Вступ
Понад століття після того, як Ернест Резерфорд відкрив позитивно заряджену частинку в основі кожного атома, фізики все ще намагаються повністю зрозуміти протон.
Вчителі фізики середньої школи описують їх як безвиразні кульки з одиницею позитивного електричного заряду кожна — ідеальна фольга для негативно заряджених електронів, які дзижчать навколо них. Студенти коледжу дізнаються, що куля насправді є пучком трьох елементарних частинок, які називаються кварками. Але десятиліття досліджень виявили глибшу правду, надто дивну, щоб її можна було повністю охопити словами чи зображеннями.
«Це найскладніша річ, яку ви тільки можете уявити», — сказав Майк Уільямс, фізик Массачусетського технологічного інституту. «Насправді, ви навіть не уявляєте, наскільки це складно».
Протон — це квантово-механічний об’єкт, який існує як туман ймовірностей, поки експеримент не змусить його прийняти конкретну форму. І його форми кардинально відрізняються залежно від того, як дослідники поставили свій експеримент. Поєднання багатьох граней частинки було роботою поколінь. «Ми лише починаємо повністю розуміти цю систему», — сказав він Річард Мілнер, фізик-ядерник в MIT.
Поки переслідування триває, секрети протона продовжують з’являтися. Зовсім недавно а монументальний аналіз даних опублікований у серпні, виявив, що протон містить сліди частинок, які називаються чарівними кварками, які важчі за сам протон.
За словами Вільямса, протон «був принизливим для людей». «Кожного разу, коли ти думаєш, що вмієш керувати цим, це кидає тобі криві кульки».
Нещодавно Мілнер разом із Рольфом Ентом із лабораторії Джефферсона, режисерами Массачусетського технологічного інституту Крісом Бебелем і Джо МакМастером, а також аніматором Джеймсом Лаплантом вирішили перетворити набір таємничих сюжетів, які об’єднують результати сотень експериментів, у серію анімацій форми. - зсувний протон. Ми включили їхні анімації в нашу власну спробу розкрити його секрети.
Злом Відкрийте протон
Доказ того, що протон містить безліч, надійшов від Стенфордського центру лінійних прискорювачів (SLAC) у 1967 році. У попередніх експериментах дослідники закидали його електронами та спостерігали, як вони рикошетять, як більярдні кулі. Але SLAC міг кидати електрони сильніше, і дослідники побачили, що вони відскочили по-іншому. Електрони вдарялися по протону досить сильно, щоб розбити його — процес називається глибоким непружним розсіюванням — і відскакували від точкових осколків протона, які називаються кварками. «Це було перше свідчення того, що кварки насправді існують», — сказав він Сяочао Чжен, фізик Університету Вірджинії.
Після відкриття SLAC, яке отримало Нобелівську премію з фізики в 1990 році, вивчення протона посилилося. На сьогоднішній день фізики провели сотні експериментів з розсіюванням. Вони роблять висновок про різні аспекти внутрішнього об’єкта, регулюючи силу бомбардування об’єкта та вибираючи, які розсіяні частинки вони збирають після цього.
Вступ
Використовуючи електрони з вищою енергією, фізики можуть виявити більш тонкі характеристики цільового протона. Таким чином, енергія електрона встановлює максимальну роздільну здатність експерименту глибоко непружного розсіювання. Потужніші колайдери частинок пропонують чіткіше бачення протона.
Коллайдери з більшою енергією також створюють ширший спектр результатів зіткнень, дозволяючи дослідникам вибирати різні підмножини вихідних електронів для аналізу. Ця гнучкість виявилася ключовою для розуміння кварків, які рухаються всередині протона з різною кількістю імпульсу.
Вимірюючи енергію та траєкторію кожного розсіяного електрона, дослідники можуть визначити, чи він відскочив від кварка, який несе велику частину загального імпульсу протона, чи лише трохи. Через повторювані зіткнення вони можуть зробити щось на кшталт перепису — визначити, чи імпульс протона здебільшого зв’язаний у кількох кварках, чи розподілений між багатьма.
Навіть зіткнення SLAC із розщепленням протонів були м’якими за сучасними стандартами. У цих подіях розсіювання електрони часто вилітали таким чином, що вказувало на те, що вони врізалися в кварки, що несуть третину загального імпульсу протона. Це відкриття збігалося з теорією Мюррея Гелл-Манна та Джорджа Цвейга, які в 1964 році припустили, що протон складається з трьох кварків.
«Кваркова модель» Гелл-Манна та Цвейга залишається елегантним способом уявити протон. Він має два «верхніх» кварки з електричними зарядами +2/3 кожен і один «нижній» кварк із зарядом −1/3 із загальним зарядом протона +1.
Вступ
Але кваркова модель є надмірним спрощенням, яке має серйозні недоліки.
Це не вдається, наприклад, коли йдеться про спін протона, квантову властивість, аналогічну кутовому моменту. Протон має половину одиниці обертання, як і кожен його висхідний і нижній кварки. Фізики спочатку припустили, що — у розрахунку, який повторює просту арифметику заряду — піводиниці двох верхніх кварків мінус нижній кварк повинні дорівнювати половині одиниці для протона в цілому. Але в 1988 році Європейське мюонне співробітництво повідомляє що спіни кварків у сумі становлять набагато менше половини. Подібним чином, маси двох верхніх кварків і одного нижнього кварка складають лише близько 1% від загальної маси протона. Ці недоліки підкреслили те, що фізики вже почали розуміти: протон набагато більше, ніж три кварки.
Набагато більше, ніж три кварки
Адронно-електронний кільцевий прискорювач (HERA), який працював у Гамбурзі, Німеччина, з 1992 по 2007 рік, врізав електрони в протони приблизно в тисячу разів сильніше, ніж SLAC. В експериментах HERA фізики могли відібрати електрони, які відскочили від кварків з надзвичайно низьким імпульсом, включаючи ті, що несуть лише 0.005% від загального імпульсу протона. І вони їх виявили: електрони HERA відскочили від виру кварків із низьким імпульсом та їхніх аналогів із антиматерії, антикварків.
Вступ
Результати підтвердили складну та дивовижну теорію, яка на той час замінила кваркову модель Гелл-Манна та Цвейга. Розроблена в 1970-х роках, це була квантова теорія «сильної сили», яка діє між кварками. Теорія описує кварки як зв’язані між собою частинками, що несуть силу, які називаються глюонами. Кожен кварк і кожен глюон має один із трьох типів «колірного» заряду, позначеного червоним, зеленим і синім; ці кольорові заряджені частинки природним чином стягують одна одну й утворюють групу, наприклад протон, кольори якої утворюють нейтральний білий. Барвиста теорія стала відомою як квантова хромодинаміка, або КХД.
Відповідно до КХД, глюони можуть отримувати миттєві стрибки енергії. З цією енергією глюон розпадається на кварк і антикварк, кожен з яких несе крихітну частинку імпульсу, перш ніж пара анігілює і зникає. Менші стрибки енергії створюють пари кварків із меншим імпульсом, які живуть коротше. Саме це «море» глюонів, кварків і антикварків HERA, завдяки своїй більшій чутливості до частинок з меншим імпульсом, виявила з перших вуст.
HERA також знайшла натяки на те, як виглядатиме протон у більш потужних колайдерах. Коли фізики налаштовували HERA на пошук кварків з меншим імпульсом, цих кварків, які походять від глюонів, з’являлося все більше й більше. Результати свідчать про те, що при зіткненнях із ще більшою енергією протон виглядатиме як хмара, що майже повністю складається з глюонів.
Вступ
Глюонна кульбаба - це саме те, що передбачає КХД. «Дані HERA є прямим експериментальним доказом того, що КХД описує природу», — сказав Мілнер.
Але перемога молодої теорії прийшла з гіркою пілюлею: хоча КХД чудово описала танець короткоживучих кварків і глюонів, виявлений екстремальними зіткненнями HERA, ця теорія марна для розуміння трьох довготривалих кварків, які спостерігаються під час м’якого бомбардування SLAC.
Прогнози КХД легко зрозуміти лише тоді, коли сильна сила є відносно слабкою. І сильна сила слабшає лише тоді, коли кварки знаходяться дуже близько один до одного, оскільки вони знаходяться в короткоживучих парах кварк-антикварк. Френк Вільчек, Девід Гросс і Девід Політцер визначили цю визначальну особливість КХД у 1973 році, отримавши за це Нобелівську премію через 31 рік.
Але для більш м’яких зіткнень, таких як SLAC, де протон діє як три кварки, які зберігають взаємну відстань, ці кварки тягнуть один одного настільки сильно, що розрахунки КХД стають неможливими. Таким чином, завдання подальшої демістифікації трикваркового погляду на протон лягло в основному на експериментаторів. (Дослідники, які проводять «цифрові експерименти», в яких передбачення КХД моделюються на суперкомп’ютерах, також зробили ключові внески.) І саме на цій картинці з низькою роздільною здатністю фізики продовжують знаходити сюрпризи.
Чарівний новий вид
Нещодавно колектив під керівництвом в Хуан Рохо з Національного інституту субатомної фізики в Нідерландах та VU University Amsterdam проаналізували понад 5,000 знімків протона, зроблених за останні 50 років, використовуючи машинне навчання, щоб зробити висновок про рух кварків і глюонів усередині протона таким чином, щоб уникнути теоретичних припущень.
Нова ретельна перевірка виявила розмиття фону на зображеннях, яке уникло минулих дослідників. У відносно м’яких зіткненнях, які ледь розривають протон, більша частина імпульсу була заблокована у звичайних трьох кварках: два підйоми та спад. Але невелика кількість імпульсу, здавалося, походить від «чарівного» кварка та чарівного антикварка — колосальних елементарних частинок, кожна з яких перевищує весь протон більш ніж на одну третину.
Вступ
Короткочасні чари часто проявляються у вигляді «кваркового моря» протона (глюони можуть розділитися на будь-який із шести різних типів кварків, якщо вони мають достатню енергію). Але результати, отримані Рохо та його колегами, свідчать про те, що чари присутні більш постійно, завдяки чому їх можна виявити під час м’яких зіткнень. У цих зіткненнях протон виглядає як квантова суміш або суперпозиція багатьох станів: електрон зазвичай зустрічається з трьома легкими кварками. Але час від часу він стикатиметься з більш рідкісною «молекулою» з п’яти кварків, таких як висхідний, нижній і чарівний кварки, згруповані з одного боку, і верхній кварк і чарівний антикварк з іншого.
Такі тонкі деталі про структуру протона можуть виявитися значущими. На Великому адронному колайдері фізики шукають нові елементарні частинки, збиваючи високошвидкісні протони разом і дивлячись, що вискакує; щоб зрозуміти результати, дослідникам потрібно спочатку знати, що міститься в протоні. Час від часу поява гігантських чарівних кварків може скинути шанси створення більш екзотичних частинок.
І коли протони, звані космічними променями, летять сюди з космосу й врізаються в протони в земній атмосфері, чарівні кварки, що з’являються в потрібний момент, обсипають Землю наденергетичні нейтрино, підрахували дослідники у 2021 році. Це може збентежити спостерігачів Грати короля карти - безкоштовно Nijumi логічна гра гри для нейтрино високої енергії, що надходять з усього космосу.
Колаборація Рохо планує продовжити дослідження протона шляхом пошуку дисбалансу між чарівними кварками та антикварками. А більш важкі компоненти, такі як топ-кварк, можуть з’являтися ще рідше і їх важче виявити.
Експерименти наступного покоління шукатимуть ще більше невідомих функцій. Фізики з Брукхейвенської національної лабораторії сподіваються запустити електронно-іонний колайдер у 2030-х роках і продовжити з того місця, де зупинилася HERA, зробивши знімки з вищою роздільною здатністю, які дозволять перші тривимірні реконструкції протона. EIC також використовуватиме електрони, що обертаються, для створення детальних карт спінів внутрішніх кварків і глюонів, подібно до того, як SLAC і HERA відобразили їхні імпульси. Це повинно допомогти дослідникам нарешті визначити походження обертання протона та відповісти на інші фундаментальні питання про незрозумілу частинку, яка становить більшу частину нашого повсякденного світу.
