Каков истинный размер протона? Новые данные. Протон, раздел «Физик Что больше протон или какая то частица

Электроны двигаются вокруг ядра по круговым орбитам, подобно Земле, вращающейся вокруг Солнца. Электроны могут переходить между этими уровнями, и когда они это делают, они либо поглощают фотон, либо испускают фотон. Каков размер протона и что это такое?

Главный строительный элемент видимой Вселенной

Протон является основным строительным блоком видимой Вселенной, но многие его свойства, такие как радиус заряда и его аномальный магнитный момент, не совсем понятны. Что такое протон? Это субатомная частица с положительным электрическим зарядом. До недавнего времени протон считался наименьшей частицей. Однако благодаря новым технологиям стал известен тот факт, что протоны включают в себя еще более маленькие элементы, частицы, называемые кварками, истинными фундаментальными частицами материи. Протон может образовываться в результате неустойчивого нейтрона.

Заряд

Каким электрическим зарядом обладает протон? Он имеет заряд +1 элементарного заряда, который обозначается буквой "e" и был открыт в 1874 году Джорджем Стоуни. В то время как протон имеет положительный заряд (или 1e), электрон имеет отрицательный заряд (-1 или -e), а нейтрон вовсе не имеет заряда и может обозначаться 0e. 1 элементарный заряд равен 1,602 × 10 -19 кулонов. Кулон представляет собой тип единицы электрического заряда и является эквивалентом одному амперу, который неуклонно транспортируется в расчете на одну секунду.

Что такое протон?

Все, чего вы можете коснуться и чувствовать, состоит из атомов. Размер этих крошечных частиц внутри центра атома очень маленький. Хотя они составляют большую часть веса атома, но они все же очень малы. Фактически, если бы атом был размером с футбольное поле, каждый из его протонов был бы только размером с муравья. Протоны не должны ограничиваться ядрами атомов. Когда протоны находятся за пределами атомных ядер, они приобретают увлекательные, причудливые и потенциально опасные свойства, аналогичные свойствам нейтронов в подобных обстоятельствах.

Но протоны обладают дополнительным свойством. Поскольку они несут электрический заряд, их можно ускорить электрическими или магнитными полями. Высокоскоростные протоны и атомные ядра, содержащие их, выделяются в больших количествах во время солнечных вспышек. Частицы ускоряются магнитным полем Земли, вызывая ионосферные возмущения, известные как геомагнитные бури.

Число протонов, размер и масса

Количество протонов делает каждый атом уникальным. Например, у кислорода их восемь, у водорода всего один, а у золота - целых 79. Это число похоже на тождество элемента. Вы можете многое узнать об атоме, просто зная число его протонов. Эта найденная в ядре каждого атома, имеет положительный электрический заряд, равный и противоположный электрону элемента. Если бы он был изолирован, то имел бы массу всего около 1,673 -27 кг, чуть меньше массы нейтрона.

Число протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свое уникальное тождество. В атомах какого-либо конкретного элемента число протонов в ядрах всегда одно и то же. Атом простого водорода имеет ядро, которое состоит всего из 1 протона. Ядра всех других элементов почти всегда содержат нейтроны в дополнение к протонам.

Насколько велик протон?

Никто этого точно не знает, и это проблема. В экспериментах использовались модифицированные атомы водорода, чтобы получить размер протона. Это субатомная тайна с большими последствиями. Спустя шесть лет после того, как физики объявили о слишком малом измерении размера протона, ученые все еще не уверены касательно истинного размера. С появлением новых данных тайна становится все более глубокой.

Протоны - частицы, находящиеся внутри ядра атомов. В течение многих лет радиус протона казался закрепленным на отметке примерно в 0,877 фемтометров. Но в 2010 году Рэндольф Пол из из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, получил тревожный ответ, используя новую методику измерения.

Команда изменила один протон, один электронный состав атома водорода, переключив электрон на более тяжелую частицу, называемую мюоном. Затем они заменили этот измененный атом лазером. Измерение полученного изменения их энергетических уровней позволило им рассчитать размер его протонного ядра. К их удивлению, он вышел на 4 % меньше, чем традиционное значение, измеряемое другими средствами. В эксперименте Рэндольфа также применили новую методику к дейтерию - изотопу водорода, имеющему один протон и один нейтрон, все вместе известный как дейтрон, - в его ядре. Однако точное вычисление размера дейтрона занимало много времени.

Новые эксперименты

Новые данные показывают, что проблема радиуса протонов не исчезает. Еще несколько экспериментов в лаборатории Рэндольфа Пола и других уже ведутся. Кто-то прибегает к той же технике мюона для измерения размера более тяжелых атомных ядер, таких как гелий. Другие одновременно измеряют рассеяние мюонов и электронов. Пол подозревает, что виновником может быть не сам протон, а неправильное измерение константы Ридберга, число, которое описывает длины волн света, испускаемого возбужденным атомом. Но эта константа хорошо известна благодаря другим прецизионным экспериментам.

В другом объяснении предлагаются новые частицы, которые вызывают неожиданные взаимодействия между протоном и мюоном, не меняя его связи с электроном. Это может означать, что головоломка выводит нас за рамки стандартной модели физики частиц. «Если в какой-то момент в будущем кто-то обнаружит что-то помимо стандартной модели, это будет так», - говорит Пол, с первым небольшим расхождением, затем с другим и другим, медленно создавая более монументальный сдвиг. Какой истинный размер протона? Новые результаты бросают вызов базовой теории физики.

Рассчитав влияние радиуса протона на траектории пролета, исследователи смогли оценить радиус частицы протона, который составил 0,84184 фемтометра. Ранее этот показатель был на отметке от 0,8768 до 0,897 фемтометра. При рассмотрении таких крошечных количеств всегда существует вероятность ошибки. Однако после 12 лет кропотливых усилий члены команды уверены в точности своих измерений. Теория может нуждаться в некоторой доработке, но каким бы ни был ответ, физики еще долго будут почесывать головы, решая эту сложную задачу.

• Перевод

Рис. 1: атом водорода. Не в масштабе.

Вы знаете, что Большой адронный коллайдер в основном занимается тем, что сталкивает друг с другом протоны. Но что такое протон?

В первую очередь – ужасная и полная неразбериха. Настолько же уродливая и хаотичная, насколько прост и элегантен атом водорода.

Но что тогда такое атом водорода?

Это простейший пример того, что физики называют «связанным состоянием». «Состояние», по сути, означает некую штуку, существующую довольно долгое время, а «связанное» означает, что её компоненты связаны друг с другом, будто супруги в браке. На самом деле, пример супружеской пары, в которой один супруг гораздо тяжелее другого, сюда очень хорошо подходит. Протон сидит в центре, едва двигаясь, а по краям объекта движется электрон, движется быстрее, чем вы и я, но гораздо медленнее скорости света, всеобщего скоростного ограничения. Мирный образ брачной идиллии.

Или он кажется таким, пока мы не заглянем в сам протон. Внутренности самого протона больше напоминают коммуну, где плотно расположено множество холостых взрослых и детей: чистый хаос. Это тоже связанное состояние, но связывает оно не нечто простое, вроде протона с электроном, как в водороде, или хотя бы несколько десятков электронов с атомным ядром, как в более сложных атомах типа золота – но несметное количество (то есть, их слишком много и они слишком быстро меняются, чтобы их можно было подсчитать практически) легковесных частиц под названием кварки, антикварки и глюоны. Невозможно просто описать структуру протона, нарисовать простые картинки – он чрезвычайно дезорганизован. Все кварки, глюоны, антикварки, мечутся внутри с максимально возможной скоростью, почти со скоростью света.

Рис. 2: Изображение протона. Представьте, что все кварки (верхний, нижний, странный - u,d,s), антикварки (u,d,s с чёрточкой), и глюоны (g) снуют туда-сюда почти со скоростью света, сталкиваются друг с другом, появляются и исчезают

Вы могли слышать, что протон состоит из трёх кварков. Но это ложь – во благо, но всё же довольно большая. На самом деле в протоне существует несметное количество глюонов, антикварков и кварков. Стандартное сокращение «протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка» просто говорит о том, что в протоне на два верхних кварка больше, чем верхних антикварков, и на один нижний кварк больше, чем нижних антикварков. Чтобы это сокращение стало верным, необходимо добавлять к нему «и ещё несметные количества глюонов и пар кварк-антикварк». Без этой фразы представление о протоне будет настолько упрощённым, что понять работу БАК будет совершенно невозможно.

Рис. 3: Маленькая ложь во благо на стереотипном изображении из Википедии

В общем, атомы по сравнению с протонами похожи на па-де-де в изысканном балете по сравнению с дискотекой, заполненной пьяными подростками, прыгающими и машущими диджею.

Именно поэтому, если вы – теоретик, пытающийся понять, что увидит БАК в столкновениях протонов, вам будет сложно. Очень сложно предсказывать результаты столкновений объектов, которые нельзя описать простым способом. Но, к счастью, с 1970-х годов, на основе идей Бьёркена из 60-х, физики-теоретики нашли относительно простую и рабочую технологию. Но она всё же работает до определённых пределов, с точностью порядка 10%. По этой и некоторым другим причинам надёжность наших подсчётов на БАК всегда ограничена.

Ещё одна деталь по поводу протона – он крохотный. Реально крохотный. Если раздуть атом водорода до размеров вашей спальни, протон будет размером с такую маленькую крупицу пыли, что её будет очень трудно заметить. Именно потому, что протон настолько мал, мы можем игнорировать творящийся внутри него хаос, описывая атом водорода как простой. Точнее, размер протона в 100000 раз меньше размера атома водорода.

Для сравнения, размер Солнца всего в 3000 раз меньше размера Солнечной системы (если считать по орбите Нептуна). Именно так – в атоме более пусто, чем в Солнечной системе! Вспоминайте об этом, когда смотрите на небо ночью.

Но вы можете спросить: «Секундочку! Вы утверждаете, что Большой адронный коллайдер как-то сталкивает протоны, имеющие в 100000 раз меньшие размеры, чем атом? Да как это вообще возможно?»

Отличный вопрос.

Столкновения протонов против мини-столкновений кварков, глюонов и антикварков

Столкновения протонов на БАК происходят с определённой энергией. Это было 7 ТэВ = 7000 ГэВ в 2011 году, и 8 ТэВ = 8000 ГэВ в 2012-м. Но специалистам по физике частиц в основном интересны столкновения кварка одного протона с антикварком другого протона, или столкновениях двух глюонов, и т.п. – то, что может привести к появлению по-настоящему нового физического явления. Эти мини-столкновения несут в себе малую долю общей энергии столкновения протонов. Насколько большую часть этой энергии они могут переносить, и зачем нужно было увеличивать энергию столкновений с 7 ТэВ до 8 ТэВ?

Ответ – на рис. 4. На графике показано количество столкновений, зафиксированных в детекторе ATLAS. В данных от лета 2011 года участвуют рассеяние кварков, антикварков и глюонов с других кварков, антикварков и глюонов. Такие мини-столкновения чаще всего производят два джета (струи адронов, проявления высокоэнергетических кварков, глюонов или антикварков, выбитых из родительских протонов). Измеряют энергии и направления джетов, и из этих данных определяют количество энергии, которое должно было участвовать в мини-столкновении. На графике показано количество мини-столкновений такого типа в виде функции энергии. Вертикальная ось логарифмическая – каждая чёрточка обозначает увеличение количества в 10 раз (10 n обозначает 1 и n нулей после него). К примеру, количество мини-столкновений наблюдаемых в промежутке энергий от 1550 до 1650 ГэВ равнялось порядка 10 3 = 1000 (отмечено голубыми линиями). Учтите, что график начинается с энергии в 750 ГэВ, но количество мини-столкновений продолжает расти, если вы изучаете джеты с меньшими энергиями, вплоть до момента, когда джеты становятся слишком слабыми, чтобы их засечь.

Рис. 4: количество столкновений как функция энергии (m jj)

Учтите, что общее количество столкновений протон-протон с энергией в 7 ТэВ = 7000 ГэВ приблизилось к 100 000 000 000 000. И из всех этих столкновений только два мини-столкновения превысили отметку 3500 ГэВ – половину энергии столкновения протонов. Теоретически энергия мини-столкновения может возрасти до 7000 ГэВ, но вероятность этого всё время падает. Мы настолько редко видим мини-столкновения с энергией 6000 ГэВ, что вряд ли увидим энергию в 7000 ГэВ, даже если соберём в 100 раз больше данных.

В чём же преимущества повышения энергии столкновения от 7 ТэВ в 2010-2011 годах до 8 ТэВ в 2012-м? Очевидно, что теперь то, что вы могли делать на уровне энергии E, теперь вы можете сделать на уровне энергии в 8/7 E ≈ 1.14 E. Так что, если прежде можно было надеяться увидеть в таком количестве данных признаки определённого типа гипотетической частицы с массой в 1000 ГэВ/с 2 , то теперь можно надеяться достичь как минимум 1100 ГэВ/с 2 с тем же набором данных. Возможности машины возрастают – можно искать частицы чуть большей массы. А если в 2012 году вы наберёте в три раза больше данных, чем в 2011-м, вы получите большее число столкновений для каждого уровня энергии, и сможете увидеть признаки гипотетической частицы массой, допустим, 1200 ГэВ/с 2 .

Но это ещё не всё. Посмотрите на голубую и зелёную линии на рис. 4: они показывают, что происходят на энергиях порядка 1400 и 1600 ГэВ – таких, что соотносятся друг с другом, как 7 к 8. На уровне энергии столкновения протонов в 7 ТэВ количество мини-столкновений кварков с кварками, кварков с глюонами и т.п. с энергией 1400 ГэВ более чем в два раза превышает количество столкновений с энергией в 1600 ГэВ. Но когда машина увеличивает энергию на 8/7, то, что выполнялось для 1400, начинает выполняться для 1600. Иначе говоря, если вас интересуют мини-столкновения фиксированной энергии, их количество растёт – и гораздо больше, чем 14% роста энергии столкновения протонов! Это значит, что для любого процесса с предпочтительной энергией, допустим, появления легковесных частиц Хиггса, которое происходит на энергиях порядка 100-200 ГэВ, вы получаете больше результата за те же деньги. Рост с 7 до 8 ТэВ означает, что для того же количества столкновений протонов вы получаете больше частиц Хиггса. Производство частиц Хиггса увеличится примерно на 1,5. Количество верхних кварков и определённых типов гипотетических частиц увеличится чуть сильнее.

Это означает, что хотя в 2012 году количество столкновений протонов увеличено в 3 раза по сравнению с 2011-м, общее количество полученных частиц Хиггса увеличится почти в 4 раза просто из-за увеличения энергии.

Кстати, рис. 4 также доказывает, что протоны не состоят просто из двух верхних кварков и одного нижнего, как изображают на рисунках типа рис. 3. Если бы они были такими, тогда кварки должны были бы переносить порядка трети энергии протонов, и большая часть мини-столкновений проходила бы с энергиями порядка трети от энергии столкновения протонов: в районе 2300 ГэВ. Но на графике видно, что в районе 2300 ГэВ ничего особенного не происходит. С энергиями меньше 2300 ГэВ происходит гораздо больше столкновений, и чем ниже вы спускаетесь, тем больше столкновений видите. Всё оттого, что в протоне содержится огромное количество глюонов, кварков и антикварков, каждый из которых переносит малую часть энергии протона, но их так много, что они участвуют в огромном количестве мини-столкновений. Это свойство протона и показано на рис. 2 – хотя на самом деле количество низкоэнергетических глюонов и пар кварк-антикварк гораздо больше, чем изображено на рисунке.

Но вот чего график не показывает, так это доли, которые при мини-столкновениях с определённой энергией приходятся на столкновения кварков с кварками, кварков с глюонами, глюонов с глюонами, кварков с антикварками, и т.д. На самом деле, напрямую из экспериментов на БАК этого и нельзя сказать – джеты от кварков, антикварков и глюонов выглядят одинаково. Откуда нам известны эти доли – это история сложная, в неё входят множество различных прошлых экспериментов и комбинирующая их теория. И отсюда нам известно, что мини-столкновения самых высоких энергий обычно происходят у кварков с кварками и у кварков с глюонами. Столкновения на низких энергиях обычно происходят между глюонами. Столкновения кварков и антикварков происходят относительно редко, но они очень важны для определённых физических процессов.

Распределение частиц внутри протона

Рис. 5

Два графика, отличающихся масштабом вертикальной оси, показывают относительную вероятность столкновения с глюоном, верхним или нижним кварком, или антикварком, переносящим долю энергии протона, равную x. При малых x доминируют глюоны (а кварки и антикварки становятся равновероятными и многочисленными, хотя их всё равно меньше, чем глюонов), а при средних x доминируют кварки (хотя их становится крайне мало).

Оба графика демонстрируют одно и то же, просто с разным масштабом, поэтому то, что сложно увидеть на одном из них, проще рассмотреть на другом. А показывают они вот что: если в Большом адронном коллайдере на вас летит протонный луч, и вы ударяете по чему-либо внутри протона, насколько вероятно то, что вы ударите верхний кварк, или нижний кварк, или глюон, или верхний антикварк, или нижний антикварк, переносящий долю энергии протона, равную x? Из этих графиков можно вынести, что:

Из того, что все кривые очень быстро растут при малых x (видно на нижнем графике), следует, что большая часть частиц в протоне переносит менее 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.
Из того, что жёлтая кривая (снизу) гораздо выше остальных, следует, что если вы столкнулись с чем-то, переносящим менее 10% энергии протона, то это, скорее всего, глюон; а опустившись ниже 2% энергии протона это с равной вероятностью будут кварки или антикварки.
Из того, что кривая глюона (вверху) опускается ниже кривых кварков при увеличении х, следует, что если вы столкнулись с чем-либо, переносящим более 20% (x > 0,2) энергии протона – что бывает очень, очень редко – это, скорее всего, кварк, при этом вероятность того, что это верхний кварк, в два раза больше вероятности, что это нижний кварк. Это остатки идеи, что «протон – это два верхних кварка и один нижний».
Все кривые с увеличением х резко падают; очень маловероятно, что вы столкнётесь с чем-либо, переносящим более 50% энергии протона.

Эти наблюдения непрямым образом отражаются на графике с рис. 4. Вот ещё пара неочевидных вещей по поводу двух графиков:
Большая часть энергии протона делится (примерно одинаково) между небольшим количеством высокоэнергетических кварков и огромным количеством низкоэнергетических глюонов.
Среди частиц по количеству преобладают низкоэнергетические глюоны, а за ними уже идут кварки и антикварки очень низких энергий.

Количество кварков и антикварков огромно, но: общее количество верхних кварков за вычетом общего количество верхних антикварков равно двум, а общее количество нижних кварков за вычетом общего количества нижних антикварков, равно одному. Как мы видели выше, лишние кварки переносят ощутимую (но не основную) часть энергии протона, летящего на вас. И только в этом смысле можно сказать, что протон в основном состоит из двух верхних кварков и одного нижнего.

Кстати, вся эта информация была получена из захватывающей комбинации экспериментов (в основном по рассеянию электронов или нейтрино с протонов или с атомных ядер тяжёлого водорода – дейтерия, содержащего один протон и один нейтрон), собранных вместе при помощи подробных уравнений, описывающих электромагнитные, сильные ядерные и слабые ядерные взаимодействия. Эта долгая история тянется с конца 1960-х и начала 1970-х. И она прекрасно работает для предсказания явлений, наблюдаемых в коллайдерах, где сталкиваются протоны с протонами и протоны с антипротонами – таких, как Тэватрон и БАК.

Другие доказательства сложной структуры протона

Давайте посмотрим на кое-какие данные, полученные на БАК, и то, как они подтверждают утверждения о строении протона (хотя текущее понимание протона появилось уже 3-4 десятилетия назад, благодаря множеству экспериментов).

График на рис. 4 получен из наблюдений за столкновениями, в процессе которых происходит что-то вроде изображённого на рис. 6: кварк или антикварк или глюон одного протона сталкиваются с кварком или антикварком или глюоном другого протона, рассеиваются с него (или происходит что-то более сложное – к примеру, два глюона сталкиваются и превращаются в кварк и антикварк), в результате чего две частицы (кварки, антикварки или глюоны) разлетаются от точки столкновения. Две этих частицы превращаются в джеты (струи адронов). Энергия и направление джетов наблюдаются в детекторах частиц, окружающих точку столкновения. Эта информация используется, чтобы понять, сколько энергии содержалось в столкновении двух изначальных кварков/глюонов/антикварков. Точнее говоря, инвариантная масса двух джетов, помноженная на c 2 , даёт энергию столкновения двух изначальных кварков/глюонов/антикварков.

Рис. 6

Количество столкновений такого типа в зависимости от энергии дано на рис. 4. То, что на низких энергиях количество столкновений гораздо больше, подтверждает тот факт, что большая часть частиц внутри протона переносит только малую долю его энергии. Данные начинаются с энергий в 750 ГэВ.

Рис. 7: данные для более низких энергий, взятые из меньшего набора данных. Dijet mass – то же, что m jj на рис. 4.

Данные для рис. 7 взяты из эксперимента CMS от 2010 года, на котором они строили график столкновений плоть до энергий в 220 ГэВ. Здесь построен график не количества столкновений, а немного сложнее: количества столкновений на ГэВ, то есть количество столкновений поделено на ширину столбца гистограммы. Видно, что тот же самый эффект продолжает работать на всём диапазоне данных. Столкновений типа тех, что изображены на рис. 6, при низких энергиях происходит гораздо больше, чем при высоких. И это количество продолжает расти до тех пор, пока уже невозможно становится различать джеты. В протоне содержится очень много низкоэнергетических частиц, и мало какие из них переносят ощутимую долю его энергии.

Что насчёт наличия в протоне антикварков? Три из самых интересных процессов, не похожих на столкновение, изображённое на рис. 6, иногда происходящие на БАК (в одном из нескольких миллионов столкновений протон-протон) включают процесс:

Кварк + антикварк -> W + , W - или Z-частица.

Они показаны на рис. 8.

Рис. 8

Соответствующие данные с CMS даны на рис. 9 и 10. Рис. 9 показывает, что количество столкновений, в результате которых появляется электрон или позитрон (слева) и нечто необнаружимое (вероятно, нейтрино или антинейтрино), или же мюон и антимюон (справа), предсказано правильно. Предсказание делается комбинированием Стандартной Модели (уравнений, предсказывающих поведение известных элементарных частиц) и структуры протона. Большие пики данных возникают из-за появления частиц W и Z. Теория прекрасно совпадает с данными.

Рис. 9: чёрные точки – данные, жёлтое – предсказания. Количество событий указано в тысячах. Слева: центральный пик появляется из-за нейтрино в частицах W. Справа комбинируются лептон и антилептон, появляющиеся в столкновении, и подразумевается масса частицы, из которой они появились. Пик появляется из-за получающихся частиц Z.

Ещё больше деталей можно видеть на рис. 10, где показано, что теория по количеству не только указанных, но и многих связанных с ними измерений – большинство из которых связаны со столкновениями кварков с антикварками – прекрасно совпадает с данными. Данные (красные точки) и теория (синие отрезки) никогда не совпадают точно из-за статистических флуктуаций, по той же причине, по которой вы, десять раз подбросив монету, не получите обязательно пять «орлов» и пять «решек». Поэтому точки-данные размещаются в пределах «полосы ошибки», вертикальной красной полоски. Размер полосы такой, что для 30% измерений полоса ошибки должна граничить с теорией, и всего для 5% измерений она должна отстоять от теории на две полосы. Видно, что все свидетельства подтверждают, что в протоне содержится множество антикварков. И мы правильно понимаем количество антикварков, переносящих определённую долю энергии протона.

Рис. 10

Дальше всё немного сложнее. Мы знаем даже, сколько у нас есть верхних и нижних кварков в зависимости от переносимой ими энергии, поскольку правильно предсказываем – с погрешностью менее 10% - насколько частиц W + получается больше, чем частиц W - (рис. 11).

Рис. 11

Соотношение верхних антикварков к нижним должно быть близко к 1, но верхних кварков должно быть больше, чем нижних, особенно при высоких энергиях. На рис. 6 можно видеть, что соотношение получающихся частиц W + и W - должно приблизительно давать нам соотношение верхних кварков и нижних кварков, участвующих в производстве частиц W. Но на рис. 11 видно, что измеренное отношение частиц W + к W - равно 3 к 2, а не 2 к 1. Это тоже показывает, что наивное представление о протоне, как о состоящем из двух верхних кварков и одного нижнего кварка слишком упрощено. Упрощённое соотношение 2 к 1 размывается, поскольку в протоне содержится множество пар кварк-антикварк, из которых верхних и нижних получается примерно поровну. Степень размытия определяется массой частицы W в 80 ГэВ. Если сделать её легче, размытия будет больше, а если тяжелее – меньше, поскольку большая часть пар кварк-антикварк в протоне переносит мало энергии.

Наконец, давайте подтвердим тот факт, что большая часть частиц в протоне – это глюоны.

Рис. 12

Для этого мы будем использовать тот факт, что верхние кварки можно создать двумя способами: кварк + антикварк -> верхний кварк + верхний антикварк, либо глюон + глюон -> верхний кварк + верхний антикварк (рис. 12). Мы знаем количество кварков и антикварков в зависимости от переносимой ими энергии на основе измерений, проиллюстрированных на рис. 9-11. Исходя из этого, можно использовать уравнения Стандартной Модели для предсказания того, сколько верхних кварков получится из столкновений только кварков и антикварков. Также мы считаем, на основании предыдущих данных, что в протоне глюонов больше, поэтому процесс глюон + глюон -> верхний кварк + верхний антикварк должен протекать не менее, чем в 5 раз чаще. Легко проверить, есть ли там глюоны; если их нет, данные должны лежать гораздо ниже теоретических предсказаний.
глюоны Добавить метки

(КЭД) — теория, предсказания которой сбываются иногда с поразительной точностью, до сотых миллионных долей процента. Тем удивительней такое расхождение между выводами КЭД и новыми экспериментальными данными.

«Изящнее всего было бы, если б в расчетах просто была обнаружена какая-то ошибка, — говорит один из авторов этого эксперимента Рэндольф Пол (Randolf Pohl), — но теоретики всё изучили и пришли к выводу, что всё в порядке». Возможно, проблема не в том, что протон оказался меньше расчетных размеров, а в том, что мы не до конца понимаем, что происходит внутри него.

Для проведения как можно более точных измерений физики пошли не прямым путем, а сперва сконструировали нестандартный атом водорода. Напомним, что этот простейший атом состоит из 1-го протона в роли ядра и 1-го электрона, вращающегося вокруг него. Говоря точнее, электрон представляет собой электронное облако, которое может переходить в различные квантовые состояния — орбитали разной формы. Каждая орбиталь характеризуется строго определенным уровнем энергии.

Однако в 1947 г. группа американских физиков под руководством будущего Нобелевского лауреата Уиллиса Лэмба (Willis Lamb) обнаружила, энергия орбиталей не всегда четко соответствует квантованным уровням энергии, предсказанным теорией. Эти сдвиги, получившие название Лэмбовских , вызываются взаимодействием электронного облака с флуктуациями электромагнитного поля. Именно это открытие — и его теоретическое обоснование, сделанное вскоре Хансом Бете (Hans Bethe) заложило основы квантовой электродинамики, как самой точной на сегодняшний день квантовой теории поля.

И вот Рэндольф Пол и его коллеги более 10-ти лет пытались установить пределы этой точности. Используя ускоритель частиц в швейцарском , они создали не совсем обычные атомы водорода, в которых электрон заменен другой частицей, мюоном , обладающим тем же единичным отрицательным зарядом, но весящим в 207 раз тяжелее электрона и весьма неустойчивым — время жизни его составляет порядка 2 мкс. Затем ученые замеряли Лэмбовский сдвиг в таком «мюонном водороде». Поскольку мюон намного тяжелее электрона, он вращается по орбите, куда более близкой к самому протону и иначе взаимодействует с квантовыми флуктуациями, вызывающими сдвиг. В таком случае он должен быть бОльшим, и легче измеряемым.

Замеренный с высокой точностью Лэмбовский сдвиг оказался выше, чем предсказания КЭД, а поскольку он зависит и от радиуса протона, из него было вычислено, что радиус этот составляет 0,84184 миллионных нанометра — на 4% меньше, чем по результатам, полученным измерениями на обычном водороде.

Можно ли говорить о провале теории КЭД? Вряд ли, — считает российский физик-теоретик Рудольф Фаустов. Он напоминает, что сам протон представляет собой комбинацию кварков и глюонов, объединенных воедино сильным взаимодействием. Сама сложность этой структуры существенно затрудняет точное измерение электромагнитных взаимодействий между протоном и мюоном. На практике трудно отделить одни взаимодействия от других и понять, насколько на свойства протона повлияло само появление мюона.

Добрый вечер, просвещённые судари и сударыни!

Я познакомлю вас сегодня с элементарной частицей мироздания - с протоном и ради этого задам вам, дорогие мои читатели, самый простой вопрос,- что есть протон? Частица или волна, или то и другое?

При всей кажущейся простоте вопроса, ответить на его не так - то и легко. Поэтому прежде чем ответить на этот непростой вопрос, нам необходимо обратиться к справочным данным из интернета:

"Протон - стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода.

В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906 - 1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона первые фотографии следов протона, одновременно подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах альфа-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента.

Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона.

Масса протона = (938,2796 ± 0,0027) МэВ или = 1,6;10 в минус 24 степени
грамм, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом - 1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами - глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия.

Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры = 10 * 10 в минус 13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.

Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так: сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия - протоны и электроны в атомах."

Источник: http://www.b-i-o-n.ru/theory/stroenie-fisicheskogvaku..

Из интернетного определения протона следует, что протон является элементарной частицей, поскольку он обладает физической массой и зарядом и оставляет трековый след в камере Вильсона. Однако согластно современным представлениям учёных, он не является истинной элементарной частицей из- за того, что состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, связанных между собой обменом другими гипотетическими частицами - глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия...

Получается следующий логический вывод: с одной стороны- он частица, а с другой стороны- обладает волновыми качествами.

Обратим наше особое внимание, уважаемые читатели, что сам протон был открыт косвенным путём при облучении альфа частицами (ядра гелия с высокими энергиями) атомов азота, то есть он был открыт в движении.

Кроме этого, уважаемые мыслители, протон по современным представлениям учёных представляет собой "яблоко в тумане" с размытой границей, состоящее из рождающихся и уничтожающихся виртуальных частиц.

И вот наступает момент истины, который заключается в неожиданном вопросе,- А что же происходит с протоном в движении с очень большими скоростями порядка скорости света?

На этот вопрос отвечает учёный Игорь Иванов на своей учёной странице "Какую форму имеет быстролетящий протон": http://elementy.ru/novosti_nauki/430940

Вот что он пишет: "Теоретические расчеты показывают, что протоны и ядра, движущиеся с околосветовой скоростью, имеют форму не плоского диска, а двояко-вогнутой линзы.

Микромир живет по законам, которые очень непохожи на законы окружающего нас мира. Многие наслышаны про волновые свойства вещества или про то, что вакуум в квантовой теории - вовсе не пустота, а бурлящий океан виртуальных частиц. Менее известно то, что само понятие «состава» сложных частиц является в микромире понятием относительным, зависящим от того, как вы на эту частицу посмотрели. А это, в свою очередь, влияет на «форму» составных частиц, например протона...

Протон - составная частица. Обычно говорят, что протоны состоят из кварков, скрепленных вместе глюонным полем, однако такое описание справедливо только для неподвижных или медленно движущихся протонов. Если же протон летит со скоростью, близкой к скорости света, то намного корректнее его описывать в виде пронизывающих друг друга облаков кварков, антикварков и глюонов. Все вместе они называются «партоны» (от английского «part» - часть).

В квантовой теории количество партонов не фиксировано (это, в общем-то, относится ко всем частицам). Такой «закон несохранения» возникает из-за того, что каждый партон может расщепиться на два партона с энергией поменьше или, наоборот, два партона могут рекомбинировать - слиться в один. Оба этих процесса происходят постоянно, и в результате в быстролетящем протоне возникает некоторое динамически сбалансированное количество партонов. Причем это количество зависит от системы отсчета: чем больше энергия протона, тем больше в нём партонов.

В итоге получается несколько неожиданная картина, которая, на первый взгляд, даже противоречит теории относительности. Напомним, что в соответствии с теорией относительности продольный размер быстро движущихся тел сокращается. Например, шар (в своей системе покоя) выглядит сильно сплюснутым диском для быстро движущегося наблюдателя. Однако это «правило сплющивания» нельзя буквально переносить на протон, поскольку где в пространстве пролегает «граница протона» - зависит от системы отсчета.

С одной стороны, при переходе из одной системы отсчета в другую партонное облако действительно стремится сплющиться в согласии с теорией относительности. Но с другой стороны, при этом нарождаются новые партоны, которые как бы «восстанавливают» его продольный размер. В целом получается так, что протон - который является просто набором партонных облаков - вовсе не сплющивается с ростом энергии..."

Момент истины продолжается, мои дорогие мыслители! Он продолжается в неожиданных вопросах читателей автору Игорю Иванову, заданных при обсуждении его статьи " Какую форму имеет быстролетящий протон".
Я приведу вам не все из них, а только избранные ввиде вопросов и ответов:

Когда протон при высоких энергиях принимает форму "двояковыпуклой линзы", как это согласуется с неопределённостью Гезенберга?

Он именно из- за этого отношения принимает такую форму. Ближе к краю продольный импульс мягких глюонов меньше, так как продольная толщина больше.

Он вовсе не сжимается в гамма раз, а остаётся довольно "толстым."
Толстая волновая функция протона- это как?

2. Ответ учёного Игоря Иванова:

Разве это не понятно из контекста?! "Толстый" в противоположность "тонкому", то есть имеющий (относительно) большой продольный размер!

Я не о том спрашиваю! Я спрашиваю,- к чему вы приписываете геометрию? К волновым функциям? Или рассматриваете в виде волнового пакета и как-то пытаетесь его описать? Что такое размер для протона? Может, по- вашему, это какие-то свойства его дифференциального сечения или что?

4. Ответ учёного Игоря Иванова:

Зачем столько вопросительных знаков? Да, размер относится к волновой функции партонов, то есть к фурье образу распределения партонов по продольному импульсу. Я привёл ссылки, вы можете подробнее прочитать их.

"Да, размер относится к волновым функциям партонов",- может, всё таки протона, а не партонов?! Не знал, что волновая функция партонов- суть образ распределения партонов по продольному импульсу (здесь случаем нет тофтологии?!)

5. Ответ учёного Игоря Иванова:

Извините, но мне кажется,- вы уже троллите. Ссылеку я дал, теперь очередь за вами их изучить, если вас этот вапрос действительно интересует.

Вы правы- я тороллю, так как не совсем согласен с описанием протонов в виде "толстых" и "тонких."...

Я приведу вам, мои любопытные читатели ещё один из диалогов нового человека firtree c учёным Игорем Ивановым:

1. Вопрос нового человека:

В первых строках "продольный размер быстро летящего протона" вы подменяете размер частицы длинной волны или размером волнового пакета частицы. Это примерно тоже самое, что сказать, что электрон- не точечный, а имеет размеры порядка радиуса Бора, находясь в атоме водорода. В том числе, если взять покоящийся протон, его "продольные размеры" будут больше его же радиуса.

1. Ответ учёного Игоря Иванова:

Нет, я эти две вещи не путаю. Я говорю, что размер протона эквивалентен типичным длинам волн, составляющих его партонов. Это то же самое, что сравнивать размер атома водорода и типичные длины волн электрона, а не длину атома целиком, которая может быть много больше своего размера.
К покоящемуся протону переходить нельзя, описание не годится.

2. Размышление нового человека:

Я говорю, что размер протона эквивалентен длинам волн составляющих его партонов. Это то же самое, что сравнивать размер атома водорода и типичные длины волн электрона, а не длину атома целиком, которая может быть много больше своего размера.
Вот это и настараживает. Если длина волны атома целиком велика, много больше размеров атома, то и длина волны электрона в составе атома также велика.
Для оценки размеров атома используется другой метод, который называется "переход в систему отсчёта центра масс". Разумеется, речь идёт о взятии оператора разности пары частиц, составляющих систему (Ядро- электрон).
Когда длина волны атома целиком велика, волны электрона и ядра, рассмотренные по отдельности, сильно коррелированы, так что такая разность (среднее значение) оказывается нисколько не похожей на длину волны электрона, рассмотренного самого по себе. Аналогично для партонов должна оцениваться разность координат.

3. А сейчас я приведу вам, мои дорогие читатели, заключительный вывод другого человека, подключившегося к беседе с учёным Игорем Ивановым:

Вопрос: Что же такое частица? Почему её нельзя описать полностью в "инвариантных терминах",- например, таких как заряд, симметрия, сечение рассеивания?
Получается, что структура частицы это результат промежуточных вычислений и смущает не экспериментальная её ненаблюдаемость, а принципиальное отсутствие физического смысла, поскольку она, структура, не присуща самой частице и меняется при смене системы отсчёта наблюдателя.
Имеет ли смысл вообще говорить в таком случае, что протон состоит из чего- либо, это скорее всего - удобный вычислительный трюк...

Кроме этого, я поражаюсь тому, как возможно, что из инвариантных уравнений квантовой теории поля получаются неинвариантные сущности, вроде структуры частицы?!

Уважаемые судари и сударыни! Прочитав предубеждения современных учёных о строении протона и прослушав беседы с учёным Игорем Ивановым я пришел к следующим неизгладимым выводам:

1. Протон не состоит из из двух u-кварков и одного d-кварка, связанных между собой обменом другими гипотетическими частицами - глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия.

2. Состав протона придумали сами учёные ради своих собственных умозаключений и вычислительных трюков.

3. Мы не можем ответить на самый простой вопрос мироздания,-
Что же такое частица протон? И не можем проникнуть в его тайну, поскольку зациклились в дебрях неверной теории- Квантовой Теории Поля, которая не может объяснить самого главного:

4. Каким образом полу- частица протон становиться пакетом полу- волн?
И что происходит со временем в час перехода полу- частицы в пакет полу- волн?

5. Мы забыли о самом времени, о его искривлении в час перехода из трёхмерного мира в многомерный мир.

Он частица иль волна?

Видно глюки у меня
Появилися не зря
После слов глюон любави
У протона на крови?

Говорит учёный свет,-
Мол, протон - любви привет,
В нём три кварка и глюон,
Что скрепляет их поклон.

Он в покое не сидит,
А как яблоко дрожит
И туманом пьяных глаз
Водит за нос часто нас.

А когда примет на грудь
Стопочку свою чуть- чуть,
То летит потоком в свет
Передать друзьям портрет.

Он рисунок не простой,
Чертит новою мечтой,
С вогнутостью линз в очах,
С дерзким словом, в дерзких снах.

Он и здесь и там, и тут.
Его люди не поймут,
Потому что в их мозгах
Прозябает детский страх.

Только тот, кто сердцем чист,
Скинет в безну знанья лист,
Примет сердцем свой протон
И познает счастья тон...

Примечание: Красота обновлённого протона взята из обновлённых мозгов интернета.