lipească quarcii, care, la rândul lor, formează particule precum protoni și neuroni. În general, gluonii sunt cele mai mici particule care formează materie.

boson

Boson-cvasiparticulă sau Bose-particulă. Un boson are spin zero sau întreg. Numele este dat în onoarea fizicianului Shatyendranath Bose. Un boson este diferit prin faptul că un număr nelimitat dintre ei poate avea aceeași stare cuantică.

Hadron

Un hadron este o particulă elementară care nu este cu adevărat elementară. Se compune din quarci, antiquarci și gluoni. Hadronul nu are încărcătură de culoare și participă la interacțiuni puternice, inclusiv la cele nucleare. Termenul hadron, din grecescul adros, înseamnă mare, masiv.

În acest articol veți găsi informații despre proton, ca particulă elementară care formează baza universului împreună cu celelalte elemente ale sale, utilizate în chimie și fizică. Se vor determina proprietățile protonului, caracteristicile sale în chimie și stabilitatea.

Ce este un proton

Un proton este unul dintre reprezentanții particulelor elementare, care este clasificat ca un barion, de ex. în care fermionii interacționează puternic, iar particula în sine este formată din 3 quarci. Protonul este o particulă stabilă și are un impuls personal - spin ½. Denumirea fizică a protonului este p(sau p +)

Un proton este o particulă elementară care participă la procese de tip termonuclear. Acest tip de reacție este, în esență, principala sursă de energie generată de stele din întregul univers. Aproape întreaga cantitate de energie eliberată de Soare există doar datorită combinării a 4 protoni într-un singur nucleu de heliu cu formarea unui neutron din doi protoni.

Proprietăți inerente unui proton

Un proton este unul dintre reprezentanții barionilor. Este un fapt. Sarcina și masa unui proton sunt cantități constante. Protonul este încărcat electric +1, iar masa lui este determinată în diferite unități de măsură și este în MeV 938,272 0813(58), în kilograme de proton greutatea este în cifrele 1,672 621 898(21) 10 −27 kg, în unităţi de masă atomică greutatea unui proton este 1,007 276 466 879(91) a. e.m., iar în raport cu masa electronului, protonul cântărește 1836,152 673 89 (17) în raport cu electronul.

Un proton, a cărui definiție a fost deja dată mai sus, din punct de vedere al fizicii, este o particulă elementară cu o proiecție de isospin +½, iar fizica nucleară percepe această particulă cu semnul opus. Protonul în sine este un nucleon și este format din 3 cuarci (două cuarci u și un cuarc d).

Structura protonului a fost studiată experimental de un fizician nuclear din Statele Unite ale Americii - Robert Hofstadter. Pentru a atinge acest obiectiv, fizicianul a ciocnit protoni cu electroni de înaltă energie și a primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru descrierea sa.

Protonul conține un miez (nucleu greu), care conține aproximativ treizeci și cinci la sută din energia sarcinii electrice a protonului și are o densitate destul de mare. Carcasa din jurul miezului este relativ descărcată. Învelișul este format în principal din mezoni virtuali de tip și p și poartă aproximativ cincizeci la sută din potențialul electric al protonului și este situat la o distanță de aproximativ 0,25 * 10 13 până la 1,4 * 10 13 . Chiar mai departe, la o distanță de aproximativ 2,5 * 10 13 centimetri, învelișul este format din și w mezoni virtuali și conține aproximativ cincisprezece procente rămase din sarcina electrică a protonului.

Stabilitatea și stabilitatea protonilor

În stare liberă, protonul nu prezintă semne de dezintegrare, ceea ce indică stabilitatea sa. Starea stabilă a protonului, ca cel mai ușor reprezentant al barionilor, este determinată de legea conservării numărului de barioni. Fără a încălca legea SBC, protonii sunt capabili să se descompună în neutrini, pozitroni și alte particule elementare mai ușoare.

Protonul nucleului atomilor are capacitatea de a capta anumite tipuri de electroni având învelișuri atomice K, L, M. Un proton, după ce a finalizat captarea electronilor, se transformă într-un neutron și, ca rezultat, eliberează un neutrin, iar „gaura” formată ca urmare a captării electronilor este umplută cu electroni de deasupra straturilor atomice subiacente.

În cadrele de referință non-inerțiale, protonii trebuie să dobândească o durată de viață limitată care poate fi calculată; aceasta se datorează efectului Unruh (radiație), care în teoria cuantică a câmpului prezice posibila contemplare a radiației termice într-un cadru de referință care este accelerat în absența acestui tip de radiație. Astfel, un proton, dacă are o durată de viață finită, poate suferi dezintegrare beta într-un pozitron, neutron sau neutrin, în ciuda faptului că procesul în sine al unei astfel de dezintegrare este interzis de ZSE.

Utilizarea protonilor în chimie

Un proton este un atom de H construit dintr-un singur proton și nu are un electron, deci, în sens chimic, un proton este un nucleu al unui atom de H. Un neutron asociat cu un proton creează nucleul unui atom. În PTCE al lui Dmitri Ivanovich Mendeleev, numărul elementului indică numărul de protoni din atomul unui anumit element, iar numărul elementului este determinat de sarcina atomică.

Cationii de hidrogen sunt acceptori de electroni foarte puternici. În chimie, protonii se obțin în principal din acizi organici și minerali. Ionizarea este o metodă de producere a protonilor în faze gazoase.

• Traducere

Orez. 1: atom de hidrogen. Nu la scară.

Știți că Large Hadron Collider practic zdrobește protoni unul în celălalt. Dar ce este un proton?

În primul rând, este o mizerie groaznică și completă. La fel de urât și haotic precum atomul de hidrogen este simplu și elegant.

Dar ce este atunci un atom de hidrogen?

Acesta este cel mai simplu exemplu a ceea ce fizicienii numesc o „stare legată”. „Stat” înseamnă în esență ceva care există de ceva timp, iar „conectat” înseamnă că componentele sale sunt conectate între ele, ca soții într-o căsătorie. De fapt, exemplul unui cuplu căsătorit în care unul dintre soți este mult mai greu decât celălalt se potrivește foarte bine aici. Protonul stă în centru, abia mișcându-se, iar la marginile obiectului se mișcă un electron, care se mișcă mai repede decât tine și eu, dar mult mai încet decât viteza luminii, limita universală de viteză. O imagine pașnică a unei idile căsătoriei.

Sau așa pare până când ne uităm în protonul însuși. Interiorul protonului în sine seamănă mai degrabă cu o comună, în care mulți adulți și copii singuri sunt dens împachetati: haos pur. Aceasta este, de asemenea, o stare legată, dar nu conectează ceva simplu, cum ar fi un proton cu un electron, ca în hidrogen, sau cel puțin câteva zeci de electroni cu un nucleu atomic, ca în atomi mai complecși precum aurul - ci un număr nenumărat ( adică sunt prea multe și se schimbă prea repede pentru a fi numărate practic) particule ușoare numite quarci, antiquarci și gluoni. Este imposibil să descrii pur și simplu structura protonului, să desenezi imagini simple - este extrem de dezorganizat. Toți quarcii, gluonii, antiquarcii se repezi în interior cu viteza maximă posibilă, aproape cu viteza luminii.

Orez. 2: Imaginea unui proton. Imaginați-vă că toți quarcii (sus, jos, ciudat - u,d,s), antiquarcurile (u,d,s cu liniuță) și gluonii (g) se ciocnesc înainte și înapoi aproape cu viteza luminii, se ciocnesc cu fiecare altele, apar și dispar

Poate ați auzit că un proton este format din trei quarci. Dar aceasta este o minciună – pentru binele mai mare, dar încă destul de mare. De fapt, într-un proton există o multitudine de gluoni, antiquarci și cuarci. Abrevierea standard „un proton este format din doi cuarci up și un cuarc down” spune pur și simplu că un proton are mai mulți cuarci up decât cuarcii up și un cuarc down mai mult decât cuarc down. Pentru ca această reducere să fie adevărată, este necesar să se adauge la ea „și nenumărate mai multe gluoni și perechi quarc-antiquarc”. Fără această frază, ideea unui proton va fi atât de simplificată încât va fi complet imposibil de înțeles funcționarea LHC.

Orez. 3: Little White Lies într-o imagine stereotipă Wikipedia

În general, atomii în comparație cu protonii sunt ca un pas de deux într-un balet elaborat în comparație cu o discotecă plină de adolescenți beți care sar în sus și în jos și fac semn cu mâna către DJ.

Acesta este motivul pentru care, dacă ești un teoretician care încearcă să înțeleagă ce va vedea LHC în coliziunile de protoni, vei avea dificultăți. Este foarte dificil de prezis rezultatele coliziunilor dintre obiecte care nu pot fi descrise într-un mod simplu. Dar, din fericire, încă din anii 1970, pe baza ideilor lui Bjorken din anii 60, fizicienii teoreticieni au găsit o tehnologie relativ simplă și funcțională. Dar încă funcționează până la anumite limite, cu o precizie de aproximativ 10%. Din acest motiv și din alte câteva motive, fiabilitatea calculelor noastre la LHC este întotdeauna limitată.

Un alt lucru despre proton este că este mic. Chiar mic. Dacă arunci în aer un atom de hidrogen la dimensiunea dormitorului tău, protonul va avea dimensiunea unui grăunte de praf atât de mic încât va fi foarte greu de observat. Tocmai pentru că protonul este atât de mic, putem ignora haosul care se petrece în interiorul lui, descriind atomul de hidrogen ca fiind simplu. Mai precis, dimensiunea unui proton este de 100.000 de ori mai mică decât dimensiunea unui atom de hidrogen.

Pentru comparație, dimensiunea Soarelui este de numai 3000 de ori mai mică decât dimensiunea Sistemului Solar (măsurată de orbita lui Neptun). Așa este - atomul este mai gol decât sistemul solar! Amintește-ți asta când privești cerul noaptea.

Dar ai putea întreba: „Așteaptă o secundă! Vrei să spui că Large Hadron Collider ciocnește cumva protoni care sunt de 100.000 de ori mai mici decât un atom? Cum este posibil acest lucru?

Mare întrebare.

Ciocniri de protoni versus mini-coliziuni de quarci, gluoni și antiquarci

Ciocnirile de protoni la LHC au loc cu o anumită energie. A fost 7 TeV = 7000 GeV în 2011 și 8 TeV = 8000 GeV în 2012. Dar fizicienii particulelor sunt interesați în principal de ciocnirile unui cuarc al unui proton cu antiquarcul altui proton sau ciocnirile a doi gluoni etc. – ceva care poate duce la apariția unui fenomen fizic cu adevărat nou. Aceste mini-coliziuni transportă o mică parte din energia totală de coliziune a protonilor. Cât de mult din această energie pot transporta și de ce a fost necesară creșterea energiei de coliziune de la 7 TeV la 8 TeV?

Răspunsul este în Fig. 4. Graficul arată numărul de coliziuni detectate de detectorul ATLAS. Datele din vara lui 2011 implică împrăștierea quarcilor, antiquarcilor și gluonilor din alți quarci, antiquarci și gluoni. Astfel de mini-coliziune produc cel mai adesea două jeturi (jet de hadroni, manifestări de quarci de înaltă energie, gluoni sau antiquarci scoși din protonii părinte). Se măsoară energiile și direcțiile jeturilor, iar din aceste date se determină cantitatea de energie care ar fi trebuit să fie implicată în mini-coliziune. Graficul arată numărul de mini-coliziuni de acest tip în funcție de energie. Axa verticală este logaritmică - fiecare linie denotă o creștere de 10 ori a cantității (10 n denotă 1 și n zerouri după ea). De exemplu, numărul de mini-coliziuni observate în intervalul de energie de la 1550 la 1650 GeV a fost de aproximativ 10 3 = 1000 (marcat cu linii albastre). Rețineți că graficul începe de la 750 GeV, dar numărul de mini-coliziuni continuă să crească pe măsură ce studiați jeturile de energie mai mică, până în punctul în care jeturile devin prea slabe pentru a fi detectate.

Orez. 4: numărul de ciocniri în funcție de energie (m jj)

Luați în considerare că numărul total de ciocniri proton-proton cu o energie de 7 TeV = 7000 GeV s-a apropiat de 100.000.000.000.000. Și dintre toate aceste ciocniri, doar două mini-coliziuni au depășit 3.500 GeV - jumătate din energia unei coliziuni de protoni. Teoretic, energia unei mini-coliziuni ar putea crește la 7000 GeV, dar probabilitatea ca aceasta este în scădere tot timpul. Vedem mini-coliziuni de 6000 GeV atât de rar încât este puțin probabil să vedem 7000 GeV chiar dacă colectăm de 100 de ori mai multe date.

Care sunt avantajele creșterii energiei de coliziune de la 7 TeV în 2010-2011 la 8 TeV în 2012? Evident, ceea ce ați putea face la nivelul de energie E, acum puteți face la nivelul de energie 8/7 E ≈ 1,14 E. Deci, dacă înainte ați putea spera să vedeți în atâtea date semne ale unui anumit tip de particule ipotetice cu masa de 1000 GeV/c 2, atunci putem spera acum să atingem cel puțin 1100 GeV/c 2 cu același set de date. Capacitățile mașinii sunt în creștere - puteți căuta particule cu masă puțin mai mare. Și dacă colectați de trei ori mai multe date în 2012 decât în ​​2011, veți obține mai multe coliziuni pentru fiecare nivel de energie și veți putea vedea semnătura unei particule ipotetice cu o masă de, să zicem, 1200 GeV/s 2 .

Dar asta nu este tot. Priviți liniile albastre și verzi din Fig. 4: ele arată că ele apar la energii de ordinul 1400 și 1600 GeV - astfel încât se corelează între ele ca de la 7 la 8. La nivelul energiei de coliziune a protonilor de 7 TeV, numărul de mini-coliziuni ale quarcilor cu quarcii. , quarci cu gluoni etc. P. cu o energie de 1400 GeV este mai mult de două ori numărul de ciocniri cu o energie de 1600 GeV. Dar când mașina crește energia cu 8/7, ceea ce a funcționat pentru 1400 începe să funcționeze pentru 1600. Cu alte cuvinte, dacă sunteți interesat de mini-coliziuni de energie fixă, numărul acestora crește - și mult mai mult decât creșterea de 14% în energia de coliziune a protonilor! Aceasta înseamnă că pentru orice proces cu o energie preferată, să spunem apariția particulelor ușoare de Higgs, care apare la energii de ordinul 100-200 GeV, obțineți mai multe rezultate pentru aceiași bani. Trecerea de la 7 la 8 TeV înseamnă că pentru același număr de ciocniri de protoni obțineți mai multe particule Higgs. Producția de particule Higgs va crește cu aproximativ 1,5. Numărul de quarci up și anumite tipuri de particule ipotetice va crește puțin mai mult.

Aceasta înseamnă că, deși numărul de ciocniri de protoni în 2012 este de 3 ori mai mare decât în ​​2011, numărul total de particule Higgs produse va crește de aproape 4 ori pur și simplu datorită creșterii energiei.

Apropo, fig. Figura 4 demonstrează, de asemenea, că protonii nu sunt alcătuiți pur și simplu din doi cuarci up și un cuarc down, așa cum este ilustrat în desene precum Fig. 3. Dacă ar fi, atunci quarcii ar trebui să transfere aproximativ o treime din energia protonilor, iar majoritatea mini-coliziunilor s-ar produce la energii de aproximativ o treime din energia de coliziune a protonilor: în jur de 2300 GeV. Dar graficul arată că nu se întâmplă nimic special în regiunea de 2300 GeV. La energii sub 2300 GeV există mult mai multe ciocniri și cu cât cobori mai jos, cu atât vezi mai multe ciocniri. Acest lucru se datorează faptului că protonul conține un număr mare de gluoni, quarci și antiquarci, fiecare dintre acestea transferând o mică parte din energia protonului, dar sunt atât de mulți încât participă la un număr mare de mini-coliziuni. Această proprietate a protonului este prezentată în Fig. 2 – deși, de fapt, numărul de gluoni cu energie scăzută și de perechi quarc-antiquarc este mult mai mare decât cel arătat în figură.

Dar ceea ce nu arată graficul este fracția care, în mini-coliziuni cu o anumită energie, cade la ciocniri de quarci cu quarci, quarci cu gluoni, gluoni cu gluoni, quarci cu antiquarci etc. De fapt, acest lucru nu poate fi spus direct din experimentele de la LHC - jeturile de la quarci, antiquarci și gluoni arată la fel. Cum cunoaștem aceste acțiuni este o poveste complexă, care implică multe experimente diferite din trecut și teoria care le combină. Și de aici știm că mini-coliziunile cu cea mai mare energie au loc de obicei între quarci și quarci și între quarci și gluoni. Ciocnirile cu energie redusă apar de obicei între gluoni. Ciocnirile dintre quarci și antiquarci sunt relativ rare, dar sunt foarte importante pentru anumite procese fizice.

Distribuția particulelor în interiorul unui proton

Orez. 5

Două grafice, care diferă în scara axei verticale, arată probabilitatea relativă a unei coliziuni cu un gluon, un cuarc sus sau jos sau cu un antiquarc care transportă o fracțiune din energia protonului egală cu x. La x mic domină gluonii (iar quarcii și antiquarcii devin la fel de probabili și numeroși, deși sunt încă mai puțini decât gluonii), iar la x mediu domină quarcii (deși devin extrem de puțini la număr).

Ambele grafice arată același lucru, doar la o scară diferită, așa că ceea ce este greu de văzut pe unul dintre ele este mai ușor de văzut pe celălalt. Ceea ce arată ei este următorul: dacă un fascicul de protoni vine spre tine în Large Hadron Collider și loviți ceva în interiorul protonului, cât de probabil este să loviți un quark up, sau down quark, sau un gluon sau un antiquarc sus sau un cuarc down?un antiquarc care transportă o fracțiune din energia protonului egală cu x? Din aceste grafice se poate concluziona că:

Din faptul că toate curbele cresc foarte repede la x mic (văzut în graficul de jos), rezultă că majoritatea particulelor din protoni transferă mai puțin de 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.
Deoarece curba galbenă (de mai jos) este mult mai mare decât celelalte, rezultă că dacă întâlnești ceva care transportă mai puțin de 10% din energia unui proton, cel mai probabil este vorba despre un gluon; iar scăzând sub 2% din energia protonilor este la fel de probabil să fie quarci sau antiquarci.
Deoarece curba gluonilor (sus) scade sub curbele cuarcilor pe măsură ce x crește, rezultă că, dacă întâlniți ceva care transportă mai mult de 20% (x > 0,2) din energia protonului - ceea ce este foarte, foarte rar - este, cel mai probabil, un cuarc, iar probabilitatea ca acesta să fie un cuarc up este de două ori mai probabilă decât probabilitatea ca acesta să fie un cuarc down. Aceasta este o rămășiță a ideii că „un proton este doi quarci up și unul down quark”.
Toate curbele scad brusc pe măsură ce x crește; Este foarte puțin probabil să întâlniți ceva care transportă mai mult de 50% din energia protonului.

Aceste observații sunt reflectate indirect în graficul din Fig. 4. Iată câteva lucruri neevidente despre cele două grafice:
Cea mai mare parte a energiei protonului este împărțită (aproximativ în mod egal) între un număr mic de quarci de înaltă energie și un număr mare de gluoni cu energie joasă.
Dintre particule predomină ca număr gluonii cu energie scăzută, urmați de quarci și antiquarci de energii foarte scăzute.

Numărul de quarci și antiquarci este uriaș, dar: numărul total de quarci up minus numărul total de antiquarci up este doi, iar numărul total de quarci down minus numărul total de antiquarci down este unul. După cum am văzut mai sus, quarcii suplimentari transportă o parte semnificativă (dar nu majoritatea) din energia protonului care zboară spre tine. Și numai în acest sens putem spune că protonul constă practic din doi cuarci up și unul down.

Apropo, toate aceste informații au fost obținute dintr-o combinație fascinantă de experimente (în principal despre împrăștierea electronilor sau neutrinilor din protoni sau din nucleele atomice de hidrogen greu - deuteriu, care conține un proton și un neutron), puse împreună folosind ecuații detaliate. descriind interacțiuni electromagnetice, nucleare puternice și nucleare slabe. Această lungă poveste se întinde până la sfârșitul anilor 1960 și începutul anilor 1970. Și funcționează grozav pentru a prezice fenomenele observate la colisionare în care protonii se ciocnesc cu protoni și protonii cu antiprotoni, cum ar fi Tevatron și LHC.

Alte dovezi pentru structura complexă a protonului

Să ne uităm la unele dintre datele obținute la LHC și la modul în care susține afirmațiile despre structura protonului (deși înțelegerea actuală a protonului datează de 3-4 decenii, datorită multor experimente).

Graficul din fig. 4 este obținută din observațiile de coliziuni în timpul cărora are loc ceva ca cel prezentat în Fig. 1. 6: un cuarc sau antiquarc sau gluon al unui proton se ciocnește cu un cuarc sau antiquarc sau gluon al altui proton, se împrăștie din acesta (sau se întâmplă ceva mai complex - de exemplu, doi gluoni se ciocnesc și se transformă într-un cuarc și un antiquarc), rezultând în două particule (quarci, antiquarci sau gluoni) zboară departe de punctul de coliziune. Aceste două particule se transformă în jeturi (jeturi de hadron). Energia și direcția jeturilor sunt observate în detectoarele de particule din jurul punctului de impact. Aceste informații sunt folosite pentru a înțelege câtă energie a fost conținută în ciocnirea celor doi quarci/gluoni/antiquarci originali. Mai exact, masa invariantă a celor două jeturi, înmulțită cu c 2, dă energia ciocnirii celor doi quarci/gluoni/antiquarci originali.

Orez. 6

Numărul de ciocniri de acest tip în funcție de energie este prezentat în Fig. 4. Faptul că la energii joase numărul de ciocniri este mult mai mare este confirmat de faptul că majoritatea particulelor din interiorul protonului transferă doar o mică parte din energia acestuia. Datele pornesc de la energii de 750 GeV.

Orez. 7: Date pentru energii inferioare luate dintr-un set de date mai mic. Masa dijetului – la fel ca m jj din Fig. 4.

Date pentru Fig. 7 sunt luate din experimentul CMS din 2010, pe care au trasat ciocniri de carne până la energii de 220 GeV. Graficul de aici nu este numărul de coliziuni, ci un pic mai complicat: numărul de coliziuni pe GeV, adică numărul de coliziuni împărțit la lățimea coloanei histogramei. Se poate observa că același efect continuă să funcționeze pe întreaga gamă de date. Coliziuni precum cele prezentate în fig. 6, se întâmplă mult mai mult la energii joase decât la energii mari. Și acest număr continuă să crească până când nu mai este posibil să distingem jeturile. Un proton conține o mulțime de particule cu energie scăzută și puține dintre ele transportă o parte semnificativă din energia sa.

Dar prezența antiquarcilor în proton? Trei dintre cele mai interesante procese care nu sunt similare cu coliziunea descrisă în Fig. 6, care apare uneori la LHC (într-una din câteva milioane de ciocniri proton-proton) implică procesul:

Quarc + antiquarc -> particulă W + , W - sau Z.

Ele sunt prezentate în Fig. 8.

Orez. 8

Datele corespunzătoare din CMS sunt date în Fig. 9 și 10. Fig. Figura 9 arată că numărul de ciocniri care produc un electron sau pozitron (stânga) și ceva nedetectabil (probabil un neutrin sau antineutrin), sau un muon și un antimuon (dreapta), este prezis corect. Predicția se face prin combinarea modelului standard (ecuații care prezic comportamentul particulelor elementare cunoscute) și a structurii protonului. Vârfurile mari ale datelor se datorează apariției particulelor W și Z. Teoria se potrivește perfect datelor.

Orez. 9: puncte negre – date, galbene – predicții. Numărul de evenimente este indicat în mii. Stânga: Vârful central se datorează neutrinilor din particulele W. În dreapta, leptonul și antileptonul produs în ciocnire sunt combinate și este implicată masa particulei din care provin. Vârful apare datorită particulelor Z rezultate.

Chiar și mai multe detalii pot fi văzute în Fig. 10, unde se arată că teoria, din punct de vedere al numărului nu numai al acestora, ci și al multor măsurători asociate - dintre care majoritatea sunt asociate cu ciocniri de quarci cu antiquarci - se potrivește perfect cu datele. Datele (punctele roșii) și teoria (barele albastre) nu se potrivesc niciodată exact din cauza fluctuațiilor statistice, din același motiv că dacă arunci o monedă de zece ori nu vei obține neapărat cinci capete și cinci cozi. Prin urmare, punctele de date sunt plasate în „bara de eroare”, banda roșie verticală. Mărimea benzii este de așa natură încât, pentru 30% din măsurători, banda de eroare ar trebui să se limiteze la teorie, iar pentru doar 5% din măsurători ar trebui să fie la două benzi distanță de teorie. Se poate observa că toate dovezile confirmă că protonul conține mulți antiquarci. Și înțelegem corect numărul de antiquarci care transportă o anumită fracțiune din energia protonului.

Orez. 10

Atunci totul este puțin mai complicat. Știm chiar și câți quarci sus și jos avem în funcție de energia pe care o transportă, deoarece anticipăm corect - cu o eroare mai mică de 10% - cât de mult mai multe particule W + obținem decât particule W - (Fig. 11).

Orez. unsprezece

Raportul dintre antiquarci up și downquarks ar trebui să fie aproape de 1, dar ar trebui să existe mai mulți cuarci up decât cuarci down, mai ales la energii mari. În fig. 6 putem vedea că raportul dintre particulele W + și W - rezultate ar trebui să ne dea aproximativ raportul dintre quarcii up și down quarks implicați în producerea particulelor W. Dar în Fig. Figura 11 arată că raportul măsurat dintre particulele W + și W - este de 3 la 2, nu de 2 la 1. Acest lucru arată, de asemenea, că ideea naivă a unui proton constând din doi quarci up și un quark down este prea simplistă. Raportul simplificat de 2 la 1 este neclar, deoarece un proton conține multe perechi quark-antiquark, dintre care cele superioare și inferioare sunt aproximativ egale. Gradul de estompare este determinat de masa particulei W de 80 GeV. Dacă îl faceți mai ușor, va exista mai multă neclaritate, iar dacă este mai greu, va fi mai puțină estompare, deoarece majoritatea perechilor quark-antiquark din proton transportă puțină energie.

În cele din urmă, să confirmăm faptul că majoritatea particulelor dintr-un proton sunt gluoni.

Orez. 12

Pentru a face acest lucru, vom folosi faptul că cuarcii de top pot fi creați în două moduri: cuarc + antiquarc -> cuarc de top + antiquarc de top, sau gluon + gluon -> cuarc de top + antiquarc de top (Fig. 12). Cunoaștem numărul de quarci și antiquarci în funcție de energia pe care o transportă pe baza măsurătorilor ilustrate în Fig. 9-11. Din aceasta, putem folosi ecuațiile modelului standard pentru a prezice câți quarci de top vor fi produși din ciocnirile numai de quarci și antiquarci. De asemenea, credem, pe baza datelor anterioare, că există mai mulți gluoni într-un proton, așa că procesul gluon + gluon -> top quark + top antiquark ar trebui să apară de cel puțin 5 ori mai des. Este ușor să verificați dacă există gluoni acolo; dacă nu sunt, datele trebuie să fie cu mult sub previziunile teoretice.
gluoni Adăugați etichete