A Sokarcú a proton
A tanuló az anyag szerkezetét, fizika tudni, amelyből készült atomok elérte az atommag és hasad protonok és a neutronok. Mindezek a lépések kaptak elég könnyen - ez volt szükség, hogy eloszlassa a részecskék a kívánt energia, hogy nyomja őket egymásnak, majd szétesik az alkotóelemeire.
De a protonok és a neutronok, ez a trükk nem sikerült. Bár ezek összetett részecskék, nem tudják „darabokra törni” minden, még a legerőszakosabb ütközés. Ezért a fizikusok vett egy évtizede, hogy dolgozzon ki különféle módon, hogy belenézel a proton, lásd a szerkezetét és alakját. Manapság, a tanulmány szerkezetét proton - az egyik legaktívabb területek részecskefizika.
Nature tippeket ad
A történelem a tanulmány szerkezete protonok és neutronok származik 1930-ban. Amikor továbbá a protonok neutronok (1932), majd megmérjük a tömegüket, fizikusok meglepő módon azt találták, hogy nagyon közel van a proton tömegének voltak láthatók. Sőt, azt találtuk, hogy a protonok és a neutronok „érzi” a nukleáris reakció pontosan ugyanolyan módon. Tehát azonos, hogy a szempontból a nukleáris erő, protonok és neutronok lehet tekinteni, ha a két megnyilvánulása ugyanazon részecskék - nukleonok: proton - ez az elektromosan töltött nukleon, mint a neutron - semleges nukleon. Változás protonok a neutronok - és a nukleáris energia (szinte) nem vett észre semmit.
A fizika egy ingatlan a természet fejezzük szimmetria - nukleáris kölcsönhatás szimmetrikus csere protonok neutronok, csakúgy, mint a pillangó szimmetrikus a változás a balról jobbra. Ez a szimmetria, kivéve, hogy ő fontos szerepet játszottak a nukleáris fizika, volt az első jele annak, hogy a nukleon van egy érdekes belső szerkezetét. Azonban akkor, 30 éves, fizikusok még nem valósult ez az utalás.
Megértése később került sor. Úgy kezdődött, hogy az 1940-1950-es években a reakciókat az ütközések protonok és az atommagok különböző elemeinek a tudósok meglepődve tapasztalta, egyre több és több új részecskéket. Nem protonok, neutronok nem, ne nyissa ki, mire a pi-mezonok, ami tartsa a nukleonok a sejtmagban, és néhány nagyon új részecskéket. Minden sokféleségét, ezek az új részecskék két közös vonása van. Először is, ezek, valamint a nukleonok, nagyon szívesen részt vesz a nukleáris kölcsönhatások - most olyan részecskék, úgynevezett hadronokat. És másodszor, voltak rendkívül instabil. A leginkább instabil ezek romlott más részecskék csak egy billiomod egy nanoszekundum mielőtt tudta is repülnek a mérete egy atommag!
Hosszú ideig, „állatkert” hadronok a teljes zűrzavar. Az 1950-es években, a fizikusok megtanulták már sok különböző típusú hadronokat kezdte összehasonlítani őket egymással, és hirtelen látta, hogy egy bizonyos általános szimmetria, még a periodicitás tulajdonságaik. Azt hiszem, azt javasolták, hogy minden hadronokat (beleértve a nukleonok) ülnek néhány egyszerű tárgyak, amelyek úgynevezett „kvarkok”. Ötvözi kvark különböző módon meg tudjuk szerezni a különböző hadronokat, pontosan ilyen és ilyen tulajdonságokkal, hogy találtak a kísérletben.
Mi teszi a proton-proton?
Miután fizikusok felfedezték a kvark hadron eszköz és megállapítottuk, hogy a kvarkok jön több különböző fajták, világossá vált, hogy a kvarkok építhető különböző részecskéket. Így nem meglepő, ha a következő kísérletekben folytattuk egyik a másik után, hogy új hadronokat. De az összes hadronokat fel egy egész család álló részecskéket, mint a proton, két u-kvark és egy d-kvark. Egyfajta „unokatestvérek” a proton. És itt ólálkodtak a meglepetés fizikusok.
Csináljunk egy egyszerű megfigyelés. Ha több terméket, amely azonos „építőkockák”, a nehezebb elemek tartalmaznak több „tégla”, és könnyebb - kevésbé. Ez egy nagyon természetes elv, amelyet nevezhetünk kombinációja elvét és azt az elvet a felépítmény, és végre tökéletesen a mindennapi életben, valamint a fizika. Ez nyilvánul meg, még az egység az atommagok - sőt nehezebb atommagok egyszerűen egy nagyobb számú protonok és a neutronok.
Azonban szinten kvarkok, ez az elv nem működik, és be kell vallanom, a fizikusok még mindig nem teljesen értem, hogy miért. Kiderült, hogy a nehéz unokatestvérek a proton is egyféle kvarkok, a proton, bár másfél vagy akár két alkalommal nehezebb, mint a proton. Ezek eltérnek a proton (és különböznek egymástól) nem a készítmény, és a kölcsönös elrendezése kvarkok, az állapot, amelyben egymáshoz képest, ezek a kvarkok. Ahhoz, hogy változtatni a relatív pozíciója a kvark - és mi még egy proton, sokkal nehezebb részecskék.
Mi történne, ha kellett, és összehozza több mint három kvark? hogy egy új, nagy részecske történik? Meglepő, hogy nem - a kvarkok megtöri három és kapcsolja be néhány elszórt részecskéket. Valahogy természet „nem tetszik”, hogy összekapcsolják sok a kvarkok egy darabban! Csak a közelmúltban, a szó szoros értelmében az elmúlt években, úgy kezdtek megjelenni tippeket, hogy néhány „multi-részecske még mindig ott van, de ez csak aláhúzza a természet nem szereti őket.
Ebből a kombinatorika kell egy nagyon fontos és mélyreható következtetést - a tömege hadronokat nem a tömegek összege a kvarkok. De ha a tömege hadron lehet növelni vagy csökkenteni az egyszerű rekombináció az alkotó építőelemek, így nem a kvarkok maguk felelősek a tömeges hadronokat. Valóban, a további kísérletekben azt találtuk, hogy a tömeg a kvarkok maguk csak mintegy két százaléka a tömege a proton, és a többi annak köszönhető, hogy a gravitációs erőtér (ez megfeleljen bizonyos részecskék - gluonok) kötődését a kvarkokat együtt. Megváltoztatásával a relatív pozíciója a kvarkok, például nyomja őket távol egymástól, akkor ezzel megváltoztatják a gluon felhő, így masszívabb, mert mi és növeli a tömeget egy hadron (1.).
Partons legkényelmesebben vizsgálták ütközések protonok és elektronok. Az a tény, hogy ellentétben a proton, az elektron nem vesz részt az erős nukleáris kölcsönhatás és összeütközött egy proton néz ki, nagyon egyszerű: egy elektron egy nagyon rövid idő alatt bocsát ki egy virtuális fotont, ami belevág a feltöltött Parton és gyárt a végén nagyszámú részecske ( ábra. 2). Elmondhatjuk, hogy az elektron egy kiváló szikével a „nyitás” a proton és bontva különálló részből - igaz, csak egy nagyon rövid idő alatt. Ismeretében, hogy milyen gyakran ilyen folyamatok játszódnak le a gázpedált mérhető száma partons belül a proton és a díjakat.
Kik partons valójában?
És itt elérkeztünk egy másik érdekes felfedezés, amely lehetővé tette a fizika, a tanuló részecskeütközéseket nagy energiákon.
Normális körülmények között az a kérdés, hogy mi van ebben vagy abban a tárgy, egy univerzális válasz minden referencia-keret. Például, egy vízmolekula két atom hidrogén és egy atom oxigén -, és nem számít, hogy keresünk egy fix vagy mozgó molekula. Ez a szabály azonban - úgy tűnik, így természetes! - megszegte, ha az elemi részecskék sebességgel haladó közel fénysebességgel. Az egyik keret összetett részecske állhat egy készlet alegységek, és egy másik referenciakeret - a többi. Kiderült, hogy a készítmény - relatív fogalom!
Hogy lehet ez? A kulcs itt az egyik fontos jellemzője: a részecskék számát a világban nincs rögzítve - részecskéket hozhatunk létre, és eltűnnek. Például, ha nyomja össze két elektron elég nagy energiájú, akkor amellett, hogy a két elektront is született vagy egy foton vagy elektron-pozitron pár, vagy akár bármilyen részecskék. Mindez lehetővé tette, hogy a kvantum törvényi, pontosan mi történik a való kísérletek.
De ez a „törvény megsértését” részecskék futó ütközések részecskék. És hogy van az, hogy ugyanaz a proton különböző nézőpontok jel szerint egy sor különböző részecskék? Az a tény, hogy a proton - ez nem csak három kvark össze. Force között kvarkok létezik gluon területen. Általában, az erőtér (például gravitációs vagy elektromos mező) - egy bizonyos anyag „lényegében”, amely átjárja a teret, és lehetővé teszi, hogy a részecskék erőt kifejteni képes egymásra hatását. azt is, hogy részecskékből áll, az igazság szingularitásoknak kvantumtérelméleti - virtuális. A részecskék nem kerülnek meghatározásra, ezek folyamatosan „bud” kvark és felszívódik más kvarkok.
Nyugalmi proton tényleg tudja képzelni, hogy három kvark, gluonok válthat közöttük. De ha megnézi az azonos proton másik referenciakeret, mintha egy ablakon elhaladó „relativisztikus vonat”, azt látjuk, hogy nagyon eltérő képet mutat. Azok a virtuális gluonok, kvarkok vannak összeragasztva, már kevésbé tűnnek virtuális „valóságosabb” részecskéket. Ezek, persze, még született és felszívódik a kvarkok, de egy ideig egyedül élő, repülő mellett kvarkok, mint a valódi részecskéket. Milyen egyszerűnek tűnik erőtér egy keretben alakítjuk másik rendszer részecskefolyam! Megjegyezzük, hogy a proton maga ugyanakkor nem térünk, csak nézd meg egy másik referenciakeret.
További - több. Minél közelebb van a sebességét a „relativisztikus vonat” a fény sebessége, annál csodálatosabb képet belsejében a proton, látni fogjuk. Ahogy közeledik a fény sebessége, megjegyezzük, hogy a gluonok belül a proton egyre több és több. Sőt, néha szét kvark-antikvark párok, amelyek szintén repül a közelben, és szintén úgy partons. Ennek eredményeként, az ultra-proton, m. E. A proton mozog hozzánk képest sebességgel nagyon közel van a fény sebessége, megjelenik formájában hatoló felhők túró antiquarks és Gluonok repülnek végig, és hasonlók támogatják egymást (ábra. 3).
Ábra. Z. vázlatos proton kép különböző referencia-keret. Lassan mozgó proton (a) lehet formájában három túró (folytonos vonalak), amelyek össze vannak kötve egymással gluonok (szaggatott vonalak). A gyorsan mozgó protonok (b) a gluonok néha repülni közel a kvarkok. Amikor a proton sebessége nagyon közel van a fénysebesség (c) és gluonok által generált, és kvark antikvark pár partons megtelhet - alkotóeleme a proton
Az olvasó ismeri a relativitáselmélet kezdhet aggódni. Minden fizika elvén alapul, hogy minden eljárás ugyanaz, minden inerciális referencia rendszereket. És akkor kiderül, hogy a szerkezet a proton függ referenciakeret ahonnan látni?!
Igen, pontosan, de ez nem sérti a relativitás elve. Az eredményeket a fizikai folyamatok - például egyes részecskék és hány született az ütközés - valóban invariáns, bár az összetétele a proton rendszertől függ.
Ez a szokatlan, első pillantásra, de megfelel a fizika törvényei a helyzet szemlélteti vázlatosan a 4. ábra mutatja, hogyan az ütközés két protont nagy energiával néz különböző referencia-keret: az egyik proton a többi keret, a tömegközéppont rendszerrel, egy másik proton nyugalmi keret . Közötti kölcsönhatás protonok egy kaszkád hasadó gluonok, de csak egy esetben ebben a szakaszban nem tekinthető „belső” egy proton, a másik esetben pedig - részben a másik proton, a harmadik - ez csak egy tárgy, amely a két proton van cserélve. Ez a kaszkád létezik, ez az igazi, de mi a folyamat része, akkor meg kell említeni - a rendszertől függ.
Ábra. 4. sematikus ábrázolása ütközésének két proton nagyon magas energia: egy második proton nyugalmi rendszer (a), a tömegközéppont (B) a többi rendszer az első proton (ek). Mindhárom esetben a kölcsönhatás révén protoncserének „gluon fa”, de hogy kinek tulajdonítható (az első vagy a második proton vagy vállalnak egyéni interakció) - függetlenül a referencia rendszer
A háromdimenziós portré a proton
Az összes eredményt, amiről az imént leírt kísérletek alapján végzett hosszú ideig - a 60-70-es években a múlt században. Úgy tűnik, hogy azóta mindent meg kell tanulni, és minden kérdést meg kell találni a saját válaszait. De nem - a proton eszköz továbbra is az egyik legérdekesebb téma a fizika az elemi részecskéket. Sőt, az érdeklődés ismét emelkedést mutatott az elmúlt években, mert a fizika, hogy megértsék, hogyan lehet a „háromdimenziós” portré egy gyorsan mozgó proton, amely bebizonyította, hogy sokkal bonyolultabb álló proton portré.
Klasszikus kísérletek ütközések protonok beszélni csak a számát partons és az energiaellátást. Az ilyen kísérletek partons részt önálló tárgy, ami azt jelenti, hogy nem lehet tanulni, hogyan kell partons találhatók egymáshoz képest, hogy hogyan alakítjuk a proton. Azt mondhatjuk, hogy hosszú ideig fizikus volt csak egy „egydimenziós” portré egy gyorsan repülő proton.
Annak érdekében, hogy megvalósuljon a valódi, háromdimenziós portré a proton és tanulni parton eloszlása a térben, kötelező sokkal finomabb kísérletek, mint azok, akik a lehető 40 évvel ezelőtt. Ezek a kísérletek fizikusok megtanulták, hogy az utóbbi időben, csak az elmúlt évtizedben. Rájöttek, hogy többek között a rengeteg különböző reakciókat, amelyek az ütközés egy elektron és egy proton van, az egyik jellemzője a reakció - mélyen virtuális Compton-szórás - és amely megmondja, hogy a háromdimenziós szerkezetét a proton.
Általában, a Compton-szórás vagy a Compton hatás, az úgynevezett rugalmas ütközés között egy foton bármely részecske, mint például a proton. Úgy néz ki, mint ez: repül egy foton elnyelődik a proton, ami egy rövid időre gerjesztett állapotba, majd visszatér az eredeti állapotába egy foton kibocsátásával bármely irányba.
Compton-szórás közönséges fény fotonok nem vezet semmi érdekes - ez egy egyszerű fény visszaverése a proton. Annak érdekében, hogy „lépnek” a belső szerkezetét a proton és az „érzést” kvark disztribúció, akkor kell használni a fotonok igen magas energia - több milliárd szor nagyobb, mint a normál fény. És éppen ilyen fotonok - bár virtuális - könnyen előfordulhat, hogy az incidens elektron. Ha most össze egymással, és akkor kap mélyen virtuális Compton-szórás (5.).
Ábra. 5. Vezetési mélyen virtuális Compton-szórás. Incidens elektron kibocsát egy virtuális fotont, amely szétszórt egy proton, mint a Compton hatása
A fő jellemzője ez a reakció, hogy nem szűnik meg a proton. Az incidens foton nem csupán egy erőfeszítést a proton, és nem számít, milyen gondosan érzés, majd elrepül. Ez milyen irányba repül, és mennyi energiát vesz el a proton, a proton függ az eszköz, a relatív pozíciója a partons benne. Ezért van az, tanulmányozza ezt a folyamatot, akkor lehet visszaállítani a háromdimenziós alakja a proton, mintha „farag szobrát.”
Miért is érdekes ez a fizika?
Miért fizikusok pontosan tudniuk kell, hogy az anyag oszlik el protonok és a neutronok?
Először is, ez megköveteli a logika, a fizika is. A világban sok meglepően összetett rendszerek, amelyek a modern elméleti fizika még mindig nem teljesen ellenőrizni. Hadronok - egy ilyen rendszer. Elemezve hadronokat a készülékkel, akkor élesíteni a képessége, az elméleti fizika, ami lehet, hogy az egyetemes és segíthetnek valami teljesen más, mint a tanulmány a szupravezetők és egyéb anyagokat is szokatlan tulajdonságokkal rendelkezik.
Másodszor, van egy közvetlen előnye a nukleáris fizika. Annak ellenére, hogy majdnem egy évszázados történetének tanulmányozása atommagok, teoretikusok még mindig nem tudom a pontos kölcsönhatás törvénye a protonok és a neutronok.
Ezek a törvény részben kitalálni alapján a kísérleti adatok, részben épített a szerzett ismeretek alapján a szerkezet a nukleon. És akkor ez segíteni fog az új adatokat a háromdimenziós szerkezet nukleonokból.
Harmadszor, néhány évvel ezelőtt, fizikusok képesek voltak, hogy annyi új halmazállapot - a kvark-gluon plazma. Ebben az állapotban, a kvarkok nem ül benne az egyes protonok és a neutronok, és szabadon mozoghat körüli klaszterek nukleáris kérdésben. Ez lehet elérni, például: nehéz atommagok gyorsítjuk gyorsítót, hogy gyorsítsák nagyon közel fénysebességgel, majd ütköznek frontálisan. Ez az ütközés egy nagyon rövid idő alatt a hőmérséklet előfordul billió fok, amely megolvad a sejtmagban a kvark-gluon plazma. Tehát kiderül, hogy az elméleti számítások magfúzió megköveteli a jó ismerete a háromdimenziós szerkezet nukleonokból.
Végül ezek az adatok nagyon szükséges, asztrofizika. Amikor egy nehéz csillag felrobban végén életük, gyakran még mindig rendkívül kompakt objektumok - neutron és esetleg kvarkcsillag. A mag a csillagok áll teljes egészében a neutronok, és talán még a hideg a kvark-gluon plazma. Az ilyen csillagok már régóta találtak, de mi folyik bennük - csak találgatni tud. Tehát egy jó megértése a kvark eloszlás vezethet fejlődésének asztrofizika.