Что больше протон или какая то частица. Строение атома: ядро, нейтрон, протон, электрон

Дам свой вариант ответа.

Протон, электрон и другие частицы - это очень-очень-оооочень маленькие частицы. Можно представлять их, например, как круглые пылинки (хотя это будет не совсем точно, но это лучше, чем вообще никак). Такие маленькие, что невозможно просто так рассмотреть одну такую пылинку. Всё вещество, всё что мы видим, всё что можем потрогать - совершенно всё состоит из этих частиц. Земля состоит из них, воздух из них, Солнце из них, человек из них.

Люди всегда хотели разобраться, как весь мир устроен. Из чего он состоит. Вот у нас есть горстка песка. Очевидно, что песок состоит из песчинок. А из чего состоит песчинка? Песчинка - это прочно слипшийся комочек, очень маленький камешек. Оказалось, что песчинку можно разделить на части. А если эти части ещё раз разделить на более мелкие части? А потом ещё раз? Можно ли, в конце-концов, найти что-такое, что уже нельзя будет разделить?

Люди, действительно, обнаружили, что в конечном счёте всё состоит из "пылинок", которые уже нельзя просто так разделить. Эти пылинки назвали "молекулами". Есть молекула воды, есть молекула кварца (кстати, песок, в основном, состоит из кварца), есть молекула соли (той, которую мы едим) и очень много разных других молекул.

Если же попытаться разделить, например, молекулу воды на части, то окажется, что составляющие части ведут себя уже совсем не как вода. Люди назвали эти части "атомами". Оказалось, что вода всегда разделяется на 3 атома. При этом 1 атом - это кислород, а другие 2 атома - это водород (их в воде 2 штуки). Если соединить любой атом кислорода с любыми 2 атомами водорода - опять будет вода.

При этом из кислорода и водорода можно кроме воды сделать и другие молекулы. Например, 2 атома кислорода легко соединяются друг с другом в такой "двойной кислород" (называется "молекула кислорода"). Такого кислорода очень много в нашем воздухе, мы им дышим, он нам нужен для жизни.

То есть оказалось, что у молекул есть "части", которые должны работать вместе, чтобы получился нужный результат. Это, например, как игрушечная машинка. У машинки, допустим, должна быть кабина и 4 колеса. Только когда они все вместе собраны - это машинка. Если же чего-то не хватает, то это уже не машинка. Если же вместо колёс поставить гусеницы - то будет вообще не машина, а танк (ну почти). Так и с молекулами. Чтобы была вода, она обязательно должна состоять из 1 кислорода и 2 водорода. Но по отдельности - это не вода.

Когда люди поняли, что все молекулы состоят из разного набора атомов, это людей обрадовало. Поизучав атомы, люди увидели, что в природе существует всего лишь около 100 разных атомов. То есть, люди узнали что-то новое о мире. Что всё-всё, что мы видим - это всего лишь 100 разных атомов. Но из-за того, что они соединены по разному, получается огромное разнообразие молекул (миллионы, миллиарды и даже больше разных молекул).

Можно ли взять и разделить какой-нибудь атом? Теми средствами, которые существовали в средневековье, разделить атом было невозможно. Поэтому какое-то время считалось, что атом разделить нельзя. Считалась, что "атомы" - это самые маленькие частицы, из которых состоит весь мир.

Однако, в итоге, атом разделить удалось. И обнаружилось (самое чудесное), что с атомами та же ситуация. Оказалось, что все 100 (их немного больше 100, на самом деле) разных атомов распадаются на всего лишь 3 разных вида частиц. Всего 3! Оказалось, что все атомы - это набор из "протонов", "нейтронов" и "электронов", которые соединены в атоме определённым образом. Разное количество этих частиц, будучи соединёнными вместе, дают разные атомы.

Есть чему радоваться: человечество докопалось до понимания, что всё-всё многообразие мира - это всего лишь 3 элементарные частицы.

А можно ли разделить какую-нибудь элементарную частицу? Например, можно ли разделить протон? Сейчас считается, что частицы (например, протон) тоже состоят из частей, которые назвали "кварки". Но, насколько я знаю, до сих пор ни разу не удалось отделить "кварк" от частицы, чтобы "посмотреть", что же это такое, когда оно находится отдельно, само по себе (а не в составе частицы). Похоже, что кварки не могут (или же очень не хотят) существовать иначе, кроме как внутри частицы.

Так что на данный момент протон, нейтрон и электрон - это самые маленькие части нашего мира, которые могут существовать отдельно, и из которых всё состоит. Это действительно, впечатляет.

Правда, радость длилась не очень долго. Потому что оказалось, что кроме протона, нейтрона и электрона существует множество других разновидностей частиц. Однако, в природе они почти никогда не встречаются. Не замечено, чтобы что-то большое в природе было построено из иных частиц, нежели чем протон, нейтрон и электрон. Но известно, что эти другие частицы можно получить искусственно, если несколько частиц разогнать до умопомрачительных скоростей (около миллиарда километров в час) и стукнуть ими по другим частицам.

Об устройстве атома.

Теперь можно немножко поговорить об атоме и его частицах (протонах, нейтронах, электронах).

Чем отличаются разные частицы? Протон и нейтрон - тяжёлые. А электрон - лёгкий. Конечно, поскольку все частицы очень маленькие - они все очень лёгкие. Но электрон, если не ошибаюсь, в тысячу раз легче, чем протон или нейтрон. А протон и нейтрон зато очень похожи по массе. Почти точь в точь (с чего бы? может быть, это не случайно?).

Протоны и нейтроны в атоме всегда соединяются вместе и образуют этакий "шарик", который называют "ядром". А вот электронов в ядре никогда не бывает. Вместо этого электроны вращаются вокруг ядра. Для наглядности часто говорят, что электроны вращаются вокруг ядра "как планеты вокруг Солнца". На самом деле, это не совсем так. Это примерно настолько же правда, насколько детский мультик похож на реальную жизнь. Вроде бы почти одинаково, но в реальности всё гораздо сложнее и непонятнее. В общем, 5-класснику полезно будет представить что электроны "летают вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца". А потом где-нибудь в 7-9 классе можно будет прочитать про чудеса квантового микро-мира. Там ещё более чудесные чудеса, чем в Алисе в Стране Чудес. В том смысле, что там (на уровне атомов) всё происходит не так, как мы привыкли.

Также несколько электронов можно отделить от атома без очень уж больших усилий. Тогда получится атом без нескольких электронов. Эти электроны (их тогда называют "свободные электроны") будут летать сами по себе. Кстати, если взять много свободных электронов - получится электричество, с помощью которого в 21-м веке работает почти всё классное:).

Итак, протоны и нейтроны - тяжёлые. Электрон - лёгкий. Протоны и нейтроны - в ядре. Электроны - крутятся вокруг или же летают где-то сами по себе (обычно, немного полетав, они прицепляются к другим атомам).

А чем протон отличается от нейтрона? В целом они очень похожи, за исключением одной важной штуки. Протон имеет зяряд. А нейтрон - не имеет. Электрон, кстати, тоже имеет заряд, но другого типа...

А что такое "заряд"? Ну... Я думаю, что на этом вопросе нам лучше остановиться, потому что нужно же где-то остановиться.

Если ты захочешь узнать подробности, пиши, я отвечу. А пока что, я думаю, и этой информации на первый раз очень много.

Текста, в итоге, всё равно много и я не знаю, стоит ли уменьшать объём текста.

Причём, текст этот намного более научный. Тот, кто сумел осилить первую часть про элементарные частицы и не потерял интерес к физике, я надеюсь, сумеет осилить и этот текст.

Я разделю текст на множество частей, так его будет проще читать.

Ответить

Ещё 16 комментариев

Итак, про заряд.

В ходе внимательного изучения разных вариантов взаимодействия между разными предметами (включая и элементарные частицы) выяснилось, что всего существует 3 типа взаимодействия. Их назвали: 1) гравитационное, 2) электромагнитное и 3) ядерное.

Давайте для начала поговорим немного о гравитации. Люди много лет наблюдали в телескоп за движением планет и комет в Солнечной системе. Из этих наблюдений Ньютон (легендарный физик прошлых веков) сделал вывод, что все объекты в Солнечной системе притягивают друг-друга на расстоянии, и вывел знаменитый "закон всемирного тяготения".

Этот закон можно записать в таком виде: "Для любых 2 объектов можно посчитать силу их взаимного притяжения. Для этого нужно массу одного объекта умножить на массу другого объекта, затем получившийся результат нужно два раза поделить на расстояние между ними".

Можно записать этот закон в виде уравнения:

масса1 * масса2: расстояние: расстояние = сила

В этом уравнении значок * (значок звёздочки) обозначает умножение, значок: обозначает деление, "масса1" - это масса одного тела, "масса2" - масса второго тела, "расстояние" - это расстояние между этими двумя телами, "сила" - это сила, с которой они будут притягиваться друг к другу.

(Я предполагаю, что пятиклассники не знают, что такое "возведение в квадрат", поэтому я заменил квадрат расстояния на то, что будет понятно пятикласснику.)

Что интересного видно в этом уравнении? Например, то, что сила притяжения сильно зависит от расстояния между объектами. Чем больше расстояние - тем слабее сила. В этом легко убедиться. Например, посмотрим на такой пример: масса1 = 10, масса2 = 10, расстояние = 5. Тогда сила будет равна 10 * 10: 5: 5 = 100: 5: 5 = 20: 5 = 4. Если же при тех же массах расстояние = 10, то сила будет равна 10 * 10: 10: 10 = 1. Мы видим, что когда расстояние увеличилось (с 5 до 10), сила притяжения уменьшилась (с 4 до 1).

Ответить

Что такое "масса"?

Мы знаем, что всё в мире состоит из элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов). И эти элементарные частицы являются носителями массы. Электрон, правда, имеет совсем маленькую массу по сравнению с протоном и нейтроном, но масса у электрона всё равно есть. А вот у протона и нейтрона масса вполне заметная. Почему Земля имеет большую массу (600000000000000000000 килограмм), а я - маленькую (65 килограмм)? Ответ очень прост. Потому что Земля состоит из очень-очень большого количества протонов и нейтронов. Кстати, поэтому и незаметно, что я что-то к себе притягиваю - слишком маленькая масса. Но вообще-то я притягиваю. Только очень-очень-очень слабо.

Итак, люди обнаружили, что масса существует даже у элементарных частиц. И масса позволяет частицам притягивать друг-друга на расстоянии. Но что такое масса? Как она работает? Как нередко (и даже очень часто) бывает в науке, эта загадка до конца не разгадана. Пока что мы знаем только то, что масса находится "внутри частиц". И знаем, что масса остаётся неизменной до тех пор, пока сама частица остаётся неизменной. То есть, у всех протонов одинаковая масса. У всех нейтронов - одинаковая. И у всех электронов - одинаковая. При этом у протона и электрона они очень похожи (хотя и не точно-точно равны), а у электрона масса намного меньше. И не бывает такого, чтобы, например, нейтрон имел массу как у электрона или наоборот.

Ответить

Об электромагнитном взаимодействии.

И о зарядах. Наконец-то.

Внимательные наблюдения показали, что одного только закона всемирного тяготения недостаточно для объяснения некоторых взаимодействий. Должно быть что-то ещё. Вот взять даже обычный магнит (точнее 2 магнита). Во-первых, нетрудно заметить, что небольшой магнит массой, допустим, в 1 килограмм, притягивает другой магнит гораздо-гораздо сильнее, чем я. Если верить закону всемирного тяготения, то мои 65 килограмм должны притягивать магнит в 65 раз сильнее - но нет. Магнит совсем не хочет ко мне притягиваться. А вот к другому магниту - хочет. Как это объяснить?

Другой вопрос. Почему магнит притягивает к себе только некоторые предметы (например, железки, а также другие магниты), а остальные - не замечает?

И ещё. Почему магнит притягивает другой магнит только с определённой стороны? И, самое удивительное, что если подставить магнит противоположной стороной, то окажется, что 2 магнита вовсе не притягиваются, а наоборот - отталкиваются. При этом легко заметить, что они отталкиваются с той же силой, с какой они до этого притягивались.

Закон всемирного тяготения говорит только о притягивании, но ничего не знает об отталкивании. Значит, должно быть что-то ещё. Что-то, что в одних случаях предметы притягивает, а в других - отталкивает.

Вот эту силу назвали "электромагнитным взаимодействием". Для электромагнитного взаимодействия тоже есть свой закон (называется "закон Кулона", в честь Шарля Кулона, который открыл этот закон). Очень интересно то, что общий вид этого закона почти точно такой же, как и у закона всемирного тяготения, только вместо "масса1" и "масса2" там "заряд1" и "заряд2".

заряд1 * заряд2: расстояние: расстояние = сила

"заряд1" - это заряд первого объекта, "заряд2" - заряд второго объекта.

А что такое "заряд"? Говоря по правде, никто этого не знает. Также как никто точно не знает, что такое "масса".

Ответить

Загадочные заряды.

Пытаясь разобраться, люди дошли до элементарных частиц. И обнаружили, что у нейтрона есть только масса. То есть, нейтрон участвует в гравитационном взаимодействии. А в электромагнитном взаимодействии он не участвует. То есть, заряд нейтрона равен нулю. Если взять закон Кулона и подставить ноль вместо одного из зарядов, то сила будет тоже равна нулю (нет силы). Так и ведёт себя нейтрон. Нет электромагнитной силы.

У электрона масса очень слабая, поэтому в гравитационном взаимодействии он участвует очень мало. Зато электрон сильно отталкивает (отталкивает!) другие электроны. Это потому что у него есть заряд.

У протона есть и масса и заряд. И протон тоже отталкивает другие протоны. Если есть масса - значит, он притягивает к себе все частицы. Но одновременно с этим протон отталкивает другие протоны. Причём электромагнитная сила отталкивания гораздо сильнее, чем гравитационная сила притяжения. Поэтому отдельные протоны будут улетать друг от друга прочь.

Но это ещё не вся история. Электромагнитная сила может не только отталкивать, но и притягивать. Протон притягивает электрон, а электрон притягивает протон. При этом можно провести эксперимент и обнаружить, что сила притягивания между протоном и электроном равна силе отталкивания между двумя протонами и также равна силе отталкивания между двумя электронами.

Из этого мы можем сделать вывод, что заряд протона равен заряду электрона. Но по какой-то причине 2 протона друг-друга отталкивают, а протон и электрон - притягиваются. Как это может быть?

Ответить

Разгадка зарядов.

Разгадка, оказывается, в том, что масса-то у всех частиц всегда больше нуля. А вот заряд может быть и больше нуля (протон) и равен нулю (нейтрон) и меньше нуля (электрон). Хотя, по правде говоря, можно было бы назначить так, что, наоборот, у электрона заряд больше нуля, а у протона - меньше нуля. Это было неважно. Важно то, что у протона и у электрона заряды противоположны.

Давайте для примера измерять заряды в "протонах" (то есть, 1 протон имеет силу заряда, равную 1). И определим силу, взаимодействия между двумя протонами на каком-нибудь расстоянии (будем считать, что расстояние = 1). Подставляем числа в формулу и получаем 1 * 1: 1: 1 = 1. Теперь давайте измерим силу взаимодействия между электроном и протоном. Мы знаем, что заряд электрона равен заряду протона, но имеет противоположный знак. Раз у нас заряд протона равен 1, то заряд электрона должен быть равен -1. Подставляем. -1 * 1: 1: 1 = -1. Мы получили -1. Что означает знак "минус"? Он означает, что силу взаимодействия нужно изменить в противоположную сторону. То есть, сила отталкивания стала силой притягивания!

Ответить

Подводим итоги.

Между 3 наиболее распространёнными элементарными частицами существуют заметные различия.

Нейтрон имеет только массу, а заряда не имеет.

Протон имеет и массу и заряд. При этом заряд протона считается положительным.

Электрон имеет маленькую массу (примерно в 1000 раз меньше, чем у протона и нейтрона). Но имеет заряд. При этом заряд равен заряду протона, только с противоположным знаком (если считать, что у протона "плюс", значит у электрона - "минус").

При этом обычный атом ничего не притягивает и не отталкивает. Почему? Это уже просто. Представим какой-нибудь обычный атом (например, атом кислорода) и один свободный электрон, который летает рядом с атомом. Атом кислорода состоит из 8 протонов, 8 нейтронов и 8 электронов. Вопрос. Должен ли этот свободный электрон притягиваться к атому или же он должен отталкиваться? У нейтронов заряда нет, поэтому их мы пока проигнорируем. Электромагнитная сила между 8 протонами и 1 электроном равна 8 * (-1) : 1: 1 = -8. А электромагнитная сила между 8 электронами в атоме и 1 свободным электронам равна -8 * (-1) : 1: 1 = 8.

Получается, что сила действия 8 протонов на свободный электрон равна -8, а сила действия электронов равна +8. В сумме это получается 0. То есть, силы равны. Ничего не происходит. В итоге говорят, что атом "электрически нейтрален". То есть, он не притягивает и не отталкивает.

Конечно, остаётся ещё сила гравитации. Но у электрона масса очень мала, поэтому гравитационное взаимодействие с атомом очень мало.

Ответить

Заряженные атомы.

Мы помним, что приложив немного усилий, мы можем оторвать более далёкие от ядра электроны. В этом случае у атома кислорода будет, например, 8 протонов, 8 нейтронов и 6 электронов (2 мы оторвали). Атомы, в которых недостаёт (или, наоборот, слишком много) электронов, называются "ионы". Если мы сделаем 2 таких атома кислорода (убрав по 2 электрона из каждого атома), они будут друг-друга отталкивать. Подставим в закон Кулона: (8 - 6) * (8 - 6) : 1: 1 = 4. Мы видим, что получившееся число больше нуля, значит ионы будут отталкиваться.

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.

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.

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

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.

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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

Изучая строение вещества, физики узнали, из чего сделаны атомы, добрались до атомного ядра и расщепили его на протоны и нейтроны. Все эти шаги давались довольно легко - надо было лишь разогнать частицы до нужной энергии, столкнуть их друг с другом, и тогда они сами разваливались на составные части.

А вот с протонами и нейтронами такой трюк уже не прошел. Хотя они и являются составными частицами, их не удается «разломать на части» ни в каком даже самом сильном столкновении. Поэтому физикам потребовались десятилетия для того, чтобы придумать разные способы заглянуть внутрь протона, увидеть его устройство и форму. В наши дни изучение структуры протона - одна из самых активных областей физики элементарных частиц.

Природа дает намеки

История изучения структуры протонов и нейтронов берет свое начало с 1930-х годов. Когда в дополнение к протонам были открыты нейтроны (1932), то, измерив их массу, физики с удивлением обнаружили, что она очень близка к массе протона. Более того, оказалось, что протоны и нейтроны «чувствуют» ядерное взаимодействие совершенно одинаковым образом. Настолько одинаковым, что, с точки зрения ядерных сил, протон и нейтрон можно считать как бы двумя проявлениями одной и той же частицы - нуклона: протон - это электрически заряженный нуклон, а нейтрон - нейтральный нуклон. Поменяйте протоны на нейтроны - и ядерные силы (почти) ничего не заметят.

Физики это свойство природы выражают как симметрию - ядерное взаимодействие симметрично относительно замены протонов на нейтроны, подобно тому как бабочка симметрична относительно замены левого на правое. Эта симметрия, кроме того что она сыграла важную роль в ядерной физике, была на самом деле первым намеком на то, что у нуклонов имеется интересное внутреннее строение. Правда, тогда, в 30-е годы, физики этот намек не осознали.

Понимание пришло позже. Началось с того, что в 1940–50-е годы в реакциях столкновения протонов с ядрами различных элементов ученые с удивлением обнаруживали всё новые и новые частицы. Не протоны, не нейтроны, не открытые к тому времени пи-мезоны, которые удерживают нуклоны в ядрах, а какие-то совсем новые частицы. При всём своем разнообразии эти новые частицы обладали двумя общими свойствами. Во-первых, они, так же как и нуклоны, очень охотно участвовали в ядерных взаимодействиях - сейчас такие частицы называют адронами. А во-вторых, они были исключительно нестабильными. Самые неустойчивые из них распадались на другие частицы всего за триллионную долю наносекунды, не успев пролететь даже на размер атомного ядра!

Долгое время «зоопарк» адронов представлял из себя полную мешанину. В конце 1950-х годов физики узнали уже достаточно много разных видов адронов, начали сравнивать их друг с другом и вдруг увидели некую общую симметричность, даже периодичность их свойств. Была высказана догадка, что внутри всех адронов (в том числе и нуклонов) сидят некие простые объекты, которые получили название «кварки». Комбинируя кварки разными способами, можно получать разные адроны, причем именно такого типа и с такими свойствами, которые обнаруживались в эксперименте.

Что делает протон протоном?

После того как физики открыли кварковое устройство адронов и узнали, что кварки бывают нескольких разных сортов, стало понятно, что из кварков можно сконструировать много различных частиц. Так что уже никого не удивляло, когда последующие эксперименты продолжали один за другим находить новые адроны. Но среди всех адронов обнаружилось целое семейство частиц, состоящих, точно так же как и протон, только из двух u -кварков и одного d -кварка. Этакие «собратья» протона. И вот тут физиков подстерегал сюрприз.

Давайте сначала сделаем одно простое наблюдение. Если у нас есть несколько предметов, состоящих из одинаковых «кирпичиков», то более тяжелые предметы содержат больше «кирпичиков», а более легкие - меньше. Это очень естественный принцип, который можно называть принципом комбинирования или принципом надстройки, и он прекрасно выполняется как в повседневной жизни, так и в физике. Он проявляется даже в устройстве атомных ядер - ведь более тяжелые ядра просто состоят из большего числа протонов и нейтронов.

Однако на уровне кварков этот принцип совершенно не работает, и, надо признаться, физики еще не до конца разобрались, почему. Оказывается, тяжелые собратья протона тоже состоят из тех же самых кварков, что и протон, хотя они в полтора, а то и в два раза тяжелее протона. Они отличаются от протона (и различаются между собой) не составом, а взаимным расположением кварков, тем, в каком состоянии относительно друг друга эти кварки находятся. Достаточно изменить взаимное положение кварков - и мы из протона получим другую, заметно более тяжелую, частицу.

А что будет, если все-таки взять и собрать вместе больше трех кварков? Получится ли новая тяжелая частица? Удивительно, но не получится - кварки разобьются по трое и превратятся в несколько разрозненных частиц. Почему-то природа «не любит» объединять много кварков в одно целое! Лишь совсем недавно, буквально в последние годы, стали появляться намеки на то, что некоторые многокварковые частицы всё же существуют, но это лишь подчеркивает, насколько природа их не любит.

Из этой комбинаторики следует очень важный и глубокий вывод - масса адронов вовсе не складывается из массы кварков. Но если массу адрона можно увеличить или уменьшить простым перекомбинированием составляющих его кирпичиков, значит, вовсе не сами кварки ответственны за массу адронов. И действительно, в последующих экспериментах удалось узнать, что масса самих кварков составляет лишь около двух процентов от массы протона, а вся остальная тяжесть возникает за счет силового поля (ему отвечают специальные частицы - глюоны), связывающего кварки вместе. Изменяя взаимное расположение кварков, например отодвигая их подальше друг от друга, мы тем самым изменяем глюонное облако, делаем его более массивным, из-за чего и возрастает масса адрона (рис. 1).

Что творится внутри быстро летящего протона?

Всё описанное выше касается неподвижного протона, на языке физиков - это устройство протона в его системе покоя. Однако в эксперименте структура протона была впервые обнаружена в других условиях - внутри быстро летящего протона.

В конце 1960-х годов в экспериментах по столкновению частиц на ускорителях было замечено, что летящие с околосветовой скоростью протоны вели себя так, словно энергия внутри них не распределена равномерно, а сконцентрирована в отдельных компактных объектах. Эти сгустки вещества внутри протонов знаменитый физик Ричард Фейнман предложил называть партонами (от английского part - часть).

В последующих экспериментах были изучены многие свойства партонов - например, их электрический заряд, их количество и доля энергии протона, которую каждый из них несет. Оказывается, заряженные партоны - это кварки, а нейтральные партоны - это глюоны. Да-да, те самые глюоны, которые в системе покоя протона просто «прислуживали» кваркам, притягивая их друг к другу, теперь являются самостоятельными партонами и наряду с кварками несут «вещество» и энергию быстро летящего протона. Опыты показали, что примерно половина энергии запасена в кварках, а половина - в глюонах.

Партоны удобнее всего изучать в столкновении протонов с электронами. Дело в том, что, в отличие от протона, электрон не участвует в сильных ядерных взаимодействиях и его столкновение с протоном выглядит весьма просто: электрон на очень короткое время испускает виртуальный фотон, который врезается в заряженный партон и порождает в конце концов большое число частиц (рис. 2). Можно сказать, что электрон является отличным скальпелем для «вскрытия» протона и разделения его на отдельные части - правда, лишь на очень короткое время. Зная, как часто происходят такие процессы на ускорителе, можно измерить количество партонов внутри протона и их заряды.

Кто такие партоны на самом деле?

И здесь мы подходим к еще одному поразительному открытию, которое сделали физики, изучая столкновения элементарных частиц при высоких энергиях.

В обычных условиях вопрос о том, из чего состоит тот или иной предмет, имеет универсальный ответ для всех систем отсчета. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода - и не важно, смотрим ли мы на неподвижную или на движущуюся молекулу. Однако это правило - казалось бы, такое естественное! - нарушается, если речь идет об элементарных частицах, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. В одной системе отсчета сложная частица может состоять из одного набора субчастиц, а в другой системе отсчета - из другого. Получается, что состав - понятие относительное !

Как такое может быть? Ключевым здесь является одно важное свойство: количество частиц в нашем мире не фиксировано - частицы могут рождаться и исчезать. Например, если столкнуть вместе два электрона с достаточно большой энергией, то вдобавок к этим двум электронам может родиться либо фотон, либо электрон-позитронная пара, либо еще какие-нибудь частицы. Всё это разрешено квантовыми законами, именно так и происходит в реальных экспериментах.

Но этот «закон несохранения» частиц работает при столкновениях частиц. А как же получается, что один и тот же протон с разных точек зрения выглядит состоящим из разного набора частиц? Дело в том, что протон - это не просто три кварка, сложенные вместе. Между кварками существует силовое глюонное поле. Вообще, силовое поле (как, например, гравитационное или электрическое поле) - это некая материальная «сущность», которая пронизывает пространство и позволяет частицам оказывать силовое влияние друг на друга. В квантовой теории поле тоже состоит из частиц, правда из особенных - виртуальных. Количество этих частиц не фиксировано, они постоянно «отпочковываются» от кварков и поглощаются другими кварками.

Покоящийся протон действительно можно представить себе как три кварка, между которыми перескакивают глюоны. Но если взглянуть на тот же протон из другой системы отсчета, словно из окна проезжающего мимо «релятивистского поезда», то мы увидим совсем иную картину. Те виртуальные глюоны, которые склеивали кварки вместе, покажутся уже менее виртуальными, «более настоящими» частицами. Они, конечно, по-прежнему рождаются и поглощаются кварками, но при этом какое-то время живут сами по себе, летят рядом с кварками, словно настоящие частицы. То, что выглядит простым силовым полем в одной системе отсчета, превращается в другой системе в поток частиц! Заметьте, сам протон мы при этом не трогаем, а только смотрим на него из другой системы отсчета.

Дальше - больше. Чем ближе скорость нашего «релятивистского поезда» к скорости света, тем более удивительную картину внутри протона мы увидим. По мере приближения к скорости света мы заметим, что глюонов внутри протона становится всё больше и больше. Более того, они иногда расщепляются на кварк-антикварковые пары, которые тоже летят рядом и тоже считаются партонами. В результате ультрарелятивистский протон, т. е. протон, движущийся относительно нас со скоростью, очень близкой к скорости света, предстает в виде взаимопроникающих облачков кварков, антикварков и глюонов, которые летят вместе и как бы поддерживают друг друга (рис. 3).

Читатель, знакомый с теорией относительности, может забеспокоиться. Вся физика основана на том принципе, что любой процесс протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчета. А тут получается, что состав протона зависит от системы отсчета, из которой мы его наблюдаем?!

Да, именно так, но это никак не нарушает принцип относительности. Результаты физических процессов - например, какие частицы и сколько рождаются в результате столкновения - действительно оказываются инвариантными, хотя состав протона зависит от системы отсчета.

Эта необычная на первый взгляд, но удовлетворяющая всем законам физики ситуация схематично проиллюстрирована на рисунке 4. Здесь показано, как столкновение двух протонов с большой энергией выглядит в разных системах отсчета: в системе покоя одного протона, в системе центра масс, в системе покоя другого протона. Взаимодействие между протонами осуществляется через каскад расщепляющихся глюонов, но только в одном случае этот каскад считается «внутренностью» одного протона, в другом случае - частью другого протона, а в третьем - это просто некий объект, которым обмениваются два протона. Этот каскад существует, он реален, но к какой части процесса его надо относить - зависит от системы отсчета.

Трехмерный портрет протона

Все результаты, про которые мы только что рассказали, базировались на экспериментах, выполненных довольно давно - в 60–70-х годах прошлого века. Казалось бы, с тех пор всё уже должно быть изучено и все вопросы должны найти свои ответы. Но нет - устройство протона по-прежнему остается одной из самых интересных тем в физике элементарных частиц. Более того, в последние годы интерес к ней снова возрос, потому что физики поняли, как получить «трехмерный» портрет быстро движущегося протона, который оказался гораздо сложнее портрета неподвижного протона.

Классические эксперименты по столкновению протонов рассказывают лишь о количестве партонов и их распределении по энергии. В таких экспериментах партоны участвуют как независимые объекты, а значит, из них нельзя узнать, как партоны расположены друг относительно друга, как именно они складываются в протон. Можно сказать, что долгое время физикам был доступен лишь «одномерный» портрет быстро летящего протона.

Для того чтобы построить настоящий, трехмерный, портрет протона и узнать распределение партонов в пространстве, требуются гораздо более тонкие эксперименты, чем те, которые были возможны 40 лет назад. Такие эксперименты физики научились ставить совсем недавно, буквально в последнее десятилетие. Они поняли, что среди огромного количества разных реакций, которые происходят при столкновении электрона с протоном, есть одна особенная реакция - глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние , - которая и сможет рассказать о трехмерной структуре протона.

Вообще, комптоновским рассеянием, или эффектом Комптона, называют упругое столкновение фотона с какой-нибудь частицей, например с протоном. Выглядит оно так: прилетает фотон, поглощается протоном, который на короткое время переходит в возбужденное состояние, а потом возвращается в исходное состояние, испуская фотон в каком-нибудь направлении.

Комптоновское рассеяние обычных световых фотонов не приводит ни к чему интересному - это простое отражение света от протона. Для того чтобы «вступила в игру» внутренняя структура протона и «почувствовались» распределения кварков, надо использовать фотоны очень большой энергии - в миллиарды раз больше, чем в обычном свете. А как раз такие фотоны - правда, виртуальные - легко порождает налетающий электрон. Если теперь объединить одно с другим, то и получится глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние (рис. 5).

Главная особенность этой реакции состоит в том, что она не разрушает протон. Налетающий фотон не просто бьет по протону, а как бы тщательно его ощупывает и затем улетает прочь. То, в какую сторону он улетает и какую часть энергии у него отбирает протон, зависит от устройства протона, от взаимного расположения партонов внутри него. Именно поэтому, изучая этот процесс, можно восстановить трехмерный облик протона, как бы «вылепить его скульптуру».

Правда, для физика-экспериментатора сделать это очень непросто. Нужный процесс происходит довольно редко, и зарегистрировать его трудно. Первые экспериментальные данные об этой реакции были получены лишь в 2001 году на ускорителе HERA в немецком ускорительном комплексе DESY в Гамбурге; новая серия данных сейчас обрабатывается экспериментаторами. Впрочем, уже сегодня, на основании первых данных, теоретики рисуют трехмерные распределения кварков и глюонов в протоне. Физическая величина, про которую физики раньше строили лишь предположения, наконец стала «проступать» из эксперимента.

Ждут ли нас какие-нибудь неожиданные открытия в этой области? Вполне вероятно, что да. В качестве иллюстрации скажем, что в ноябре 2008 года появилась интересная теоретическая статья, в которой утверждается, что быстро летящий протон должен иметь вид не плоского диска, а двояковогнутой линзы. Так получается потому, что партоны, сидящие в центральной области протона, сильнее сжимаются в продольном направлении, чем партоны, сидящие на краях. Было бы очень интересно проверить эти теоретические предсказания экспериментально!

Почему всё это интересно физикам?

Зачем вообще физикам надо знать, как именно распределено вещество внутри протонов и нейтронов?

Во-первых, этого требует сама логика развития физики. В мире есть много поразительно сложных систем, с которыми современная теоретическая физика пока не может полностью совладать. Адроны - одна из таких систем. Разбираясь с устройством адронов, мы оттачиваем способности теоретической физики, которые вполне могут оказаться универсальными и, возможно, помогут в чем-то совсем ином, например при изучении сверхпроводников или других материалов с необычными свойствами.

Во-вторых, тут есть непосредственная польза для ядерной физики. Несмотря на почти вековую историю изучения атомных ядер, теоретики до сих пор не знают точный закон взаимодействия протонов и нейтронов.

Им приходится этот закон отчасти угадывать, исходя из экспериментальных данных, отчасти конструировать на основе знаний о структуре нуклонов. Тут-то и помогут новые данные о трехмерном устройстве нуклонов.

В-третьих, несколько лет назад физики сумели получить ни много ни мало новое агрегатное состояние вещества - кварк-глюонную плазму. В таком состоянии кварки не сидят внутри отдельных протонов и нейтронов, а свободно гуляют по всему сгустку ядерного вещества. Достичь его можно, например, так: тяжелые ядра разгоняются в ускорителе до скорости, очень близкой к скорости света, и затем сталкиваются лоб в лоб. В этом столкновении на очень короткое время возникает температура в триллионы градусов, которая и расплавляет ядра в кварк-глюонную плазму. Так вот, оказывается, что теоретические расчеты этого ядерного плавления требуют хорошего знания трехмерного устройства нуклонов.

Наконец, эти данные очень нужны для астрофизики. Когда тяжелые звезды взрываются в конце своей жизни, от них часто остаются чрезвычайно компактные объекты - нейтронные и, возможно, кварковые звезды. Сердцевина этих звезд целиком состоит из нейтронов, а может быть даже и из холодной кварк-глюонной плазмы. Такие звезды уже давно обнаружены, но что происходит у них внутри - можно только догадываться. Так что хорошее понимание кварковых распределений может привести к прогрессу и в астрофизике.

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.