Неделимая элементарная частица, три связанных кварка, сложный набор из разнообразных кварков и глюонов — по мере развития науки модель протона постоянно модифицировалась. Как со времен Эрнеста Резерфорда изменились представления о положительно заряженной частице в составе атомного ядра?

Название «атом» происходит от древнегреческого слова «ἄτομος», которое переводится как «неделимый». На протяжении веков считалось, что это самая маленькая частица вещества. Но в конце XIX и начале XX века физики опровергли эту гипотезу: были открыты субатомные частицы.

Протон — одна из трех таких стабильных субатомных частиц (две других — электроны и нейтроны), являющихся строительными блоками атомами. Это название (от древнегреческого «πρῶτος» — первый) предложил Эрнест Резерфорд в 1920 году. В серии экспериментов британский физик показал, что «ядро водорода» (самого легкого химического элемента) может быть извлечено из азота в результате столкновения с альфа-частицей (ядром атома гелия).

Эрнест Резерфорд 1-й барон Резерфорд Нельсонский

Спустя более века после того, как Резерфорд открыл положительно заряженные частицу в основе каждого атома, физики все еще пытаются понять, что представляет собой протон. Школьные учителя обычно описывают их как безликие шарики с одной единицей положительного электрического заряда. На более сложном уровне эти частицы представляют как пучок из трех связанных между собой кварков: двух верхних и одного нижнего.

Но даже эта модель — сильное упрощение. Десятилетия исследований открыли и продолжают изучать более глубокую картину, которая слишком причудлива, чтобы ее можно было полностью передать словами или изображениями.

Художественная иллюстрация изменения представлений о составе протона: 1980-ые - 2030-ые гг.

Как разбить протон на части и изучить его состав

Доказательство того, что протон содержит множество частиц, было впервые получено в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Стэнфорде в конце 60-х годов прошлого века. В предыдущих экспериментах исследователи бомбардировали их электронами и наблюдали, как они рикошетят, как бильярдные шары.

Протонный микроскоп. Детектор SLAC 1968г.

В ускорителе частиц SLAC физикам впервые удалось разогнать электроны достаточно сильно, чтобы изменить результаты наблюдений. Электроны в процессе глубоко неупругого рассеяния ударялись о протон достаточно сильно, чтобы разбить его и отскакивали от точечных осколков протона, называемых кварками.

Авторы этого открытия, которое стало первым доказательством существования кварков, получили в 1990 году Нобелевскую премию по физике. А ученые по всему миру с тех пор провели сотни экспериментов по рассеиванию. Они делают выводы о различных аспектах внутренней части объекта, регулируя силу бомбардировки и выбирая, какие рассеянные частицы они изучают в результате эксперимента.

Используя электроны с высокой энергией, физики могут обнаружить более тонкие детали протона. Таким образом, энергия электрона устанавливает максимальную разрешающую способность эксперимента по глубоко неупругому рассеянию. Чем мощнее коллайдеры, тем более полную картину они дают о составе протона.

Коллайдеры с более высокой энергией также производят более широкий спектр результатов столкновений, позволяя исследователям выбирать различные подмножества для анализа. Эта гибкость оказалась ключом к пониманию кварков, которые перемещаются внутри протона с разной величиной импульса.

Измеряя энергию и траекторию каждого рассеянного электрона, исследователи могут сказать, от какого кварка он отскочил. Статистический анализ множества повторяющихся экспериментов подобно переписи населения «рассказывает» исследователям, как распределен импульс протона или из каких кварков он состоит.

Больше, чем только три кварка

Первые эксперименты на коллайдере SLAC подтвердили разработанную ранее Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом теорию о составе протона из трех кварков. Электроны после столкновения разлетались таким образом, как будто они врезались в три отдельные частицы, каждая из которых несет треть импульса протона.

Кварковая модель Гелл-Манна и Цвейга описывает протон, как частицу, состоящую их двух «верхних» кварков с электрическим зарядом +2/3 каждый и одного «нижнего» кварка с зарядом -1/3, что дает общий заряд протона +1.

Но кварковая модель — это чрезмерное упрощение, имеющее серьезные недостатки. Например, она не работает, когда речь идет о вращении (спине)  протона, квантовом свойстве, аналогичном угловому моменту. Спин этой субатомной частицы составляет ½, как и у каждого из его верхних и нижних кварков.

Первоначально физики предположили, что в расчетах, повторяющих простую арифметику заряда, половина единиц двух верхних кварков за вычетом доли нижнего кварка должна равняться половине единицы протона в целом. Но в 1988 году Европейское сотрудничество по мюонам рассчитало, что спины кварков в сумме составляют гораздо меньше половины.

Точно так же исследования показали, что массы двух верхних кварков и одного нижнего кварка составляют всего около 1% от общей массы протона. Это означало, что внутри него должно скрываться что-то еще — другие элементарные частицы, которые объяснят свойства этой субатомной частицы.

Упрощенная модель структуры протона.

Множество кварков и антикварков в одной частице

Ускоритель частиц HERA в Немецком исследовательском центре DESY в Гамбурге с 1992 по 2007 год изучал столкновения электронов и протонов с силой, примерно в тысячу раз превышавшей ту, которой удалось достигнуть на SLAC. Хотя эксперимент был завершен более 10 лет назад, физики продолжают анализировать собранные данные.

В экспериментах HERA физики смогли изучить электроны, отскочившие от кварков с чрезвычайно низким импульсом, включая те, которые несут всего 0,005% от общего импульса протона. Результаты наблюдения подтвердили, что состав протона гораздо сложнее кварковой модели Гелл-Манна и Цвейга: электроны отскакивали от «водоворота» низкоимпульсных кварков и их аналогов из антиматерии, антикварков.

Сложная структура из множества кварков и антикварков.

Результаты подтвердили сложную и диковинную теорию квантовой хромодинамики. Это квантовая теория сильного взаимодействия, которое связывает кварки. Эта модель наделяет кварки новым свойством, условно называемым «цветом», и вводит новые частицы, глюоны, которые переносят сильное взаимодействие между кварками.

Каждый кварк и каждый глюон имеют один из трех типов «цветовых» зарядов, обозначенных красным, зеленым и синим. Эти заряженные цветом частицы естественным образом притягиваются друг к другу и образуют группу — например, протон, — чьи цвета в сумме дают нейтральный белый цвет.

Согласно теории квантовой хромодинамики, глюоны могут улавливать мгновенные всплески энергии. Обладая этой энергией, эти частицы распадаются на кварк и антикварк, каждый из которых несет лишь небольшой импульс, прежде чем пара аннигилирует и исчезнет. Именно это «море» переходных глюонов, кварков и антикварков было открыто чувствительными детекторами HERA.

Визуализация протона

Очаровательный новый вид

Высокоэнергетические экстремальные столкновения показывают огромное разнообразие кварков, аникварков и глюонов, на которые распадаются протоны. Столкновения с меньшей энергией показывают только три валентных кварка, определяющих квантовое число элементарной частицы. Но новое исследование показывает, что иногда протон действует как структура, состоящая из пяти кварков.

Группа исследователей под руководством Хуана Рохо из Национального института субатомной физики в Нидерландах и Амстердамского университета VU проанализировала более 5 тыс. снимков протонов, сделанных за последние 50 лет, используя машинное обучение для определения движения кварков и глюонов внутри протона.

Новая проверка обнаружила размытие фона на изображениях, которые ускользнули от предыдущих исследователей. В относительно мягких столкновениях, едва разрывавших протон, большая часть импульса заключалась в обычных трех кварках: двух верхних и одном нижнем. Но небольшое количество импульса, как показали исследования, исходило от «очаровательного» кварка и очарованного антикварка. Это крупные элементарные частицы, каждая из которых тяжелее всего протона более чем на одну треть.

Исследование показало: хотя при высокоэнергетических столкновениях глюоны могут разделиться на любой из шести различных типов кварков, если у них достаточно энергии, очарованные кварк и антикварк формируются гораздо чаще, что делает их заметными даже в относительно мягких столкновениях.

В этих столкновениях протон появляется как квантовая смесь или суперпозиция нескольких состояний: электрон обычно сталкивается с тремя легкими кварками. Но время от времени он будет встречать более редкую «молекулу» из пяти кварков, таких как верхний, нижний и очарованный кварк, сгруппированные с одной стороны, и верхний кварк и очарованный антикварк с другой.

Эти результаты имеют не только теоретическое значение. Например, достаточное количество энергии может образовываться при столкновении протонов космического излучения с элементарными частицами в составе атомов земной атмосферы. В процессе таких столкновений протоны могут распадаться на очарованные кварки и «проливаться» на Землю в виде высокоэнергетических нейтрино. Это может сбить с толку наблюдателей, которые используют эти частицы для изучения далекой Вселенной.

Спустя сто лет после открытия протонов физики продолжают изучать внутреннюю структуру этих элементарных частиц. Эксперименты следующего поколения будут искать еще больше неизвестных особенностей. Например, физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в США планируют запустить электронно-ионный коллайдер в 2030-х годах и продолжить с того места, где остановилась HERA. Они будут делать снимки с более высоким разрешением, которые позволят провести первые трехмерные реконструкции протона.

Это должно помочь исследователям окончательно определить происхождение вращения протона и ответить на другие фундаментальные вопросы о непонятной частице, которая составляет большую часть окружающей обычной (барионной) материи.

Еще немного про глюоны:

Масса глюонов в массе атома углерода: 1,99 × 10 в -26 степени килограмма (0,00000000000000000000000000199 кг)

Масса глюонов в массе человека: ~62 килограмма

Масса глюонов в массе Земли: 5,972 × 10 в 24 степени килограммов (5,972,000,000,000,000,000,000,000 кг)

Масса глюонов в массе Солнца: 1,989 × 10 в 30 степени килограммов

Масса глюонов в массе галактики Млечный Путь: в 1,5 триллиона раз больше массы нашего Солнца

Масса глюонов в массе видимой Вселенной: 10 в 53 степени килограммов

P.S.: Спасибо всем кто читает, подписывается, ставит "+" и поддерживает рублем (https://pay.cloudtips.ru/p/9c59405f). Всем хорошего настроения и удачного дня! Ещё увидимся.

P.P.S.: Данный пост появился благодаря комментарию @4OT4, и да - я копипастер, но подписчиков своих уважаю и всегда стараюсь ответить вам, в силу способностей и свободного времени. Да, наверное, я не ответил целиком на вопрос из комментария, но я хотя бы попытался)

Источник 1

Источник 2

По всем основным параметрам это похоже на звезду, вот только радиус этой звезды — от силы километров десять.

Итак, в направлении созвездия Скорпиона на расстоянии порядка 8150 световых лет от нас астрономы наблюдают объект, записанный как HESS J1731–347. Его внешний облик даёт понять, что в общем и целом это выглядит как результат взрыва сверхновой звезды. Напомним, взрыв сверхновой — это на самом деле вспышка "старой", то есть завершение основного жизненного цикла какой-то довольно массивной звезды в несколько раз тяжелее нашего Солнца. В её ядре (а именно оно и является тем самым термоядерным реактором в любой звезде) уже "перегорел" весь водород, и больше ничто не удерживает это ядро от коллапса, сжатия под действием собственной гравитации. От этого сжатия внешняя оболочка звезды невероятно нагревается, расширяется и в конце концов просто сбрасывается в окружающий космос. В итоге остаётся огромное великолепное облако, а в центре — то самое схлопнувшееся ядро.

Наше Солнце столь эффектный финал не ожидает, потому что оно для этого слишком маломассивно, и всё-таки оно примерно через пять миллиардов лет тоже расширится и сбросит оболочку, просто это будет не так торжественно. Но схема, в принципе, одна и та же. И в зависимости от массы звезды "при жизни" — её бывшее ядро становится одним из трёх: если звезда была как Солнце — значит, белым карликом, если тяжелее — нейтронной звездой (пульсаром), ещё массивнее — чёрной дырой. Между этими тремя объектами с точки зрения физики есть очень важная, принципиальная разница. Дело в том, что белый карлик — это всё-таки материя обыкновенная, привычная для нас, она состоит из атомов. А вот нейтронная звезда — это уже не атомы, а их более мелкие составные части, в основном нейтроны. А чёрная дыра — это уже та стадия существования материи, о которой мы пока практически ничего сказать не можем. Для нас с вами эта материя перестаёт существовать в каком-либо понятном виде. Что с ней происходит там, за горизонтом событий, — одна из величайших загадок науки.

"Вящее" проявление этой разницы между ними — их габариты. Белый карлик (который из нормального атомарного вещества) имеет в диаметре примерно четыре тысячи километров (кстати, это чуть больше Луны), а массой может быть немногим больше половины Солнца. Нейтронная звезда — это уже масса в полтора, а то и в два Солнца, сжатая в диаметре не больше километров сорока. Отсюда и понятно, каким образом атомы "разбиваются" на нейтроны и протоны — от давления. А чёрная дыра (звёздной массы) в размерах и того меньше, зато внутри у неё как минимум три Солнца.

Так вот, оказывается, астрофизика уже давно обнаружила, что на самом деле границы между нейтронной звездой и чёрной дырой не совсем чёткие, что существуют некие переходные варианты. И существуют они потому, что нейтроны и протоны — это не самое элементарное на свете. Они состоят из кварков. В каждом протоне и в каждом нейтроне — по три кварка двух разновидностей: так называемые верхние (u-кварки) и нижние (d-кварки). Если два "верхних" плюс один "нижний" — получается протон, а сложим, наоборот, два "нижних" и один "верхний" — будет нейтрон. И учёные подозревают, что в некоторых нейтронных звёздах давление уже такое, что там даже нейтроны не выдерживают — распадаются на кварки. И в центре пульсара, таким образом, получается материя совершенно необыкновенная — кварковая. И тогда это уже кварковая звезда.

Но и это ещё не вся история, потому что кварков известно целых шесть видов. Другой вопрос, что только "верхний" и "нижний" устойчивые, а все остальные могут существовать очень недолго и только при каких-то особенных условиях. И такими особенными условиями являются экстремальное давление и экстремальная температура. Тогда "изначальные" u-кварки и d-кварки меняют свойства и превращаются в другие. И в том числе могут превратиться в такой кварк, который назвали "странным" за то, что он поразительно долго живёт. S-кварк. S — значит strange. И если сердцевина пульсара состоит из этих живучих s-кварков, то такую материю называют "странной" и, соответственно, всю звезду тоже записывают в "странные".

А теперь вернёмся к подозрительному объекту в созвездии Скорпиона. У него масса меньше солнечной (а именно 0,77 Солнца), а диаметр — 20 километров 800 метров. И учёные уверяют, что это не подходит ни под характеристики белого карлика, ни под характеристики нейтронной звезды, и чёрной дырой это, конечно, тоже никак быть не может. А если предположить "странную" или вообще какую-либо кварковую звезду, то по логике она должна быть гораздо массивнее, то есть это должно быть нечто между сгустком нейтронов и уже полной "сингулярностью" — чёрной дырой. А этот объект даже до нейтронной по массе недотягивает: должно быть как минимум 1,17 Солнца.

Поэтому, видимо, единственное, что остаётся предложить в качестве объяснения, — что там внутри всё-таки действительно "странные", как бы видоизменённые кварки, а при том коллапсе, который их довёл до такого состояния, высвободилось столько энергии, что весьма большой "кусок" звезды просто "сдуло", выбросило. То есть по этому сценарию изначально это бывшее звёздное ядро было гораздо массивнее, но массу примерно в треть Солнца оно таким образом растеряло.