Kedysi sa verilo, že najmenšou štruktúrnou jednotkou akejkoľvek látky je molekula. Potom, s vynálezom výkonnejších mikroskopov, ľudstvo prekvapilo objavením konceptu atómu - zloženej častice molekúl. Zdá sa, že oveľa menej? Medzitým sa ešte neskôr ukázalo, že atóm zase pozostáva z menších prvkov.
Začiatkom 20. storočia objavil britský fyzik prítomnosť jadier v atóme - centrálnych štruktúrach, práve tento moment znamenal začiatok série nekonečných objavov týkajúcich sa štruktúry najmenšieho konštrukčného prvku hmoty.
Dnes je na základe jadrového modelu a vďaka početným štúdiám známe, že atóm pozostáva z jadra, ktoré je obklopené elektronický cloud. Ako súčasť takéhoto "oblaku" - elektróny, alebo elementárne častice s záporný náboj. Zloženie jadra naopak zahŕňa častice s elektricky kladným nábojom, tzv protóny. Už vyššie spomínaný britský fyzik dokázal tento jav pozorovať a následne opísať. V roku 1919 uskutočnil experiment, v ktorom častice alfa vyradili jadrá vodíka z jadier iných prvkov. Tak sa mu podarilo zistiť a dokázať, že protóny nie sú nič iné ako jadro bez jediného elektrónu. V moderná fyzika protóny sú označené symbolom p alebo p+ (čo znamená kladný náboj).
Protón v gréčtine znamená "prvý, hlavný" - elementárna častica súvisiaci s triedou baryóny tie. relatívne ťažký Je to stabilná konštrukcia, jej životnosť je viac ako 2,9 x 10(29) rokov.
Presnejšie povedané, okrem protónu obsahuje aj neutróny, ktoré sú už podľa názvu neutrálne nabité. Oba tieto prvky sú tzv nukleóny.
Hmotnosť protónu, v dôsledku celkom zrejmých okolností, na dlhú dobu nebolo možné zmerať. Teraz je známe, že áno
t.t. = 1,67262∙10-27 kg.
Takto vyzerá pokojová hmotnosť protónu.
Prejdime k úvahám o chápaní hmotnosti protónu, špecifického pre rôzne oblasti fyziky.
Hmotnosť častíc vo vnútri jadrovej fyzikyčasto nadobúda inú podobu, jeho mernou jednotkou je a.m.u.
A.u.m. - jednotka atómovej hmotnosti. Jeden ráno rovná 1/12 hmotnosti atómu uhlíka, ktorého hmotnostné číslo je 12. 1 atómová hmotnostná jednotka sa teda rovná 1,66057 10-27 kg.
Hmotnosť protónu teda vyzerá takto:
t.t. = 1,007276 a.u. jesť.
Existuje ďalší spôsob, ako vyjadriť hmotnosť tejto kladne nabitej častice pomocou rôznych jednotiek. Aby sme to dosiahli, musíme najprv prijať ako axiómu ekvivalenciu hmotnosti a energie E=mc2. Kde c - a m - telesná hmotnosť.
Hmotnosť protónov sa v tomto prípade meria v megaelektrónvoltoch alebo MeV. Takáto jednotka merania sa používa výlučne v jadrovej a atómovej fyzike a slúži na meranie energie, ktorá je potrebná na prenos častice medzi dvoma bodmi v C za podmienky, že potenciálny rozdiel medzi týmito bodmi je 1 Volt.
Vzhľadom na to, že 1:00 hod. = 931,494829533852 MeV, hmotnosť protónov je približne
Takýto záver bol získaný na základe hmotnostných spektroskopických meraní a práve hmotnosť vo forme, v akej je uvedená vyššie, sa bežne nazýva aj e zvyšok energie protónu.
So zameraním na potreby experimentu možno hmotnosť najmenšej častice vyjadriť tromi rôzne hodnoty, v troch rôznych jednotkách.
Okrem toho možno hmotnosť protónu vyjadriť v pomere k hmotnosti elektrónu, o ktorom je známe, že je oveľa „ťažší“ ako kladne nabitá častica. V tomto prípade sa hmotnosť bude rovnať hrubému výpočtu a významným chybám 1836,152 672 vo vzťahu k hmotnosti elektrónu.
Vodík, prvok, ktorý má najjednoduchšiu štruktúru. Má kladný náboj a takmer neobmedzenú životnosť. Je to najstabilnejšia častica vo vesmíre. Protóny vytvorené v dôsledku Veľkého tresku sa ešte nerozpadli. Hmotnosť protónov je 1,627*10-27 kg alebo 938,272 eV. Častejšie sa táto hodnota vyjadruje v elektrónvoltoch.
Protón objavil „otec“ jadrovej fyziky Ernest Rutherford. Predložil hypotézu, že jadrá atómov všetkých chemických prvkov pozostávajú z protónov, pretože v hmotnosti prevyšujú jadro atómu vodíka o celé číslo. Rutherford pripravil zaujímavý experiment. V tom čase už bola objavená prirodzená rádioaktivita niektorých prvkov. Pomocou alfa žiarenia (alfa častice sú jadrá hélia s vysokými energiami) vedec ožiaril atómy dusíka. V dôsledku tejto interakcie bola emitovaná častica. Rutherford navrhol, že to bol protón. Ďalšie experimenty vo Wilsonovej bublinovej komore jeho predpoklad potvrdili. Takže v roku 1913 bola objavená nová častica, ale Rutherfordova hypotéza o zložení jadra sa ukázala ako neudržateľná.
Veľký vedec našiel chybu vo svojich výpočtoch a predložil hypotézu o existencii ďalšej častice, ktorá je súčasťou jadra a má takmer rovnakú hmotnosť ako protón. Experimentálne sa mu to nepodarilo zistiť.
V roku 1932 to urobil anglický vedec James Chadwick. Usporiadal experiment, počas ktorého bombardoval atómy berýlia vysokoenergetickými časticami alfa. Ako výsledok jadrovej reakcie z jadra berýlia vyletela častica, neskôr nazývaná neutrón. Chadwick dostal za svoj objav Nobelovu cenu o tri roky neskôr.
Hmotnosť neutrónu sa skutočne len málo líši od hmotnosti protónu (1,622 * 10-27 kg), ale táto častica nemá náboj. V tomto zmysle je neutrálny a zároveň schopný spôsobiť štiepenie ťažkých jadier. Kvôli nedostatku náboja môže neutrón ľahko prejsť cez bariéru vysokého Coulombovho potenciálu a zabudovať sa do štruktúry jadra.
Protón a neutrón majú kvantové vlastnosti (môžu vykazovať vlastnosti častíc a vĺn). Neutrónové žiarenie sa využíva v lekárske účely. Vysoká penetračná sila umožňuje tomuto žiareniu ionizovať hlboké nádory a iné zhubné útvary a odhaliť ich. V tomto prípade je energia častíc relatívne malá.
Neutrón je na rozdiel od protónu nestabilná častica. Jeho životnosť je približne 900 sekúnd. Rozpadá sa na protón, elektrón a elektrónové neutríno.
Zdroje:
Veľmi často v rôzne situácieľudia počujú slovo protón, rovnako ako jadro, neutrón, elektrón. Nie vždy študenti a dokonca aj dospelí vedia, odkiaľ tento názov pochádza a kedy sa svet dozvedel o takýchto prvkoch.
preč veľký početčas predtým, ako sa vedci zhodli, že všetky látky sa skladajú z molekúl. Postupom času sa im dokonca podarilo zistiť, že v ich zložení sú atómy. Potom vyvstala otázka, z čoho sa atóm skladá. Atóm obsahuje jadro a množstvo elektrónov, ktoré sa točia okolo jadra.
Tieto experimenty si vyžadovali značnú prípravu a pri vykonávaní experimentov vedec a jeho študenti často obetovali svoje zdravie. Experiment prebiehal takto: pomocou alfa boli bombardované atómy dusíka. V dôsledku toho boli z jadier dusíkových atómov vyrazené rôzne častice, ktoré boli fixované na svetlocitlivom filme. Kvôli slabej žiare musel Rutherford osem hodín sedieť v miestnosti bez osvetlenia, aby jeho oči lepšie fixovali svetelné stopy.
Vďaka týmto experimentom dokázal Rutherford zo stôp po knock-outovaní určiť, že v atóme akejkoľvek látky sú presne atómy vodíka a kyslíka.
Názov protón pochádza z „protos“, čo je preložené z gréčtiny ako prvé. Pôvodne chceli túto časticu pomenovať z gréckeho slova „baros“, čo znamená ťažkosť. Ale nakoniec sa rozhodlo, že „protón“ lepšie vystihuje všetky kvality tohto prvku. Je dôležité si uvedomiť, že hmotnosť protónu je približne 1840-krát väčšia ako .
Vesmír, niekedy nazývaný aj kozmos, sa skladá z galaxií, tj. hviezdne systémy. Dnes existujú rôzne hypotézy o pôvode vesmíru, ale neexistuje jediný vedecky dokázaný fakt. Všetky tieto teórie sú založené na predpokladoch a výpočtoch rôznych vedcov.
Poučenie
Zakladateľom štúdia vesmíru bol poľský astronóm Mikuláš Kopernik, ktorý napísal prácu o heliocentrickom systéme, v ktorom sa uvádza, že Zem je súčasťou veľkého. V nasledujúcich dobách boli diela N. Kopernika zdokonaľované a dopĺňané ďalšími vedcami, ale bol to práve Poliak, kto dokázal dať ľudstvu základné poznatky o kozmickom usporiadaní sveta.
Najkomplexnejšie a najúplnejšie štúdium vesmíru sa začalo až v 20. storočí. Bolo to spôsobené rozvojom technológie vo vede. Na tento moment známe, že hlavné chemický prvok, ktorý je súčasťou vesmíru, je vodík. Jeho objem je 75 % z celkového konvenčného objemu, nasleduje hélium, ktorého objem je 23 %. Zvyšok zaberajú menšie chemické nečistoty. Ľudstvo už mnoho rokov sleduje vývoj vesmíru, aby pochopilo príčiny jeho vzniku.
Protóny sa zúčastňujú termonukleárnych reakcií, ktoré sú hlavným zdrojom energie generovanej hviezdami. Najmä reakcie pp-cyklus, ktorý je zdrojom takmer všetkej energie vyžarovanej Slnkom, vedie ku kombinácii štyroch protónov na jadro hélia-4 s premenou dvoch protónov na neutróny.
Vo fyzike sa označuje protón p(alebo p+). Chemické označenie protónu (považovaného za kladný vodíkový ión) je H +, astrofyzikálne označenie je HII.
Pomer hmotností protónov a elektrónov rovný 1836,152 673 89(17) s presnosťou 0,002 % sa rovná hodnote 6π 5 = 1836,118…
Vnútornú štruktúru protónu prvýkrát experimentálne študoval R. Hofstadter štúdiom zrážok zväzku vysokoenergetických elektrónov (2 GeV) s protónmi ( nobelová cena vo fyzike 1961). Protón pozostáva z ťažkého jadra (jadra) s polomerom cm, s vysokou hmotnosťou a hustotou náboja, ktoré nesie ≈ 35 % (\displaystyle \cca 35\%) elektrický náboj protónu a relatívne riedky obal, ktorý ho obklopuje. Vo vzdialenosti od ≈ 0,25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \cca 0,25\cdot 10^(-13)) predtým ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \cca 1,4\cdot 10^(-13)) pozri tento obal pozostáva hlavne z virtuálnych ρ - a π - mezónov, nesúcich ≈ 50 % (\displaystyle \cca 50\%) elektrický náboj protónu, potom až do diaľky ≈ 2,5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \cca 2,5\cdot 10^(-13)) cm rozširuje obal virtuálnych ω - a π -mezónov, nesúcich ~ 15 % elektrického náboja protónu.
Tlak v strede protónu, ktorý vytvárajú kvarky, je asi 10 35 Pa (10 30 atmosfér), teda vyšší ako tlak vo vnútri neutrónových hviezd.
Magnetický moment protónu sa meria meraním pomeru rezonančnej frekvencie precesie magnetického momentu protónu v danom rovnomernom magnetickom poli a cyklotrónovej frekvencie protónu na kruhovej dráhe v rovnakom poli.
Protón je spojený s tromi fyzikálnymi veličinami, ktoré majú rozmer dĺžky:
Merania protónového polomeru pomocou bežných atómov vodíka, uskutočňované rôznymi metódami od 60. rokov 20. storočia, viedli (CODATA -2014) k výsledku 0,8751 ± 0,0061 femtometer(1 fm = 10 -15 m) . Prvé experimenty s miónovými atómami vodíka (kde je elektrón nahradený miónom) poskytli o 4 % nižší výsledok pre tento polomer, 0,84184 ± 0,00067 fm. Dôvody tohto rozdielu sú stále nejasné.
Takzvaný protón Q w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, ktorý určuje jeho účasť na slabých interakciách prostredníctvom výmeny Z 0-bozón (podobne ako nabíjačkačastica určuje svoju účasť na elektromagnetických interakciách výmenou fotónu) je 0,0719 ± 0,0045, podľa experimentálnych meraní narušenie parity pri rozptyle polarizovaných elektrónov protónmi. Nameraná hodnota sa v rámci experimentálnej chyby zhoduje s teoretickými predpoveďami štandardného modelu (0,0708 ± 0,0003).
Voľný protón je stabilný, experimentálne štúdie neodhalili žiadne známky jeho rozpadu (dolná hranica životnosti je 2,9⋅10 29 rokov bez ohľadu na kanál rozpadu, 8,2⋅10 33 rokov pre rozpad na pozitrón a neutrálny pión, 6,6⋅ 10 33 rokov na rozpad na kladný mión a neutrálny pion). Keďže protón je najľahší z baryónov, stabilita protónu je dôsledkom zákona zachovania baryónového čísla - protón sa nemôže rozpadnúť na žiadne ľahšie častice (napríklad na pozitrón a neutríno) bez toho, aby sa to porušilo. zákona. Mnohé teoretické rozšírenia štandardného modelu však predpovedajú procesy (zatiaľ nepozorované), ktoré by viedli k nezachovaniu baryónového čísla a následne k rozpadu protónu.
Protón viazaný v atómovom jadre je schopný zachytiť elektrón z elektrónového K-, L- alebo M-obalu atómu (tzv. "elektrónový záchyt"). Protón atómového jadra sa po absorpcii elektrónu zmení na neutrón a súčasne vyžaruje neutríno: p+e − →+ν e
. „Diera“ v K-, L- alebo M-vrstve, ktorá vznikla pri záchyte elektrónov, je vyplnená elektrónom z jednej z prekrývajúcich sa elektrónových vrstiev atómu s emisiou charakteristických röntgenových lúčov zodpovedajúcich atómovému číslu. Z− 1 a/alebo Augerove elektróny. Zo 7 je známych viac ako 1000 izotopov
4 až 262
105 rozpadá záchytom elektrónov. Pri dostatočne vysokých dostupných energiách rozpadu (vyššie 2m e c 2 ≈ 1,022 MeV) otvorí sa konkurenčný rozpadový kanál - rozpad pozitrónu p → +e ++ν e
. Treba zdôrazniť, že tieto procesy sú možné len pre protón v niektorých jadrách, kde sa chýbajúca energia dopĺňa prechodom vzniknutého neutrónu do nižšieho jadrového obalu; pre voľný protón sú zakázané zákonom o zachovaní energie.
Zdrojom protónov v chémii sú minerálne (dusičná, sírová, fosforečná a iné) a organické (mravčia, octová, šťaveľová a iné) kyseliny. Vo vodnom roztoku sú kyseliny schopné disociácie s elimináciou protónu za vzniku hydroniového katiónu.
V plynnej fáze sa protóny získavajú ionizáciou – oddelením elektrónu od atómu vodíka. Ionizačný potenciál nevybudeného atómu vodíka je 13,595 eV. Keď je molekulárny vodík ionizovaný rýchlymi elektrónmi pri atmosferický tlak a izbovej teplote sa na začiatku vytvorí molekulárny vodíkový ión (H 2 +) - fyzikálny systém pozostávajúci z dvoch protónov držaných spolu vo vzdialenosti 1,06 jedným elektrónom. Stabilita takéhoto systému je podľa Paulinga spôsobená rezonanciou elektrónu medzi dvoma protónmi s „rezonančnou frekvenciou“ rovnajúcou sa 7·10 14 s −1. Keď teplota stúpne na niekoľko tisíc stupňov, zloženie produktov ionizácie vodíka sa mení v prospech protónov - H +.
Lúče zrýchlených protónov sa využívajú v experimentálnej časticovej fyzike (štúdium rozptylových procesov a tvorba lúčov iných častíc), v medicíne (protónová terapia onkologických ochorení).
Ryža. 1: atóm vodíka. Nie do mierky.
Viete, že Veľký hadrónový urýchľovač je v podstate o spájaní protónov. Ale čo je to protón?
Po prvé - hrozný a úplný neporiadok. Rovnako škaredý a chaotický ako atóm vodíka je jednoduchý a elegantný.
Ale čo je potom atóm vodíka?
Toto je najjednoduchší príklad toho, čo fyzici nazývajú „viazaný stav“. „Štát“ v podstate znamená niečo, čo existuje už nejaký čas, a „spojený“ znamená, že jeho zložky sú navzájom prepojené, ako keby manželia boli manželmi. V skutočnosti tu veľmi dobre sedí príklad manželského páru, v ktorom je jeden z manželov oveľa ťažší ako druhý. Protón sedí v strede, sotva sa pohybuje, a na okrajoch objektu sa pohybuje elektrón, ktorý sa pohybuje rýchlejšie ako vy a ja, ale oveľa pomalšie ako rýchlosť svetla, univerzálny rýchlostný limit. Pokojný obraz manželskej idyly.
Alebo sa to tak zdá, kým sa nepozrieme do samotného protónu. Vnútro samotného protónu je skôr ako komúna, husto preplnená slobodnými dospelými a deťmi: čistý chaos. Toto je tiež viazaný stav, ale neviaže niečo jednoduché, ako je protón s elektrónom, ako vo vodíku, alebo aspoň niekoľko desiatok elektrónov s atómovým jadrom, ako v zložitejších atómoch, ako je zlato - ale nespočetné množstvo ich (to znamená, že ich je príliš veľa a menia sa príliš rýchlo na to, aby sa dali prakticky spočítať) z ľahkých častíc nazývaných kvarky, antikvarky a gluóny. Nie je možné jednoducho opísať štruktúru protónu, nakresliť jednoduché obrázky - je extrémne neusporiadaný. Všetky kvarky, gluóny, antikvarky sa dovnútra rútia maximálnou možnou rýchlosťou, takmer rýchlosťou svetla.
Možno ste už počuli, že protón sa skladá z troch kvarkov. Ale to je lož - v dobrom, ale stále dosť veľká. V skutočnosti je v protóne nespočetné množstvo gluónov, antikvarkov a kvarkov. Štandardná skratka „protón sa skladá z dvoch up kvarkov a jedného down kvarku“ jednoducho hovorí, že protón má o dva up kvarky viac ako up antikvarky a o jeden down kvark viac ako down antikvarky. Aby sa táto redukcia stala pravdou, je potrebné k nej pridať „a nespočetné množstvo ďalších gluónov a párov kvark-antikvark“. Bez tejto frázy bude pojem protón natoľko zjednodušený, že bude úplne nemožné pochopiť fungovanie LHC.
Celkovo sú atómy v porovnaní s protónmi ako pas de deux v sofistikovanom balete v porovnaní s diskotékou plnou opitých tínedžerov, ktorí skáču a mávajú na DJa.
Preto ak ste teoretik, ktorý sa snaží pochopiť, čo LHC uvidí pri zrážkach protónov, bude to pre vás ťažké. Je veľmi ťažké predpovedať výsledky zrážok medzi objektmi, ktoré sa nedajú opísať. jednoduchým spôsobom. Ale, našťastie, od 70. rokov na základe myšlienok Bjorkena zo 60. rokov teoretickí fyzici našli pomerne jednoduchý a pracovná technológia. Ale stále to funguje do určitých limitov, s presnosťou asi 10%. Z tohto a niektorých ďalších dôvodov je spoľahlivosť našich výpočtov LHC vždy obmedzená.
Ďalším detailom o protóne je, že je malý. Naozaj malinký. Ak vyhodíte do vzduchu atóm vodíka na veľkosť vašej spálne, protón bude mať veľkosť zrnka prachu tak malé, že si ho len veľmi ťažko všimnete. Práve preto, že protón je taký malý, môžeme ignorovať chaos, ktorý sa v ňom odohráva, a opísať atóm vodíka ako jednoduchý. Presnejšie, veľkosť protónu je 100 000 krát menšiu veľkosť atóm vodíka.
Pre porovnanie, veľkosť Slnka je len 3000-krát menšia ako veľkosť slnečnej sústavy (ak počítate pozdĺž obežnej dráhy Neptúna). Je to tak - atóm je prázdny ako slnečná sústava! Pamätajte si to, keď sa v noci pozriete na oblohu.
Možno sa však pýtate: „Počkaj chvíľu! Chcete povedať, že Veľký hadrónový urýchľovač nejakým spôsobom naráža na protóny, ktoré sú 100 000-krát menšie ako atóm? Ako je to vôbec možné?"
Skvelá otázka.
Odpoveď je na obr. 4. Graf zobrazuje počet kolízií zaznamenaných v detektore ATLAS. Údaje z leta 2011 zahŕňajú rozptyl kvarkov, antikvarkov a gluónov od iných kvarkov, antikvarkov a gluónov. Takéto minizrážky najčastejšie produkujú dva jety (hadrónové jety, prejavy vysokoenergetických kvarkov, gluónov alebo antikvarkov vyradených z rodičovských protónov). Meria energie a smery prúdov a z týchto údajov určia množstvo energie, ktoré malo byť súčasťou minizrážky. V grafe je znázornený počet minikolízií tohto typu v závislosti od energie. Vertikálna os je logaritmická - každá pomlčka predstavuje 10-násobné zvýšenie čísla (10 n znamená 1 a za ňou n núl). Napríklad počet minikolízií pozorovaných v energetickom intervale od 1550 do 1650 GeV bol približne 10 3 = 1 000 (označené modrými čiarami). Všimnite si, že graf začína pri 750 GeV, ale počet minikolízií sa neustále zvyšuje, keď študujete výtrysky s nižšou energiou, až do bodu, keď sú prúdy príliš slabé na to, aby sa dali zistiť.
Zoberme si, že celkový počet zrážok protónov s protónom s energiou 7 TeV = 7000 GeV sa priblížil k 100 000 000 000 000. A zo všetkých týchto zrážok len dve minizrážky presiahli hodnotu 3500 GeV – polovicu energie zrážky protónov. Teoreticky sa energia minizrážky môže zvýšiť až na 7000 GeV, ale pravdepodobnosť toho neustále klesá. Minikolízie 6 000 GeV vidíme tak zriedka, že je nepravdepodobné, že by sme videli energiu 7 000 GeV, aj keď nazbierame 100-krát viac údajov.
Aké sú výhody zvýšenia zrážkovej energie zo 7 TeV v rokoch 2010-2011 na 8 TeV v roku 2012? Je zrejmé, že teraz to, čo by ste mohli urobiť na energetickej úrovni E, môžete teraz urobiť na energetickej úrovni 8/7 E ≈ 1,14 E. Ak by sa teda dalo dúfať, že uvidíme znaky určitého typu hypotetickej častice s hmotnosťou 1 000 GeV/c 2, teraz možno dúfať, že dosiahneme aspoň 1 100 GeV/c 2 s rovnakým súborom údajov. Schopnosti stroja sa zvyšujú - môžete hľadať častice o niečo väčšej hmotnosti. A ak v roku 2012 nazbierate trikrát toľko údajov ako v roku 2011, získate viac zrážok pre každú energetickú hladinu a môžete vidieť znaky hypotetickej častice s hmotnosťou povedzme 1200 GeV/c 2 .
To však nie je všetko. Pozrite sa na modré a zelené čiary na obr. 4: ukazujú, čo sa deje pri energiách rádovo 1400 a 1600 GeV - tých, ktoré sa navzájom týkajú ako 7 až 8. Na úrovni energie zrážky protónov 7 TeV je počet minizrážok kvarkov s kvarkami, kvarky s. gluóny atď. P. s energiou 1400 GeV je viac ako dvojnásobný počet zrážok s energiou 1600 GeV. Ale keď stroj zvýši energiu o 8/7, to, čo fungovalo pre 1400, začne robiť pre 1600. Inými slovami, ak vás zaujímajú mini kolízie s pevnou energiou, je ich viac – a oveľa viac ako napr. 14% zvýšenie energie zrážky protónov! To znamená, že pre akýkoľvek proces s preferovanou energiou, povedzme, výskytom ľahkých Higgsových častíc, ktorý sa vyskytuje pri energiách rádovo 100-200 GeV, získate za rovnaké peniaze väčší výkon. Rast zo 7 na 8 TeV znamená, že získate viac Higgsových častíc pri rovnakom počte zrážok protónov. Produkcia Higgsových častíc sa zvýši asi o 1,5. Počet up kvarkov a určitých typov hypotetických častíc sa ešte o niečo zvýši.
To znamená, že hoci v roku 2012 sa počet zrážok protónov zvýšil 3-krát v porovnaní s rokom 2011, celkový počet vyrobených Higgsových častíc sa zvýši takmer 4-krát len kvôli zvýšeniu energie.
Mimochodom, Obr. 4 tiež dokazuje, že protóny nie sú jednoducho zložené z dvoch up kvarkov a jedného down kvarku, ako je znázornené na nákresoch ako obr. 3. Ak by boli, potom by kvarky museli niesť asi tretinu energie protónov a väčšina minizrážok by sa odohrala s energiami rádovo tretiny energie zrážky protónov: v oblasti 2300 GeV. Ale graf ukazuje, že v oblasti 2300 GeV sa nič zvláštne nedeje. Pri energiách pod 2300 GeV je oveľa viac zrážok a čím nižšie idete, tým viac zrážok vidíte. Protón totiž obsahuje obrovské množstvo gluónov, kvarkov a antikvarkov, z ktorých každý nesie malú časť energie protónu, no je ich toľko, že sa podieľajú na obrovskom množstve minizrážok. Táto vlastnosť protónu je znázornená na obr. 2 - aj keď v skutočnosti je počet nízkoenergetických gluónov a párov kvark-antikvark oveľa väčší, ako je znázornené na obrázku.
Čo však graf neukazuje, je podiel, ktorý pri minizrážkach určitej energie je spôsobený zrážkami kvarkov s kvarkami, kvarkov s gluónmi, gluónov s gluónmi, kvarkov s antikvarkami atď. V skutočnosti sa to nedá povedať priamo z experimentov na LHC - výtrysky z kvarkov, antikvarkov a gluónov vyzerajú rovnako. Ako poznáme tieto zlomky, je zložitý príbeh, ktorý zahŕňa mnoho rôznych minulých experimentov a teóriu, ktorá ich kombinuje. A odtiaľto vieme, že minizrážky s najvyššou energiou sa zvyčajne vyskytujú medzi kvarkami a kvarkami a medzi kvarkami a gluónmi. Medzi gluónmi zvyčajne dochádza ku kolíziám pri nízkych energiách. Zrážky medzi kvarkami a antikvarkami sú pomerne zriedkavé, ale sú veľmi dôležité pre určité fyzikálne procesy.
Dva grafy, ktoré sa líšia vertikálnou mierkou, ukazujú relatívnu pravdepodobnosť zrážky s gluónom, up alebo down kvarkom alebo antikvarkom, ktorý nesie zlomok energie protónu rovný x. Na malom x dominujú gluóny (a kvarky a antikvarky sa stávajú rovnako pravdepodobnými a početnými, hoci ich je stále menej ako gluónov) a na strednom x dominujú kvarky (hoci ich je extrémne málo).
Oba grafy zobrazujú to isté, len v rôznych mierkach, takže to, čo je ťažko vidieť na jednom z nich, je ľahšie vidieť na druhom. A ukazujú toto: ak na vás letí protónový lúč na Veľký hadrónový urýchľovač a vy zasiahnete niečo vo vnútri protónu, aká je pravdepodobnosť, že zasiahnete up kvark, down kvark, alebo gluón, alebo up. antikvark, alebo antikvark down nesúci zlomok energie protónu rovnajúci sa x? Z týchto grafov možno usúdiť, že:
Keďže všetky krivky rastú veľmi rýchlo pri malom x (znázornenom v dolnom grafe), z toho vyplýva, že väčšina častíc v protóne nesie menej ako 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.
Pretože žltá krivka (spodná časť) je oveľa vyššia ako zvyšok, z toho vyplýva, že ak sa stretnete s niečím, čo nesie menej ako 10% energie protónu, potom je to s najväčšou pravdepodobnosťou gluón; a pokles pod 2 % energie protónov, je rovnako pravdepodobné, že pôjde o kvarky alebo antikvarky.
Pretože gluónová krivka (vyššie) klesá pod kvarkovou krivkou, keď sa x zvyšuje, z toho vyplýva, že ak narazíte na niečo, čo nesie viac ako 20 % (x > 0,2) protónovej energie – čo je veľmi, veľmi zriedkavé – je to s najväčšou pravdepodobnosťou kvark, s dvojnásobnou šancou byť up kvarkom ako down kvarkom. Toto sú pozostatky myšlienky, že „protón sú dva up kvarky a jeden down“.
Všetky krivky prudko klesajú, keď sa x zvyšuje; je veľmi nepravdepodobné, že sa stretnete s niečím, čo nesie viac ako 50% energie protónov.
Tieto pozorovania sa nepriamo odrážajú v grafe na obr. 4. Tu je niekoľko vecí, ktoré nie sú zrejmé o týchto dvoch grafoch:
Väčšina energie protónov je rozdelená (približne rovnomerne) medzi malý počet vysokoenergetických kvarkov a obrovský počet nízkoenergetických gluónov.
Medzi časticami čo do počtu prevládajú nízkoenergetické gluóny, nasledujú kvarky a antikvarky s veľmi nízkou energiou.
Počet kvarkov a antikvarkov je obrovský, ale: celkový počet up kvarkov mínus celkový počet up antikvarkov sú dva a celkový počet down kvarkov mínus Celkom nižšie antikvarky, rovné jednej. Ako sme videli vyššie, extra kvarky nesú značnú (ale nie hlavnú) časť energie protónu letiaceho na vás. A len v tomto zmysle môžeme povedať, že protón sa v podstate skladá z dvoch up kvarkov a jedného down kvarku.
Mimochodom, všetky tieto informácie boli získané zo vzrušujúcej kombinácie experimentov (hlavne o rozptyle elektrónov alebo neutrín od protónov resp. atómové jadráťažký vodík - deutérium, obsahujúci jeden protón a jeden neutrón) zostavené pomocou podrobných rovníc popisujúcich elektromagnetické, silné jadrové a slabé jadrové sily. Táto dlhá história sa tiahne od konca 60. a začiatku 70. rokov 20. storočia. A funguje skvele na predpovedanie javov pozorovaných v zrážačoch, kde sa protóny zrážajú s protónmi a protóny sa zrážajú s antiprotónmi, ako sú Tevatron a LHC.
Graf na obr. 4 je získaný z pozorovaní zrážok, počas ktorých niečo také ako na obr. 6: Kvark alebo antikvark alebo gluón jedného protónu sa zrazí s kvarkom alebo antikvarkom alebo gluónom iného protónu, rozptýli sa z neho (alebo sa stane niečo zložitejšie - napríklad dva gluóny sa zrazia a premenia sa na kvark a antikvark), v dôsledku čoho dve častice (kvarky, antikvarky alebo gluóny) odletia z miesta zrážky. Tieto dve častice sa menia na výtrysky (hadrónové výtrysky). Energia a smer prúdov sa pozorujú v detektoroch častíc obklopujúcich bod dopadu. Táto informácia sa používa na pochopenie toho, koľko energie bolo obsiahnuté v zrážke dvoch pôvodných kvarkov/gluónov/antikvarkov. Presnejšie povedané, invariantná hmotnosť dvoch jetov vynásobená c 2 dáva energiu zrážky dvoch primordiálnych kvarkov/gluónov/antikvarkov.
Počet zrážok tohto typu v závislosti od energie je uvedený na obr. 4. To, že pri nízkych energiách je počet zrážok oveľa väčší, potvrdzuje fakt, že väčšina častíc vo vnútri protónu nesie len malý zlomok jeho energie. Údaje začínajú pri energiách 750 GeV.
Údaje pre obr. 7 sú prevzaté z experimentu CMS z roku 2010, na ktorom zakresľovali zrážky mäsa až do energií 220 GeV. Tu nejde o počet kolízií, ale o niečo komplikovanejšie: počet kolízií na GeV, to znamená, že počet kolízií sa vydelí šírkou stĺpca histogramu. Je vidieť, že rovnaký efekt naďalej pôsobí na celý rozsah údajov. Zrážky podobné tým, ktoré sú znázornené na obr. 6 sa pri nízkych energiách deje oveľa viac ako pri vysokých energiách. A toto číslo stále rastie, až kým nebude možné rozlíšiť medzi tryskami. Protón obsahuje veľa nízkoenergetických častíc a len málo z nich nesie hmatateľný zlomok jeho energie.
A čo prítomnosť antikvarkov v protóne? Tri z najzaujímavejších procesov, na rozdiel od kolízie znázornenej na obr. 6, ktoré sa niekedy vyskytujú na LHC (v jednej z niekoľkých miliónov protón-protónových zrážok), zahŕňajú proces:
Quark + antikvark -> W + , W - alebo Z-častica.
Sú znázornené na obr. osem.
Zodpovedajúce údaje z CMS sú uvedené na obr. 9 a 10. Obr. Obrázok 9 ukazuje, že počet zrážok, ktorých výsledkom je elektrón alebo pozitrón (vľavo) a niečo nedetegovateľné (pravdepodobne neutríno alebo antineutrino), alebo mión a antimión (vpravo), je predpovedaný správne. Predpoveď sa robí kombináciou štandardného modelu (rovnice, ktoré predpovedajú správanie známych elementárnych častíc) a štruktúry protónu. Veľké vrcholy v údajoch sú spôsobené výskytom častíc W a Z. Teória je v dokonalom súlade s údajmi.
Viac podrobností je možné vidieť na obr. 10, čo ukazuje, že teória, čo sa týka počtu nielen týchto, ale aj mnohých meraní s nimi spojených – z ktorých väčšina je spojená so zrážkami kvarkov s antikvarkami – dokonale súhlasí s údajmi. Údaje (červené bodky) a teória (modré stĺpce) sa nikdy presne nezhodujú kvôli štatistickým výkyvom, a to z rovnakého dôvodu, že desaťkrát hodenie mincou nemusí nevyhnutne viesť k piatim hlavám a piatim chvostom. Preto sú dátové body umiestnené v rámci "chybového pruhu", vertikálneho červeného pruhu. Veľkosť pásma je taká, že pre 30 % meraní by pásmo chýb malo hraničiť s teóriou a len pre 5 % meraní by malo byť od teórie vzdialené dva pásma. Je vidieť, že všetky dôkazy potvrdzujú, že protón obsahuje veľa antikvarkov. A správne chápeme počet antikvarkov, ktoré nesú určitý zlomok energie protónu.
Ďalej je všetko trochu komplikovanejšie. Dokonca vieme, koľko kvarkov up a down máme v závislosti od energie, ktorú nesú, pretože správne predpovedáme – s chybou menšou ako 10 % – o koľko viac častíc W + sa vyrobí ako častíc W - (obr. 11).
Pomer up antikvarkov k down antikvarkom by mal byť blízko 1, ale malo by tam byť viac up kvarkov ako down kvarkov, najmä pri vysokých energiách. Na obr. 6 je vidieť, že pomer výsledných častíc W + a W - by nám mal približne udávať pomer up kvarkov a down kvarkov podieľajúcich sa na produkcii častíc W. Ale na obr. Obrázok 11 ukazuje, že nameraný pomer častíc W + k W - je 3 ku 2, nie 2 ku 1. To tiež ukazuje, že naivná predstava o protóne, ktorý pozostáva z dvoch up kvarkov a jedného down kvarku, je príliš zjednodušená. Zjednodušený pomer 2 ku 1 je nejasný, pretože protón obsahuje veľa párov kvark-antikvark, z ktorých horný a dolný kvark sa získavajú približne rovnako. Stupeň rozmazania je určený hmotnosťou častíc W 80 GeV. Ak to urobíte ľahším, bude tam viac rozmazania, a ak to urobíte ťažším, menej rozmazania, pretože väčšina párov kvark-antikvark v protóne nesie málo energie.
Nakoniec si potvrďte fakt, že väčšina častíc v protóne sú gluóny.
Využijeme k tomu fakt, že up kvarky môžu byť vytvorené dvoma spôsobmi: kvark + antikvark -> up kvark + up antikvark, alebo gluón + gluón -> up kvark + up antikvark (obr. 12). Poznáme počet kvarkov a antikvarkov ako funkciu energie, ktorú nesú, na základe meraní znázornených na obr. 9-11. Na základe toho je možné použiť rovnice štandardného modelu na predpovedanie, koľko up kvarkov bude výsledkom kolízií iba kvarkov a antikvarkov. Na základe predchádzajúcich údajov sa tiež domnievame, že v protóne je viac gluónov, takže proces gluón + gluón -> up kvark + up antikvark by sa mal vyskytovať aspoň 5 krát častejšie. Je ľahké skontrolovať, či tam sú gluóny; ak nie, údaje musia ležať hlboko pod teoretickými predpoveďami.
gluóny Pridať značky
