概要
アーネスト・ラザフォードがすべての原子の中心にある正電荷を帯びた粒子を発見してから XNUMX 世紀以上経った今でも、物理学者は陽子を完全に理解するのに苦労しています。
高校の物理の教師は、それらを正の電荷が XNUMX 単位ずつ付いた特徴のない球だと説明しています。 大学生は、ボールが実際にはクォークと呼ばれる XNUMX つの素粒子の束であることを学びます。 しかし、何十年にもわたる研究により、言葉や画像で完全に捉えるにはあまりにも奇妙で、より深い真実が明らかになりました。
「これはあなたが想像できる最も複雑なことです」と彼は言いました。 マイクウィリアムス、マサチューセッツ工科大学の物理学者。 「実際、それがどれほど複雑であるか想像することさえできません。」
陽子は量子力学的物体であり、実験によって具体的な形になるまで確率のかすみとして存在します。 そして、研究者が実験をどのように設定するかによって、その形態は大きく異なります。 粒子の多くの面を接続することは、何世代にもわたる作業でした。 「私たちはこのシステムを完全に理解し始めたところです。 リチャードミルナー、MITの核物理学者。
追跡が続くにつれて、陽子の秘密が明らかになります。 最近では、 記念碑的なデータ分析 XNUMX月に発表された は、陽子が陽子自体よりも重いチャームクォークと呼ばれる粒子の痕跡を含んでいることを発見しました.
陽子は「人間にとって謙虚な存在でした」とウィリアムズは言いました。 「それをうまく処理できたと思うたびに、いくつかの変化球が投げられます。」
最近、ミルナーは、ジェファーソン研究所のロルフ・エント、MIT の映画製作者であるクリス・ボーベルとジョー・マクマスター、アニメーターのジェームズ・ラプランテと共に、何百回もの実験の結果をまとめた難解なプロットのセットを一連の形のアニメーションに変換することに着手しました。 -シフト陽子。 その秘密を明らかにする独自の試みに彼らのアニメーションを組み込みました。
陽子を割って開く
陽子が多数含まれているという証拠は、1967 年にスタンフォード線形加速器センター (SLAC) から得られました。以前の実験では、研究者は陽子に電子を投げつけ、それらがビリヤード ボールのように跳ね返るのを見ていました。 しかし、SLAC は電子をより強力に投げつけることができ、研究者はそれらが異なる方法で跳ね返ることを発見しました。 電子は陽子を粉砕するのに十分なほど強く衝突し、これは深部非弾性散乱と呼ばれるプロセスであり、クォークと呼ばれる陽子の点のような破片から跳ね返っていました。 「それは、クォークが実際に存在するという最初の証拠でした。」 シャオチャオ・チェン、バージニア大学の物理学者。
1990 年にノーベル物理学賞を受賞した SLAC の発見の後、陽子の精査が強化されました。 物理学者はこれまでに数百回の散乱実験を行ってきました。 彼らは、物体に衝突する強さを調整し、その後にどの散乱粒子を収集するかを選択することによって、物体の内部のさまざまな側面を推測します。
概要
高エネルギーの電子を使用することで、物理学者はターゲット陽子のより細かい特徴を突き止めることができます。 このように、電子エネルギーは、深部非弾性散乱実験の最大分解能を設定します。 より強力な粒子コライダーは、陽子のより鮮明なビューを提供します。
高エネルギーコライダーはまた、衝突結果のより広い配列を生成するため、研究者は分析する出力電子のさまざまなサブセットを選択できます。 この柔軟性は、さまざまな量の運動量で陽子内を動き回るクォークを理解するための鍵であることが証明されています。
散乱した各電子のエネルギーと軌道を測定することで、陽子の総運動量の大部分を運ぶクォークをちらりと見ただけなのか、それともわずかな量の電子だけなのかを研究者は判断できます。 衝突を繰り返すことで、陽子の運動量の大部分がいくつかのクォークに束縛されているのか、それとも多くのクォークに分散されているのかを判断して、人口調査のようなものを行うことができます。
SLAC の陽子分裂衝突でさえ、今日の基準では穏やかでした。 これらの散乱イベントでは、陽子の全運動量の 1964 分の XNUMX を運ぶクォークに衝突したことを示唆する方法で電子が飛び出すことがよくありました。 この発見は、XNUMX 年に陽子は XNUMX つのクォークで構成されていると仮定したマレー ゲルマンとジョージ ツヴァイクの理論と一致しました。
Gell-Mann と Zweig の「クォーク モデル」は、陽子を想像するための洗練された方法であり続けています。 それぞれ +2/3 の電荷を持つ 1 つの「アップ」クォークと、-3/1 の電荷を持つ XNUMX つの「ダウン」クォークがあり、合計陽子電荷は +XNUMX です。
概要
しかし、クォーク モデルは単純化しすぎており、重大な欠点があります。
たとえば、角運動量に類似した量子特性である陽子のスピンに関しては、それは失敗します。 陽子は、そのアップ クォークとダウン クォークのそれぞれと同様に、半分のスピン単位を持っています。 物理学者は当初、単純な電荷計算を反映した計算で、1988 つのアップ クォークの半単位からダウン クォークの半単位を引いたものが陽子全体の半単位に等しくなければならないと考えていました。 しかしXNUMX年、欧州ミュオン共同研究は 報告 クォークのスピンの合計は 1 分の XNUMX をはるかに下回っています。 同様に、XNUMX つのアップ クォークと XNUMX つのダウン クォークの質量は、陽子の総質量の約 XNUMX% にすぎません。 これらの欠陥は、物理学者がすでに認識し始めていたポイントを強調しました: 陽子は XNUMX つのクォークよりもはるかに大きい.
XNUMXつのクォークよりもはるかに多い
1992 年から 2007 年までドイツのハンブルグで運用されていたハドロン電子環加速器 (HERA) は、SLAC よりも約 0.005 倍強力に電子を陽子に衝突させました。 HERA の実験では、物理学者は、陽子の総運動量の XNUMX% しか持たないものを含め、運動量が非常に小さいクォークから跳ね返った電子を選択することができました。 HERA の電子は、低運動量のクォークとそれに対応する反物質である反クォークの大渦から跳ね返った。
概要
この結果は、それまでにゲルマンとツヴァイクのクォーク モデルを置き換えていた、洗練された奇抜な理論を裏付けるものでした。 1970年代に開発された、クォーク間に働く「強い力」の量子論。 この理論では、クォークはグルオンと呼ばれる力を運ぶ粒子によって結び付けられていると説明されています。 各クォークと各グルオンは、赤、緑、青の XNUMX 種類の「色」電荷のいずれかを持っています。 これらの色荷電粒子は自然に互いに引っ張り合い、グループ (陽子など) を形成します。グループの色はニュートラル ホワイトになります。 カラフルな理論は、量子色力学 (QCD) として知られるようになりました。
QCD によると、グルオンはエネルギーの瞬間的なスパイクを拾うことができます。 このエネルギーにより、グルオンはクォークと反クォークに分裂し、それぞれがわずかな運動量を持っていますが、対が消滅して消滅します。 エネルギー スパイクが小さいほど、運動量の低いクォーク ペアが生成され、寿命が短くなります。 低運動量粒子に対する感度が高い HERA が直接検出したのは、このグルーオン、クォーク、および反クォークの「海」です。
HERA はまた、陽子がより強力なコライダーでどのように見えるかについてのヒントも得ました。 物理学者が HERA を調整して運動量の低いクォークを探すと、グルーオンに由来するこれらのクォークがますます多く出現しました。 この結果は、さらに高エネルギーの衝突では、陽子はほぼ完全にグルオンで構成される雲として現れることを示唆していました。
概要
グルオン タンポポは、まさに QCD が予測するものです。 「HERA データは、QCD が自然を説明する直接的な実験的証拠です」と Milner 氏は述べています。
しかし、若い理論の勝利には苦い薬がありました。 QCD は、HERA の極端な衝突によって明らかにされた短寿命のクォークとグルオンのダンスを美しく説明しましたが、その理論は、SLAC の穏やかな衝撃で見られる XNUMX つの長時間持続するクォークを理解するのには役に立ちません。
QCD の予測は、強い力が比較的弱い場合にのみ理解しやすいものです。 そして、強い力は、クォークが短寿命のクォークと反クォークのペアであるため、クォークが非常に接近している場合にのみ弱まります。 Frank Wilczek、David Gross、David Politzer は、1973 年に QCD のこの決定的な特徴を特定し、31 年後にノーベル賞を受賞しました。
しかし、陽子が互いに距離を保っている XNUMX つのクォークのように振る舞う SLAC のようなより穏やかな衝突の場合、これらのクォークは互いに強く引っ張り合うため、QCD 計算は不可能になります。 したがって、陽子の XNUMX クォーク ビューをさらにわかりやすく説明する作業は、主に実験者に委ねられています。 （スーパーコンピュータ上でQCD予測をシミュレートする「デジタル実験」を行っている研究者も 主な貢献.) そして、物理学者が驚きを発見し続けているのは、この低解像度の写真です。
魅力的な新しいビュー
最近、率いるチームは フアン・ロホ オランダ国立素粒子物理学研究所と VU アムステルダム大学は、過去 5,000 年間に撮影された 50 を超える陽子のスナップショットを分析し、機械学習を使用して陽子内のクォークとグルオンの動きを推測し、理論的な当て推量を回避しました。
新しい精査により、過去の研究者が見逃していた画像の背景のぼやけが検出されました。 陽子をかろうじて壊す程度の比較的柔らかい衝突では、ほとんどの運動量が通常の XNUMX つのクォーク (XNUMX つのアップと XNUMX つのダウン) に閉じ込められました。 しかし、少量の運動量は「チャーム」クォークとチャーム反クォーク (それぞれが陽子全体の XNUMX 分の XNUMX 以上の重さを超える巨大な素粒子) から来ているように見えました。
概要
短命の魅力は、陽子の「クォーク海」ビューに頻繁に現れます (グルーオンは、十分なエネルギーを持っている場合、XNUMX つの異なるクォーク タイプのいずれかに分裂できます)。 しかし、ロホと同僚の結果は、チャームがより恒久的に存在し、穏やかな衝突で検出可能であることを示唆しています。 これらの衝突では、陽子は複数の状態の量子混合または重ね合わせとして表示されます。通常、電子は XNUMX つの軽量クォークに遭遇します。 しかし、一方ではアップクォーク、ダウンクォーク、チャームクォーク、他方ではアップクォークとチャームアンチクォークなど、XNUMXつのクォークからなるまれな「分子」に遭遇することがあります。
陽子の構成に関するこのような微妙な詳細は、重要であることが証明される可能性があります。 大型ハドロン衝突型加速器では、物理学者が高速の陽子をぶつけ合い、何が飛び出すかを見ることで、新しい素粒子を探します。 結果を理解するために、研究者はまず陽子に何が含まれているかを知る必要があります。 時折出現する巨大なチャーム クォークは、 オッズを捨てる よりエキゾチックなパーティクルを作成します。
そして、宇宙線と呼ばれる陽子が宇宙空間からここに飛来し、地球の大気中の陽子に激突すると、適切なタイミングでチャームクォークが出現し、地球に雨を降らせます。 超エネルギーニュートリノ、研究者は2021年に計算しました。これらは観察者を混乱させる可能性があります 検索 宇宙の向こう側から来る高エネルギーニュートリノのために。
Rojo の共同研究では、チャーム クォークと反クォークの間の不均衡を探すことで、陽子の探索を続ける予定です。 また、トップクォークなどのより重い成分は、さらにまれで検出が困難になる可能性があります。
次世代の実験では、さらに未知の機能が求められます。 ブルックヘブン国立研究所の物理学者は、2030 年代に電子イオン衝突型加速器を起動し、HERA が中断したところから再開して、陽子の最初の 3D 再構成を可能にする高解像度のスナップショットを取得することを望んでいます。 EIC はまた、SLAC と HERA が運動量をマッピングしたように、回転する電子を使用して、内部クォークとグルオンのスピンの詳細なマップを作成します。 これは、研究者が最終的に陽子のスピンの起源を特定し、私たちの日常世界の大部分を構成する不可解な粒子に関する他の基本的な問題に対処するのに役立つはずです.
