Обяснете на петокласник какво представляват протон, електрон и други частици, какво правят и защо са необходими? Протон, раздел „Физик Какво е протон.

Изучавайки структурата на материята, физиците разбраха от какво са изградени атомите, стигнаха до атомното ядро ​​и го разделиха на протони и неутрони. Всички тези стъпки бяха дадени доста лесно - просто трябваше да ускорите частиците до необходимата енергия, да ги натиснете една срещу друга и след това те сами ще се разпаднат на съставните си части.

Но с протоните и неутроните този трик вече не работи. Въпреки че са съставни частици, те не могат да бъдат „разбити на парчета“ дори при най-жестокия сблъсък. Следователно на физиците са били необходими десетилетия, за да измислят различни начини да погледнат вътре в протона, да видят неговата структура и форма. Днес изследването на структурата на протона е една от най-активните области на физиката на елементарните частици.

Природата подсказва

Историята на изучаването на структурата на протоните и неутроните датира от 30-те години на миналия век. Когато в допълнение към протоните бяха открити неутрони (1932 г.), след като измериха тяхната маса, физиците бяха изненадани да установят, че тя е много близка до масата на протона. Освен това се оказа, че протоните и неутроните „усещат“ ядреното взаимодействие по абсолютно същия начин. Толкова идентични, че от гледна точка на ядрените сили протонът и неутронът могат да се разглеждат като две проявления на една и съща частица - нуклон: протонът е електрически зареден нуклон, а неутронът е неутрален нуклон. Разменете протоните с неутрони и ядрените сили (почти) няма да забележат нищо.

Физиците изразяват това свойство на природата като симетрия - ядреното взаимодействие е симетрично по отношение на замяната на протоните с неутрони, така както пеперудата е симетрична по отношение на замяната на ляво с дясно. Тази симетрия, освен че играе важна роля в ядрената физика, всъщност е първият намек, че нуклоните имат интересна вътрешна структура. Вярно е, че през 30-те години физиците не осъзнават този намек.

Разбирането дойде по-късно. Всичко започна с факта, че през 1940-50-те години, в реакциите на сблъсък на протони с ядрата на различни елементи, учените бяха изненадани да открият все повече и повече нови частици. Не протони, не неутрони, не откритите по това време пи-мезони, които държат нуклони в ядрата, а някои напълно нови частици. Въпреки цялото си разнообразие, тези нови частици имаха две общи свойства. Първо, те, подобно на нуклоните, много охотно участваха в ядрени взаимодействия - сега такива частици се наричат ​​адрони. И второ, те бяха изключително нестабилни. Най-нестабилните от тях се разпадат на други частици само за една трилионна от наносекунда, без дори да имат време да летят с размерите на атомно ядро!

Дълго време адронният „зоопарк“ беше пълна бъркотия. В края на 50-те години на миналия век физиците вече бяха научили доста различни видове адрони, започнаха да ги сравняват един с друг и изведнъж видяха известна обща симетрия, дори периодичност, в техните свойства. Предполага се, че във всички адрони (включително нуклони) има някои прости обекти, наречени „кварки“. Чрез комбиниране на кварки по различни начини е възможно да се получат различни адрони и от абсолютно същия тип и със същите свойства, които са открити в експеримента.

Какво прави протон протон?

След като физиците откриха кварковата структура на адроните и научиха, че кварките се предлагат в няколко различни разновидности, стана ясно, че много различни частици могат да бъдат конструирани от кварки. Така че никой не беше изненадан, когато следващите експерименти продължиха да откриват нови адрони един след друг. Но сред всички адрони беше открито цяло семейство частици, състоящо се, точно като протона, само от две u-кварки и един д-кварк. Един вид "брат" на протона. И тук физиците бяха изненадани.

Нека първо направим едно просто наблюдение. Ако имаме няколко обекта, състоящи се от едни и същи „тухли“, тогава по-тежките обекти съдържат повече „тухли“, а по-леките съдържат по-малко. Това е много естествен принцип, който може да се нарече принцип на комбинация или принцип на надстройка, и той работи перфектно както в ежедневието, така и във физиката. Той се проявява дори в структурата на атомните ядра - в крайна сметка по-тежките ядра просто се състоят от по-голям брой протони и неутрони.

На ниво кварки обаче този принцип изобщо не работи и, разбира се, физиците все още не са разбрали напълно защо. Оказва се, че тежките братя на протона също се състоят от същите кварки като протона, въпреки че са един и половина или дори два пъти по-тежки от протона. Те се различават от протона (и се различават един от друг) не състав,и взаимно местоположениекварки, от състоянието, в което тези кварки се намират един спрямо друг. Достатъчно е да променим относителното положение на кварките - и от протона ще получим друга, значително по-тежка частица.

Какво ще стане, ако все пак вземете и съберете повече от три кварка заедно? Ще има ли нова тежка частица? Изненадващо, това няма да работи - кварките ще се разпаднат на три и ще се превърнат в няколко разпръснати частици. По някаква причина природата „не обича“ да комбинира много кварки в едно цяло! Съвсем наскоро, буквално през последните години, започнаха да се появяват намеци, че някои многокваркови частици наистина съществуват, но това само подчертава колко природата не ги харесва.

От тази комбинаторика следва много важно и дълбоко заключение - масата на адроните изобщо не се състои от масата на кварките. Но ако масата на адрон може да бъде увеличена или намалена чрез просто рекомбиниране на неговите съставни тухли, тогава не самите кварки са отговорни за масата на адроните. И наистина, в следващите експерименти беше възможно да се установи, че масата на самите кварки е само около два процента от масата на протона, а останалата част от гравитацията възниква поради силовото поле (специални частици - глуони), които свързват кварките заедно. Променяйки относителното положение на кварките, например, отдалечавайки ги един от друг, ние променяме глуонния облак, правейки го по-масивен, поради което масата на адрона се увеличава (фиг. 1).

Какво се случва вътре в бързо движещ се протон?

Всичко описано по-горе се отнася до стационарен протон; на езика на физиците това е структурата на протона в неговата рамка на покой. В експеримента обаче структурата на протона е открита за първи път при други условия - вътре бързо летенепротон.

В края на 60-те години на миналия век при експерименти върху сблъсъци на частици в ускорители беше забелязано, че протоните, пътуващи със скорост, близка до светлинната, се държат така, сякаш енергията вътре в тях не е разпределена равномерно, а е концентрирана в отделни компактни обекти. Известният физик Ричард Файнман предложи да наречем тези бучки материя вътре в протони партони(от английски част -част).

Последвалите експерименти изследват много от свойствата на партоните - например техния електрически заряд, техния брой и частта от протонната енергия, която всеки носи. Оказва се, че заредените партони са кварки, а неутралните партони са глуони. Да, същите тези глуони, които в рамката на покой на протона просто „обслужваха“ кварките, привличайки ги един към друг, сега са независими партони и заедно с кварките носят „материята“ и енергията на бързо движещ се протон. Експериментите показват, че приблизително половината от енергията се съхранява в кварки, а половината в глуони.

Партоните се изследват най-удобно при сблъсъци на протони с електрони. Факт е, че за разлика от протона, електронът не участва в силни ядрени взаимодействия и неговият сблъсък с протон изглежда много прост: електронът излъчва виртуален фотон за много кратко време, който се блъска в зареден партон и в крайна сметка генерира голям брой частици (фиг. 2). Можем да кажем, че електронът е отличен скалпел за "отваряне" на протона и разделянето му на отделни части - но само за много кратко време. Знаейки колко често се случват такива процеси в ускорителя, можете да измерите броя на партоните в протона и техните заряди.

Кои всъщност са Партоновите?

И тук стигаме до друго удивително откритие, което физиците са направили, докато са изучавали сблъсъци на елементарни частици при високи енергии.

При нормални условия въпросът от какво се състои този или онзи обект има универсален отговор за всички референтни системи. Например една водна молекула се състои от два водородни атома и един кислороден атом – и няма значение дали гледаме неподвижна или движеща се молекула. Това правило обаче изглежда толкова естествено! - се нарушава, ако говорим за елементарни частици, движещи се със скорости, близки до скоростта на светлината. В една отправна система сложната частица може да се състои от един набор от подчастици, а в друга отправна система от друг. Оказва се, че композицията е относително понятие!

Как е възможно това? Ключът тук е едно важно свойство: броят на частиците в нашия свят не е фиксиран – частиците могат да се раждат и да изчезват. Например, ако натиснете заедно два електрона с достатъчно висока енергия, тогава в допълнение към тези два електрона може да се роди или фотон, или двойка електрон-позитрон, или някакви други частици. Всичко това е позволено от квантовите закони и точно това се случва в реалните експерименти.

Но този „закон за незапазване“ на частиците работи в случай на сблъсъцичастици. Как се случва един и същ протон от различни гледни точки да изглежда като съставен от различен набор от частици? Въпросът е, че протонът не е просто три кварка, събрани заедно. Между кварките има глуонно силово поле. Като цяло, силово поле (като гравитационно или електрическо поле) е вид материално „същество“, което прониква в пространството и позволява на частиците да упражняват силно влияние една върху друга. В квантовата теория полето също се състои от частици, макар и специални - виртуални. Броят на тези частици не е фиксиран; те непрекъснато се „отделят“ от кварките и се абсорбират от други кварки.

ПочивайкиЕдин протон наистина може да се разглежда като три кварка с глуони, прескачащи между тях. Но ако погледнем същия протон от друга референтна система, сякаш от прозореца на преминаващ „релативистичен влак“, ще видим съвсем различна картина. Тези виртуални глуони, които са слепили кварките заедно, ще изглеждат по-малко виртуални, „по-истински“ частици. Те, разбира се, все още се раждат и поглъщат от кварките, но в същото време живеят сами за известно време, летейки до кварките, като истински частици. Това, което изглежда като обикновено силово поле в една отправна система, се превръща в поток от частици в друга система! Обърнете внимание, че не докосваме самия протон, а само го разглеждаме от различна референтна система.

Освен това. Колкото по-близо е скоростта на нашия „релативистичен влак“ до скоростта на светлината, толкова по-невероятна е картината, която ще видим вътре в протона. С приближаването на скоростта на светлината ще забележим, че има все повече и повече глуони вътре в протона. Освен това понякога те се разделят на двойки кварк-антикварк, които също летят наблизо и също се считат за партони. В резултат на това ултрарелативистки протон, т.е. протон, движещ се спрямо нас със скорост, много близка до скоростта на светлината, се появява под формата на взаимопроникващи облаци от кварки, антикварки и глуони, които летят заедно и сякаш се поддържат един друг (фиг. 3).

Читател, запознат с теорията на относителността, може да бъде загрижен. Цялата физика се основава на принципа, че всеки процес протича по един и същи начин във всички инерционни отправни системи. Но се оказва, че съставът на протона зависи от референтната система, от която го наблюдаваме?!

Да, точно така, но това по никакъв начин не нарушава принципа на относителността. Резултатите от физическите процеси - например кои частици и колко се произвеждат в резултат на сблъсък - наистина се оказват инвариантни, въпреки че съставът на протона зависи от референтната система.

Тази ситуация, необичайна на пръв поглед, но отговаряща на всички закони на физиката, е схематично илюстрирана на фигура 4. Тя показва как изглежда сблъсъкът на два протона с висока енергия в различни отправни системи: в системата на покой на един протон, в рамката на центъра на масата, в рамката на покой на друг протон. Взаимодействието между протоните се осъществява чрез каскада от разделящи се глуони, но само в един случай тази каскада се счита за „вътрешността“ на един протон, в друг случай се счита за част от друг протон, а в третия е просто някакъв обект, който се обменя между два протона. Тази каскада съществува, тя е реална, но към коя част от процеса трябва да се припише зависи от референтната рамка.

3D портрет на протон

Всички резултати, за които току-що говорихме, се основават на експерименти, проведени доста отдавна - през 60-70-те години на миналия век. Изглежда, че оттогава всичко трябва да е проучено и всички въпроси трябва да са намерили своите отговори. Но не - структурата на протона все още остава една от най-интересните теми във физиката на елементарните частици. Освен това интересът към него отново се увеличи през последните години, тъй като физиците измислиха как да получат „триизмерен“ портрет на бързо движещ се протон, което се оказа много по-трудно от портрет на неподвижен протон.

Класическите експерименти върху сблъсъци на протони разказват само за броя на партоните и тяхното енергийно разпределение. В такива експерименти партоните участват като независими обекти, което означава, че от тях е невъзможно да се разбере как партоните са разположени един спрямо друг или как точно се събират в протон. Можем да кажем, че дълго време на физиците беше достъпен само „едноизмерен“ портрет на бързо движещ се протон.

За да се изгради реален, триизмерен портрет на протон и да се установи разпределението на партоните в пространството, са необходими много по-фини експерименти от тези, които бяха възможни преди 40 години. Физиците се научиха да провеждат такива експерименти съвсем наскоро, буквално през последното десетилетие. Те разбраха, че сред огромния брой различни реакции, които възникват, когато електрон се сблъска с протон, има една специална реакция - дълбоко виртуално комптоново разсейване, - което може да ни каже за триизмерната структура на протона.

Най-общо Комптъновото разсейване или ефектът на Комптън е еластичен сблъсък на фотон с частица, например протон. Изглежда така: пристига фотон, поглъща се от протон, който преминава във възбудено състояние за кратко време и след това се връща в първоначалното си състояние, излъчвайки фотон в някаква посока.

Комптъновото разсейване на обикновените светлинни фотони не води до нищо интересно - то е просто отражение на светлината от протон. За да „влезе в действие“ вътрешната структура на протона и да се „почувства“ разпределението на кварките, е необходимо да се използват фотони с много висока енергия – милиарди пъти повече, отколкото при обикновена светлина. И точно такива фотони – макар и виртуални – лесно се генерират от падащ електрон. Ако сега комбинираме едното с другото, получаваме дълбоко виртуално Комптъново разсейване (фиг. 5).

Основната характеристика на тази реакция е, че тя не разрушава протона. Инцидентният фотон не просто удря протона, но, така да се каже, внимателно го усеща и след това отлита. Посоката, в която той отлита и каква част от енергията му отнема протонът, зависи от структурата на протона, от относителното разположение на партоните вътре в него. Ето защо, изучавайки този процес, е възможно да се възстанови триизмерният вид на протона, сякаш да се „извае неговата скулптура“.

Вярно е, че това е много трудно за един физик експериментатор. Необходимият процес се случва доста рядко и е трудно да се регистрира. Първите експериментални данни за тази реакция са получени едва през 2001 г. в ускорителя HERA в немския ускорителен комплекс DESY в Хамбург; нова поредица от данни сега се обработва от експериментатори. Но вече днес, въз основа на първите данни, теоретиците чертаят триизмерни разпределения на кварките и глуоните в протона. Физическа величина, за която физиците преди това са правили само предположения, най-накрая започна да „изплува“ от експеримента.

Очакват ли ни неочаквани открития в тази област? Вероятно е да. За илюстрация, да кажем, че през ноември 2008 г. се появи интересна теоретична статия, която твърди, че бързо движещият се протон не трябва да изглежда като плосък диск, а като двойновдлъбната леща. Това се случва, защото партоните, разположени в централната област на протона, се компресират по-силно в надлъжна посока, отколкото партоните, разположени по краищата. Би било много интересно да проверим експериментално тези теоретични прогнози!

Защо всичко това е интересно за физиците?

Защо физиците изобщо трябва да знаят как точно се разпределя материята в протоните и неутроните?

Първо, това се налага от самата логика на развитие на физиката. В света има много удивително сложни системи, с които съвременната теоретична физика все още не може да се справи напълно. Адроните са една такава система. Разбирайки структурата на адроните, ние усъвършенстваме способностите на теоретичната физика, която може да се окаже универсална и може би ще помогне в нещо съвсем различно, например при изучаването на свръхпроводници или други материали с необичайни свойства.

Второ, има пряка полза за ядрената физика. Въпреки почти вековната история на изучаване на атомните ядра, теоретиците все още не знаят точния закон на взаимодействие между протони и неутрони.

Те трябва отчасти да отгатнат този закон въз основа на експериментални данни и отчасти да го конструират въз основа на знания за структурата на нуклоните. Тук ще помогнат нови данни за триизмерната структура на нуклоните.

Трето, преди няколко години физиците успяха да получат не по-малко от ново агрегатно състояние на материята - кварк-глюонна плазма. В това състояние кварките не седят вътре в отделни протони и неутрони, а се разхождат свободно в цялата бучка ядрена материя. Това може да се постигне например по следния начин: тежките ядра се ускоряват в ускорител до скорост, много близка до скоростта на светлината, и след това се сблъскват челно. При този сблъсък за много кратко време възникват температури от трилиони градуси, което стопява ядрата в кварк-глуонна плазма. И така, оказва се, че теоретичните изчисления на това ядрено топене изискват добро познаване на триизмерната структура на нуклоните.

И накрая, тези данни са много необходими за астрофизиката. Когато тежките звезди експлодират в края на живота си, те често оставят след себе си изключително компактни обекти - неутронни и вероятно кваркови звезди. Ядрото на тези звезди се състои изцяло от неутрони и може би дори от студена кварк-глуонна плазма. Такива звезди отдавна са открити, но може само да се гадае какво се случва вътре в тях. Така че доброто разбиране на разпределенията на кварките може да доведе до напредък в астрофизиката.

• Превод

Ориз. 1: водороден атом. Не в мащаб.

Знаете, че Големият адронен колайдер основно разбива протоните един в друг. Но какво е протон?

Първо, това е ужасна и пълна бъркотия. Толкова грозен и хаотичен, колкото водородният атом е прост и елегантен.

Но какво тогава е водороден атом?

Това е най-простият пример за това, което физиците наричат ​​„свързано състояние“. „Състояние“ по същество означава нещо, което съществува от доста време, а „свързано“ означава, че неговите компоненти са свързани един с друг, като съпрузи в брак. Всъщност тук много пасва примерът за семейна двойка, в която единият съпруг е много по-тежък от другия. Протонът седи в центъра, едва се движи, а по краищата на обекта има движещ се електрон, който се движи по-бързо от вас и мен, но много по-бавно от скоростта на светлината, универсалното ограничение на скоростта. Спокоен образ на брачна идилия.

Или изглежда така, докато не разгледаме самия протон. Вътрешността на самия протон е по-скоро като комуна, където много самотни възрастни и деца са плътно струпани: чист хаос. Това също е свързано състояние, но не свързва нещо просто, като протон с електрон, както при водорода, или поне няколко десетки електрони с атомно ядро, както в по-сложни атоми като златото - а безброй много ( т.е. има твърде много от тях и се променят твърде бързо, за да бъдат практически преброени) леки частици, наречени кварки, антикварки и глуони. Невъзможно е просто да се опише структурата на протона, да се нарисуват прости картини - тя е изключително неорганизирана. Всички кварки, глуони, антикварки се движат вътре с максималната възможна скорост, почти със скоростта на светлината.

Ориз. 2: Изображение на протон. Представете си, че всички кварки (нагоре, надолу, странно - u,d,s), антикварки (u,d,s с тире) и глуони (g) се движат напред-назад почти със скоростта на светлината, сблъскват се с всеки други, появяват се и изчезват

Може би сте чували, че протонът се състои от три кварка. Но това е лъжа – за по-добро, но все пак доста голяма. Всъщност има безброй глуони, антикварки и кварки в един протон. Стандартното съкращение "един протон е съставен от два кварка нагоре и един кварк надолу" просто казва, че протонът има два повече кварка нагоре отколкото кварки нагоре и един кварк повече нагоре отколкото кварк надолу. За да бъде вярно това намаление, е необходимо да се добави към него „и още безброй глуони и двойки кварк-антикварк“. Без тази фраза идеята за протон ще бъде толкова опростена, че ще бъде напълно невъзможно да се разбере работата на LHC.

Ориз. 3: Малки бели лъжи в стереотипно изображение в Уикипедия

Като цяло атомите в сравнение с протоните са като па дьо дьо в сложен балет в сравнение с дискотека, пълна с пияни тийнейджъри, които подскачат нагоре-надолу и махат на диджея.

Ето защо, ако сте теоретик, който се опитва да разбере какво ще види LHC при сблъсъци на протони, ще ви е трудно. Много е трудно да се предвидят резултатите от сблъсъци между обекти, които не могат да бъдат описани по прост начин. Но за щастие, от 70-те години на миналия век, въз основа на идеите на Бьоркен от 60-те години, теоретичните физици са открили относително проста и работеща технология. Но все още работи до определени граници, с точност от около 10%. Поради тази и някои други причини, надеждността на нашите изчисления в LHC винаги е ограничена.

Друго нещо за протона е, че той е малък. Наистина мъничко. Ако взривите водороден атом до размера на вашата спалня, протонът ще бъде с размер на прашинка, толкова малък, че ще бъде много трудно да се забележи. Именно защото протонът е толкова малък, че можем да пренебрегнем хаоса, който се случва вътре в него, описвайки водородния атом като прост. По-точно, размерът на протона е 100 000 пъти по-малък от размера на водородния атом.

За сравнение, размерът на Слънцето е само 3000 пъти по-малък от размера на Слънчевата система (измерена от орбитата на Нептун). Точно така – атомът е по-празен от Слънчевата система! Помнете това, когато гледате небето през нощта.

Но може да попитате: „Чакай малко! Искате да кажете, че Големият адронен колайдер по някакъв начин сблъсква протони, които са 100 000 пъти по-малки от атом? Как изобщо е възможно това?

Страхотен въпрос.

Протонни сблъсъци срещу мини-сблъсъци на кварки, глуони и антикварки

Протонните сблъсъци в LHC се случват с определена енергия. През 2011 г. беше 7 TeV = 7000 GeV, а през 2012 г. 8 TeV = 8000 GeV. Но физиците на елементарните частици се интересуват главно от сблъсъци на кварк на един протон с антикварк на друг протон или сблъсъци на два глуона и т.н. – нещо, което може да доведе до появата на наистина нов физически феномен. Тези мини-сблъсъци носят малка част от общата енергия на сблъсък на протони. Каква част от тази енергия могат да носят и защо беше необходимо енергията на сблъсъка да се увеличи от 7 TeV на 8 TeV?

Отговорът е на фиг. 4. Графиката показва броя на сблъсъците, открити от детектора ATLAS. Данните от лятото на 2011 г. включват разсейването на кварки, антикварки и глуони от други кварки, антикварки и глуони. Такива мини-сблъсъци най-често произвеждат две струи (струя от адрони, прояви на високоенергийни кварки, глуони или антикварки, избити от родителските протони). Измерват се енергиите и посоките на струите и от тези данни се определя количеството енергия, което трябва да е участвало в мини-сблъсъка. Графиката показва броя на мини-сблъсъците от този тип като функция на енергията. Вертикалната ос е логаритмична - всеки ред означава 10-кратно увеличение на количеството (10 n означава 1 и n нули след него). Например, броят на мини-сблъсъците, наблюдавани в енергийния интервал от 1550 до 1650 GeV, е около 10 3 = 1000 (маркирани със сини линии). Обърнете внимание, че графиката започва от 750 GeV, но броят на мини-сблъсъците продължава да нараства, докато изучавате струи с по-ниска енергия, до момента, в който струите стават твърде слаби, за да бъдат открити.

Ориз. 4: брой сблъсъци като функция на енергията (m jj)

Помислете, че общият брой протон-протонни сблъсъци с енергия от 7 TeV = 7000 GeV се доближи до 100 000 000 000 000. И от всички тези сблъсъци само два мини-сблъсъка надхвърлиха 3500 GeV - половината от енергията на сблъсък на протони. Теоретично енергията на мини-сблъсък може да се увеличи до 7000 GeV, но вероятността за това намалява през цялото време. Виждаме мини-сблъсъци от 6000 GeV толкова рядко, че е малко вероятно да видим 7000 GeV, дори ако съберем 100 пъти повече данни.

Какви са предимствата от увеличаването на енергията на сблъсък от 7 TeV през 2010-2011 г. на 8 TeV през 2012 г.? Очевидно това, което можете да направите на енергийно ниво E, сега можете да направите на енергийно ниво 8/7 E ≈ 1,14 E. Така че, ако преди можехте да се надявате да видите в толкова много данни признаци на определен тип хипотетична частица с маса от 1000 GeV/c 2, тогава можем да се надяваме да постигнем поне 1100 GeV/c 2 със същия набор от данни. Възможностите на машината се увеличават - можете да търсите частици с малко по-голяма маса. И ако съберете три пъти повече данни през 2012 г., отколкото през 2011 г., ще получите повече сблъсъци за всяко енергийно ниво и ще можете да видите сигнатурата на хипотетична частица с маса, да речем, 1200 GeV/s 2 .

Но това не е всичко. Погледнете сините и зелените линии на фиг. 4: те показват, че се появяват при енергии от порядъка на 1400 и 1600 GeV - така че корелират помежду си като 7 до 8. При енергийно ниво на сблъсък на протони от 7 TeV, броят на мини-сблъсъците на кварки с кварки , кварки с глуони и др. P. с енергия 1400 GeV е повече от два пъти броя на сблъсъците с енергия 1600 GeV. Но когато машината увеличи енергията с 8/7, това, което е работило за 1400, започва да работи за 1600. С други думи, ако се интересувате от мини-сблъсъци с фиксирана енергия, броят им се увеличава - и то много повече от 14% увеличение в енергията на сблъсък на протони! Това означава, че за всеки процес с предпочитана енергия, да речем появата на леки частици на Хигс, който се случва при енергии от порядъка на 100-200 GeV, получавате повече резултати за същите пари. Преминаването от 7 на 8 TeV означава, че за същия брой сблъсъци на протони получавате повече частици на Хигс. Производството на частици Хигс ще се увеличи с около 1,5. Броят на up кварките и някои видове хипотетични частици ще се увеличи още малко.

Това означава, че въпреки че броят на протонните сблъсъци през 2012 г. е 3 пъти по-висок от този през 2011 г., общият брой произведени частици на Хигс ще се увеличи почти 4 пъти просто поради увеличаването на енергията.

Между другото, фиг. Фигура 4 също доказва, че протоните не се състоят просто от два горни кварка и един низходящ кварк, както е изобразено на чертежи като Фиг. 3. Ако бяха, тогава кварките ще трябва да пренесат около една трета от енергията на протоните и повечето мини-сблъсъци биха се случили при енергии от около една трета от енергията на сблъсъка на протони: около 2300 GeV. Но графиката показва, че нищо особено не се случва в района на 2300 GeV. При енергии под 2300 GeV има много повече сблъсъци и колкото по-надолу отивате, толкова повече сблъсъци виждате. Това е така, защото протонът съдържа огромен брой глуони, кварки и антикварки, всеки от които пренася малка част от енергията на протона, но има толкова много от тях, че участват в огромен брой мини-сблъсъци. Това свойство на протона е показано на фиг. 2 – въпреки че всъщност броят на нискоенергийните глуони и двойките кварк-антикварк е много по-голям от показания на фигурата.

Но това, което графиката не показва, е частта, която при мини-сблъсъци с определена енергия пада върху сблъсъците на кварки с кварки, кварки с глуони, глуони с глуони, кварки с антикварки и т.н. Всъщност това не може да се каже директно от експерименти в LHC - струите от кварки, антикварки и глуони изглеждат еднакви. Как знаем тези акции е сложна история, включваща много различни минали експерименти и теорията, която ги комбинира. И от това знаем, че най-високите енергийни мини-сблъсъци обикновено се случват между кварки и кварки и между кварки и глуони. Сблъсъци с ниска енергия обикновено възникват между глуони. Сблъсъците между кварки и антикварки са сравнително редки, но са много важни за определени физически процеси.

Разпределение на частиците в протона

Ориз. 5

Две графики, различни по мащаба на вертикалната ос, показват относителната вероятност от сблъсък с глуон, кварк нагоре или надолу или антикварк, носещ част от енергията на протона, равна на x. При малко x доминират глуоните (и кварките и антикварките стават еднакво вероятни и многобройни, въпреки че все още има по-малко от глуоните), а при средно x доминират кварките (въпреки че стават изключително малко).

И двете графики показват едно и също нещо, само че в различен мащаб, така че това, което е трудно да се види на една от тях, е по-лесно да се види на другата. Това, което те показват, е следното: ако протонен лъч дойде към вас в Големия адронен колайдер и вие ударите нещо вътре в протона, каква е вероятността да ударите горен кварк, или низходящ кварк, или глуон, или up antiquark или down quark антикварк, който носи част от енергията на протона, равна на x? От тези графики може да се заключи, че:

От факта, че всички криви растат много бързо при малки x (вижда се на долната графика), следва, че повечето от частиците в протона пренасят по-малко от 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.
Тъй като жълтата крива (по-долу) е много по-висока от останалите, следва, че ако срещнете нещо, което носи по-малко от 10% от енергията на протон, то най-вероятно е глуон; и падане под 2% от енергията на протона е еднакво вероятно да бъдат кварки или антикварки.
Тъй като кривата на глуона (отгоре) пада под кривите на кварка с увеличаване на x, следва, че ако срещнете нещо, носещо повече от 20% (x > 0,2) от енергията на протона - което е много, много рядко - то най-вероятно е кварк, а вероятността това да е възходящ кварк е два пъти по-вероятна от вероятността да е низходящ кварк. Това е остатък от идеята, че „един протон е два кварка нагоре и един кварк надолу“.
Всички криви спадат рязко, когато x нараства; Много е малко вероятно да срещнете нещо, което носи повече от 50% от енергията на протона.

Тези наблюдения са косвено отразени в графиката на фиг. 4. Ето още няколко неочевидни неща за двете графики:
По-голямата част от енергията на протона се разделя (приблизително по равно) между малък брой високоенергийни кварки и огромен брой нискоенергийни глуони.
Сред частиците преобладават нискоенергийните глуони, следвани от кварките и антикварките с много ниски енергии.

Броят на кварките и антикварките е огромен, но: общият брой на кварките нагоре минус общия брой на антикварките нагоре е два, а общият брой на кварките надолу минус общия брой на антикварките надолу е един. Както видяхме по-горе, допълнителните кварки носят значителна (но не по-голямата част) част от енергията на протона, летящ към вас. И само в този смисъл можем да кажем, че протонът основно се състои от два горни кварка и един низходящ кварк.

Между другото, цялата тази информация е получена от удивителна комбинация от експерименти (главно върху разсейването на електрони или неутрино от протони или от атомните ядра на тежкия водород - деутерий, съдържащи един протон и един неутрон), събрани заедно с помощта на подробни уравнения описващи електромагнитни, силни ядрени и слаби ядрени взаимодействия. Тази дълга история датира от края на 60-те и началото на 70-те години. И работи чудесно за прогнозиране на явления, наблюдавани в колайдери, където протони се сблъскват с протони и протони с антипротони, като Tevatron и LHC.

Други доказателства за сложната структура на протона

Нека да разгледаме някои от данните, получени в LHC и как те подкрепят твърденията за структурата на протона (въпреки че настоящото разбиране за протона датира отпреди 3-4 десетилетия, благодарение на много експерименти).

Графика на фиг. 4 се получава от наблюдения на сблъсъци, по време на които се случва нещо като показаното на фиг. 1. 6: кварк или антикварк или глуон на един протон се сблъсква с кварк или антикварк или глуон на друг протон, разпръсква се от него (или се случва нещо по-сложно - например два глуона се сблъскват и се превръщат в кварк и антикварк), в резултат в две частици (кварки, антикварки или глуони) отлитат от точката на сблъсък. Тези две частици се превръщат в струи (адронни струи). Енергията и посоката на струите се наблюдават в детектори за частици около точката на удара. Тази информация се използва, за да се разбере колко енергия се съдържа в сблъсъка на двата оригинални кварка/глуона/антикварка. По-точно, инвариантната маса на двете струи, умножена по c 2, дава енергията на сблъсъка на двата оригинални кварка/глуона/антикварка.

Ориз. 6

Броят на сблъсъци от този тип в зависимост от енергията е показан на фиг. 4. Фактът, че при ниски енергии броят на сблъсъците е много по-голям, се потвърждава от факта, че повечето от частиците вътре в протона предават само малка част от енергията си. Данните започват при енергии от 750 GeV.

Ориз. 7: Данни за по-ниски енергии, взети от по-малък набор от данни. Диактивна маса – същата като m jj на фиг. 4.

Данни за фиг. 7 са взети от експеримента на CMS от 2010 г., върху който са начертани сблъсъци на плът до енергии от 220 GeV. Графиката тук не е броят на сблъсъците, а малко по-сложна: броят на сблъсъците на GeV, тоест броят на сблъсъците, разделен на ширината на колоната на хистограмата. Може да се види, че същият ефект продължава да работи в целия диапазон от данни. Сблъсъци като тези, показани на фиг. 6, много повече се случва при ниски енергии, отколкото при високи енергии. И този брой продължава да расте, докато вече не е възможно да се разграничат струите. Протонът съдържа много нискоенергийни частици и малко от тях носят значителна част от неговата енергия.

Какво ще кажете за наличието на антикварки в протона? Три от най-интересните процеси, които не са подобни на сблъсъка, изобразен на фиг. 6, понякога възникващ в LHC (в един от няколко милиона протон-протонни сблъсъка), включва процеса:

Кварк + антикварк -> W +, W - или Z частица.

Те са показани на фиг. 8.

Ориз. 8

Съответните данни от CMS са дадени на фиг. 9 и 10. Фиг. Фигура 9 показва, че броят на сблъсъците, които произвеждат електрон или позитрон (вляво) и нещо неоткриваемо (вероятно неутрино или антинеутрино), или мюон и антимюон (вдясно), се предсказва правилно. Прогнозата се прави чрез комбиниране на Стандартния модел (уравнения, които предсказват поведението на известни елементарни частици) и структурата на протона. Големите пикове в данните се дължат на появата на W и Z частици, които идеално пасват на данните.

Ориз. 9: черни точки – данни, жълти – прогнози. Броят на събитията е посочен в хиляди. Вляво: Централният пик се дължи на неутрино в W частиците. Вдясно лептонът и антилептонът, произведени при сблъсъка, са комбинирани и се подразбира масата на частицата, от която са дошли. Пикът се появява поради получените Z частици.

Още повече подробности могат да се видят на фиг. 10, където е показано, че теорията, по отношение на броя не само на тези, но и на много свързани измервания - повечето от които са свързани със сблъсъци на кварки с антикварки - съвпада перфектно с данните. Данните (червени точки) и теорията (сини ленти) никога не съвпадат точно поради статистически колебания, поради същата причина, поради която ако хвърлите монета десет пъти, не е задължително да получите пет глави и пет опашки. Следователно точките от данни се поставят в „лентата за грешки“, вертикалната червена ивица. Размерът на лентата е такъв, че за 30% от измерванията лентата на грешката трябва да граничи с теорията, а само за 5% от измерванията трябва да е на две ленти от теорията. Вижда се, че всички доказателства потвърждават, че протонът съдържа много антикварки. И ние правилно разбираме броя на антикварките, които носят определена част от енергията на протона.

Ориз. 10

Тогава всичко е малко по-сложно. Ние дори знаем колко нагоре и надолу кварки имаме в зависимост от енергията, която носят, тъй като правилно прогнозираме - с грешка от по-малко от 10% - колко повече W + частици получаваме, отколкото W - частици (фиг. 11).

Ориз. единадесет

Съотношението между възходящите антикварки и низходящите кварки трябва да е близо до 1, но трябва да има повече възходящи кварки, отколкото низходящи кварки, особено при високи енергии. На фиг. 6 можем да видим, че съотношението на получените W + и W - частици трябва приблизително да ни даде съотношението на кварките нагоре и кварките надолу, участващи в производството на W частици. Но на фиг. Фигура 11 показва, че измереното съотношение на W + към W - частици е 3 към 2, а не 2 към 1. Това също показва, че наивната идея за протон като състоящ се от два кварка нагоре и един кварк надолу е твърде опростена. Опростеното съотношение 2 към 1 е размито, тъй като протонът съдържа много двойки кварк-антикварк, от които горните и долните са приблизително равни. Степента на замъгляване се определя от масата на W частицата от 80 GeV. Ако го направите по-лек, ще има повече размиване, а ако е по-тежък, ще има по-малко размиване, тъй като повечето от двойките кварк-антикварк в протона носят малко енергия.

И накрая, нека потвърдим факта, че повечето от частиците в протона са глуони.

Ориз. 12

За да направим това, ще използваме факта, че топ кварките могат да бъдат създадени по два начина: кварк + антикварк -> топ кварк + топ антикварк или глуон + глуон -> топ кварк + топ антикварк (фиг. 12). Ние знаем броя на кварките и антикварките в зависимост от енергията, която носят въз основа на измерванията, илюстрирани на фиг. 9-11. От това можем да използваме уравненията на Стандартния модел, за да предвидим колко топ кварки ще бъдат произведени от сблъсъци само на кварки и антикварки. Ние също вярваме, въз основа на предишни данни, че има повече глуони в един протон, така че процесът глуон + глуон -> топ кварк + топ антикварк трябва да се случва поне 5 пъти по-често. Лесно е да се провери дали има глуони там; ако не са, данните трябва да са доста под теоретичните прогнози.
глуони Добавете тагове

Ще ви дам своя отговор.

Протоните, електроните и другите частици са много, много, много малки частици. Можете да си ги представите например като кръгли прашинки (въпреки че това няма да е съвсем точно, но е по-добре от нищо). Толкова малка, че е невъзможно просто да се погледне една такава прашинка. Цялата материя, всичко, което виждаме, всичко, което можем да докоснем – абсолютно всичко се състои от тези частици. От тях е направена земята, от тях е направен въздухът, от тях е направено слънцето, от тях е направен човекът.

Хората винаги са искали да разберат как работи целият свят. В какво се състои. Тук имаме шепа пясък. Очевидно пясъкът се състои от песъчинки. От какво се състои една песъчинка? Песъчинката е здраво слепнала бучка, много малко камъче. Оказа се, че една песъчинка може да бъде разделена на части. Ами ако тези части се разделят отново на по-малки? И след това отново? Възможно ли е в крайна сметка да се намери нещо, което вече не може да бъде разделено?

Хората наистина са открили, че в крайна сметка всичко се състои от „прашинки“, които вече не могат лесно да се отделят. Тези прахови частици бяха наречени "молекули". Има водна молекула, има кварцова молекула (между другото, пясъкът се състои главно от кварц), има солна молекула (тази, която ядем) и много различни други молекули.

Ако се опитате да разделите, например, водна молекула на части, се оказва, че съставните части вече изобщо не се държат като вода. Хората наричаха тези части "атоми". Оказа се, че водата винаги е разделена на 3 атома. В този случай 1 атом е кислород, а другите 2 атома са водород (има 2 от тях във водата). Ако комбинирате всеки кислороден атом с всеки 2 водородни атома, отново ще имате вода.

В същото време други молекули освен вода могат да бъдат направени от кислород и водород. Например, 2 кислородни атома лесно се комбинират един с друг, за да образуват „двоен кислород“ (наречен „кислородна молекула“). В нашия въздух има много такъв кислород, ние го дишаме, имаме нужда от него за живота.

Тоест, оказа се, че молекулите имат „части“, които трябва да работят заедно, за да получат желания резултат. Това е, например, като кола играчка. Например колата трябва да има кабина и 4 колела. Само когато всички те са събрани заедно, това е машина. Ако нещо липсва, значи това вече не е машина. Ако поставите писти вместо колела, тогава това изобщо няма да е кола, а танк (е, почти). Същото и с молекулите. За да съществува водата, тя трябва да се състои от 1 кислород и 2 водорода. Но поотделно не е вода.

Когато хората разбраха, че всички молекули са съставени от различен набор от атоми, хората станаха щастливи. След като изучават атомите, хората виждат, че в природата има само около 100 различни атома. Тоест хората научиха нещо ново за света. Че всичко, което виждаме, е просто 100 различни атома. Но тъй като те са свързани по различни начини, резултатът е огромно разнообразие от молекули (милиони, милиарди и дори повече различни молекули).

Възможно ли е да вземем всеки атом и да го разделим? Невъзможно е да се раздели атом с помощта на средствата, съществували през Средновековието. Поради това известно време се смяташе, че атомът не може да бъде разделен. Смятало се е, че "атомите" са най-малките частици, които изграждат целия свят.

В крайна сметка обаче атомът беше отделен. И беше открито (най-прекрасното нещо), че ситуацията е същата и с атомите. Оказа се, че всичките 100 (всъщност има малко повече от 100) различни атома се разпадат само на 3 различни вида частици. Само 3! Оказа се, че всички атоми са набор от „протони“, „неутрони“ и „електрони“, които са свързани в атом по определен начин. Различен брой от тези частици, когато се съединят заедно, пораждат различни атоми.

Има за какво да се радваме: човечеството е стигнало до разбирането, че цялото многообразие на света е само 3 елементарни частици.

Възможно ли е да се раздели всяка елементарна частица? Например, може ли протонът да бъде разделен? Сега се смята, че частиците (например протон) също се състоят от части, наречени „кварки“. Но, доколкото знам, досега никога не е било възможно да се отдели „кварк“ от частица, за да се „види“ какво представлява, когато се намира отделно, сам по себе си (а не като част от частицата) . Изглежда, че кварките не могат (или наистина не искат) да съществуват освен вътре в частица.

Така че в момента протонът, неутронът и електронът са най-малките части от нашия свят, които могат да съществуват отделно и от които се състои всичко. Това е наистина впечатляващо.

Вярно, че радостта не продължи много дълго. Защото се оказа, че освен протон, неутрон и електрон, има много други видове частици. Те обаче почти никога не се срещат в природата. Не е забелязано нещо голямо в природата да е изградено от частици, различни от протон, неутрон и електрон. Но е известно, че тези други частици могат да бъдат произведени изкуствено, ако няколко частици се ускорят до умопомрачителни скорости (около милиард километра в час) и се ударят с други частици.

За структурата на атома.

Сега можем да поговорим малко за атома и неговите частици (протони, неутрони, електрони).

Как се различават различните частици? Протонът и неутронът са тежки. А електронът е светлина. Разбира се, тъй като всички частици са много малки, всички те са много леки. Но един електрон, ако не греша, е хиляди пъти по-лек от протон или неутрон. Но протонът и неутронът са много сходни по маса. Почти точно (защо? Може би не е съвпадение?).

Протоните и неутроните в атома винаги се обединяват и образуват вид „топка“, която се нарича „ядро“. Но в ядрото никога няма електрони. Вместо това електроните обикалят около ядрото. За по-голяма яснота често се казва, че електроните се въртят около ядрото „като планетите около Слънцето“. Всъщност това не е вярно. Това е толкова вярно, колкото детски анимационни филми са вярни за реалния живот. Изглежда почти същото, но в действителност всичко е много по-сложно и неразбираемо. Като цяло ще бъде полезно за 5-класник да си представи, че електроните „летят около ядрото, като планетите около Слънцето“. И тогава някъде в 7-9 клас можете да прочетете за чудесата на квантовия микросвят. Там има още по-прекрасни чудеса, отколкото в Алиса в страната на чудесата. В смисъл, че там (на атомно ниво) всичко се случва по различен начин, отколкото сме свикнали.

Освен това няколко електрона могат да бъдат отделени от атом без много усилия. Тогава получавате атом без няколко електрона. Тези електрони (тогава наричани "свободни електрони") ще летят наоколо сами. Между другото, ако вземете много свободни електрони, получавате електричество, с помощта на което работи почти всичко готино в 21 век :).

Така че протоните и неутроните са тежки. Електронът е светлина. Протоните и неутроните са в ядрото. Електрони - въртят се или летят някъде сами (обикновено, след като полетят малко, се прикрепят към други атоми).

Как се различава протонът от неутрона? Като цяло те са много сходни, с изключение на едно важно нещо. Протонът има заряд. Но неутронът не го прави. Електронът, между другото, също има заряд, но от различен тип...

Какво е "зареждане"? Ами... Мисля, че е по-добре да спрем на този въпрос, защото трябва да спрем някъде.

Ако искате подробности пишете, ще отговоря. Междувременно мисля, че има много от тази информация за първи път.

В крайна сметка има още много текст и не знам дали да намаля количеството текст.

Освен това този текст е много по-научен. Всеки, който е успял да овладее първата част за елементарните частици и не е загубил интерес към физиката, надявам се, че ще успее да овладее този текст.

Ще разделя текста на много части, за да се чете по-лесно.

Отговор

Още 16 коментара

И така, относно таксата.

При внимателно проучване на различни варианти за взаимодействие между различни обекти (включително елементарни частици) се оказа, че има общо 3 вида взаимодействие. Те бяха наречени: 1) гравитационни, 2) електромагнитни и 3) ядрени.

Нека първо да поговорим малко за гравитацията. Хората наблюдават движението на планетите и кометите в Слънчевата система през телескоп от много години. От тези наблюдения Нютон (легендарният физик от миналите векове) заключава, че всички обекти в Слънчевата система се привличат един друг от разстояние, и извежда известния „закон за универсалната гравитация“.

Този закон може да се запише в следната форма: „За всеки 2 обекта можете да изчислите силата на тяхното взаимно привличане, за да направите това, трябва да умножите масата на единия обект по масата на другия обект, а след това получената резултатът трябва да се раздели два пъти на разстоянието между тях.”

Този закон може да се напише като уравнение:

маса1 * маса2: разстояние: разстояние = сила

В това уравнение * (знакът звезда) означава умножение, знакът : означава деление, „маса1“ е масата на едно тяло, „маса2“ е масата на второто тяло, „разстояние“ е разстоянието между двете тела , „сила“ е силата, с която ще се привличат взаимно.

(Предполагам, че учениците от 5-ти клас не знаят какво е „повдигане на квадрат“, така че замених квадрата на разстоянието с нещо, което 5-класник би разбрал.)

Какво е интересното в това уравнение? Например, силата на привличане силно зависи от разстоянието между обектите. Колкото по-голямо е разстоянието, толкова по-слаба е силата. Това е лесно да се провери. Например, нека разгледаме този пример: маса1 = 10, маса2 = 10, разстояние = 5. Тогава силата ще бъде равна на 10 * 10: 5: 5 = 100: 5: 5 = 20: 5 = 4. Ако, със същите маси, разстоянието = 10, тогава силата ще бъде равна на 10 * 10: 10: 10 = 1. Виждаме, че когато разстоянието се увеличи (от 5 на 10), силата на привличане намаля (от 4 на 1).

Отговор

Какво е "маса"?

Знаем, че всичко в света се състои от елементарни частици (протони, неутрони и електрони). А тези елементарни частици са носители на маса. Електронът обаче има много малка маса в сравнение с протона и неутрона, но електронът все още има маса. Но протонът и неутронът имат доста забележима маса. Защо Земята има голяма маса (600000000000000000 килограма), а аз имам малка (65 килограма)? Отговорът е много прост. Защото Земята се състои от много, много голям брой протони и неутрони. Между другото, затова не се забелязва, че привличам нещо към себе си - масата е твърде малка. Но най-общо казано, аз съм магнит. Само много, много, много слабо.

И така, хората са открили, че масата съществува дори в елементарните частици. А масата позволява на частиците да се привличат една друга от разстояние. Но какво е маса? Как работи? Както често (и дори много често) се случва в науката, тази мистерия не е напълно разгадана. Засега знаем само, че масата е „вътре в частиците“. И знаем, че масата остава непроменена, докато самата частица остава непроменена. Тоест всички протони имат еднаква маса. Всички неутрони имат същото. И всички електрони имат едно и също. В същото време за протон и електрон те са много сходни (макар и не съвсем равни), но за електрона масата е много по-малка. И не се случва например неутронът да има маса като електрона или обратното.

Отговор

За електромагнитното взаимодействие.

И относно обвиненията. Накрая.

Внимателните наблюдения показват, че законът за гравитацията сам по себе си не е достатъчен, за да обясни някои взаимодействия. Трябва да има нещо друго. Вземете дори обикновен магнит (по-точно 2 магнита). Първо, не е трудно да се забележи, че малък магнит с тегло, да речем, 1 килограм, привлича друг магнит много, много по-силно от мен. Ако вярвате в закона за всемирното притегляне, тогава моите 65 килограма трябва да привличат 65 пъти по-силен магнит - но не. Магнитът изобщо не иска да бъде привлечен към мен. Но той иска да отиде при друг магнит. Как да си обясня това?

Друг въпрос. Защо магнитът привлича само някои предмети (например парчета желязо, както и други магнити), а не забелязва останалите?

И по-нататък. Защо един магнит привлича друг магнит само от определена посока? И най-удивителното е, че ако замените магнита с противоположната страна, се оказва, че двата магнита изобщо не се привличат, а напротив, отблъскват. В същото време е лесно да се забележи, че те се отблъскват със същата сила, с която са били привлечени преди това.

Законът за всемирното привличане говори само за привличането, но не знае нищо за отблъскването. Значи трябва да има нещо друго. Нещо, което в някои случаи привлича предметите, а в други отблъсква.

Тази сила се нарича "електромагнитно взаимодействие". Електромагнитното взаимодействие също има свой собствен закон (наречен "закон на Кулон", в чест на Чарлз Кулон, който открива този закон). Много интересно е, че общата форма на този закон е почти същата като тази на закона за всемирното привличане, само че вместо „маса1“ и „маса2“ има „заряд1“ и „заряд2“.

заряд1 * заряд2: разстояние: разстояние = сила

"charge1" е зарядът на първия обект, "charge2" е зарядът на втория обект.

Какво е "зареждане"? Честно казано, никой не знае. Точно както никой не знае какво точно е „маса“.

Отговор

Мистериозни обвинения.

Опитвайки се да го разберат, хората стигнаха до елементарните частици. И откриха, че неутронът има само маса. Тоест неутронът участва в гравитационното взаимодействие. Но не участва в електромагнитно взаимодействие. Тоест зарядът на неутрона е нула. Ако вземем закона на Кулон и заменим нула вместо един от зарядите, тогава силата също ще бъде равна на нула (няма сила). Ето как се държи неутронът. Няма електромагнитна сила.

Електронът има много слаба маса, така че участва много малко в гравитационното взаимодействие. Но електронът силно отблъсква (отблъсква!) други електрони. Това е така, защото има заряд.

Протонът има маса и заряд. И един протон също отблъсква други протони. Ако има маса, това означава, че тя привлича всички частици към себе си. Но в същото време протонът отблъсква други протони. Освен това електромагнитната сила на отблъскване е много по-силна от гравитационната сила на привличане. Следователно отделните протони ще отлетят един от друг.

Но това не е цялата история. Електромагнитната сила може не само да отблъсне, но и да привлече. Протонът привлича електрон, а електронът привлича протон. В този случай можете да проведете експеримент и да откриете, че силата на привличане между протон и електрон е равна на силата на отблъскване между два протона и също е равна на силата на отблъскване между два електрона.

От това можем да заключим, че зарядът на протона е равен на заряда на електрона. Но по някаква причина 2 протона се отблъскват, но протон и електрон се привличат. Как може да бъде?

Отговор

Решението на таксите.

Оказва се, че отговорът е, че масата на всички частици винаги е по-голяма от нула. Но зарядът може да бъде по-голям от нула (протон) и равен на нула (неутрон) и по-малък от нула (електрон). Въпреки че, всъщност, може да се определи така, че, напротив, електронът има заряд, по-голям от нула, а протонът има по-малък от нула. Нямаше значение. Важното е, че протонът и електронът имат противоположни заряди.

Нека измерим зарядите в "протони" като пример (тоест 1 протон има сила на заряд 1). И ще определим силата на взаимодействие между два протона на известно разстояние (ще приемем, че разстоянието е = 1). Заместваме числата във формулата и получаваме 1 * 1: 1: 1 = 1. Сега нека измерим силата на взаимодействие между електрон и протон. Знаем, че зарядът на електрона е равен на заряда на протона, но има обратен знак. Тъй като зарядът на нашия протон е 1, тогава зарядът на електрона трябва да бъде -1. Да заместим. -1 * 1: 1: 1 = -1. Имаме -1. Какво означава знакът минус? Това означава, че силата на взаимодействие трябва да се промени в обратна посока. Тоест силата на отблъскване се е превърнала в сила на привличане!

Отговор

Нека да обобщим.

Има забележителни разлики между 3-те най-често срещани елементарни частици.

Неутронът има само маса и няма заряд.

Протонът има маса и заряд. В този случай зарядът на протона се счита за положителен.

Електронът има малка маса (около 1000 пъти по-малка от тази на протона и неутрона). Но има заряд. В този случай зарядът е равен на заряда на протона, само с обратен знак (ако приемем, че протонът има „плюс“, тогава електронът има „минус“).

В същото време обикновен атом нито привлича, нито отблъсква нищо. Защо? Вече е просто. Нека си представим някакъв обикновен атом (например кислороден атом) и един свободен електрон, който лети до атома. Кислородният атом се състои от 8 протона, 8 неутрона и 8 електрона. Въпрос. Трябва ли този свободен електрон да бъде привлечен към атома или трябва да бъде отблъснат? Неутроните нямат заряд, така че засега ще ги игнорираме. Електромагнитната сила между 8 протона и 1 електрон е 8 * (-1) : 1: 1 = -8. А електромагнитната сила между 8 електрона в атом и 1 свободен електрон е равна на -8 * (-1) : 1: 1 = 8.

Оказва се, че силата на действие на 8 протона върху свободен електрон е равна на -8, а силата на действие на електроните е +8. Общо е 0. Тоест силите са равни. Нищо не се случва. В резултат на това се казва, че атомът е „електрически неутрален“. Тоест нито привлича, нито отблъсква.

Разбира се, все още има сила на гравитацията. Но електронът има много малка маса, така че гравитационното взаимодействие с атома е много малко.

Отговор

Заредени атоми.

Спомняме си, че с малко усилия можем да откъснем електрони, които са по-далеч от ядрото. В този случай кислородният атом ще има например 8 протона, 8 неутрона и 6 електрона (ние откъснахме 2). Атомите, които нямат (или, обратно, имат твърде много) електрони, се наричат ​​„йони“. Ако направим 2 такива кислородни атома (премахвайки 2 електрона от всеки атом), те ще се отблъскват. Нека заместим в закона на Кулон: (8 - 6) * (8 - 6) : 1: 1 = 4. Виждаме, че полученото число е по-голямо от нула, което означава, че йоните ще се отблъскват.

(QED) е теория, чиито прогнози понякога се сбъдват с невероятна точност, до стотни от една милионна от процента. Още по-изненадващо е това несъответствие между заключенията на QED и новите експериментални данни.

„Най-елегантното би било, ако просто се открие някаква грешка в изчисленията“, казва един от авторите на този експеримент, Рандолф Пол, „но теоретиците са проучили всичко и са стигнали до извода, че всичко е наред.“ Може би проблемът не е в това, че протонът се оказа по-малък от изчисления размер, а в това, че не разбираме напълно какво се случва вътре в него.

За да извършат възможно най-точните измервания, физиците не поеха по директния път, а първо конструираха нестандартен водороден атом. Нека припомним, че този най-прост атом се състои от 1 протон като ядро ​​и 1 електрон, въртящ се около него. По-точно, електронът е електронен облак, който може да се трансформира в различни квантови състояния - орбитали с различна форма. Всяка орбитала се характеризира със строго определено енергийно ниво.

Въпреки това, през 1947 г. група американски физици, водени от бъдещия Нобелов лауреат Уилис Ламб, откриха, че енергията на орбиталите не винаги ясно съответства на квантуваните енергийни нива, предвидени от теорията. Тези измествания, наречени измествания на Lamb, са причинени от взаимодействието на електронния облак с колебанията в електромагнитното поле. Именно това откритие - и неговата теоретична обосновка, направена скоро от Ханс Бете - поставиха основите на квантовата електродинамика, като най-точната теория на квантовото поле до момента.

И така Рандолф Пол и неговите колеги прекараха повече от 10 години в опити да установят границите на тази точност. Използвайки ускорител на частици в Швейцария, те създадоха необичайни водородни атоми, в които електронът е заменен от друга частица, мюон, който има същата единица отрицателен заряд, но тежи 207 пъти по-тежък от електрон и е много нестабилен - животът му е около 2 μs. След това учените измерват отместването на Lamb в този „мюонен водород“. Тъй като мюонът е много по-тежък от електрона, той обикаля много по-близо до самия протон и взаимодейства по различен начин с квантовите флуктуации, които причиняват изместването. В този случай трябва да е по-голям и по-лесен за измерване.

Изместването на Lamb, измерено с висока точност, се оказа по-високо от прогнозите на QED и тъй като зависи и от радиуса на протона, беше изчислено, че този радиус е 0,84184 милионни от нанометъра - 4% по-малко от получените резултати от измервания на конвенционален водород.

Можем ли да говорим за провал на QED теорията? Малко вероятно, казва руският теоретичен физик Рудолф Фаустов. Той ни напомня, че самият протон е комбинация от кварки и глуони, държани заедно от силна сила. Самата сложност на тази структура прави много трудно точното измерване на електромагнитните взаимодействия между протон и мюон. На практика е трудно да се отделят някои взаимодействия от други и да се разбере доколко свойствата на протона са повлияни от самата поява на мюона.

Електроните се движат около ядрото по кръгови орбити, подобно на Земята, която обикаля около Слънцето. Електроните могат да се движат между тези нива и когато го направят, те или поглъщат фотон, или излъчват фотон. Какъв е размерът на протона и какъв е той?

Основният градивен елемент на видимата Вселена

Протонът е основният градивен елемент на видимата вселена, но много от неговите свойства, като радиуса на заряда и аномалния му магнитен момент, не са добре разбрани. Какво е протон? Това е субатомна частица с положителен електрически заряд. Доскоро протонът се смяташе за най-малката частица. Въпреки това, благодарение на новите технологии, стана известно, че протоните съдържат още по-малки елементи, частици, наречени кварки, истинските фундаментални частици на материята. Протон може да се образува в резултат на нестабилен неутрон.

Зареждане

Какъв електрически заряд има протонът? Той има заряд от +1 елементарен заряд, който се символизира с буквата "е" и е открит през 1874 г. от Джордж Стоуни. Докато протонът има положителен заряд (или 1e), електронът има отрицателен заряд (-1 или -e), а неутронът няма никакъв заряд и може да бъде посочен като 0e. 1 елементарен заряд е равен на 1,602 × 10 -19 кулона. Кулонът е вид единица за електрически заряд и е еквивалент на един ампер, който се транспортира равномерно за секунда.

Какво е протон?

Всичко, което можете да докоснете и почувствате, е направено от атоми. Размерът на тези малки частици в центъра на атома е много малък. Въпреки че съставляват по-голямата част от теглото на атома, те все още са много малки. Всъщност, ако един атом беше с размерите на футболно игрище, всеки от неговите протони щеше да е с размерите на мравка. Протоните не трябва да бъдат ограничени до ядрата на атомите. Когато протоните са извън атомните ядра, те придобиват очарователни, странни и потенциално опасни свойства, подобни на тези на неутроните при подобни обстоятелства.

Но протоните имат допълнително свойство. Тъй като носят електрически заряд, те могат да бъдат ускорени от електрически или магнитни полета. Високоскоростните протони и съдържащите ги атомни ядра се освобождават в големи количества по време на слънчеви изригвания. Частиците се ускоряват от магнитното поле на Земята, причинявайки йоносферни смущения, известни като геомагнитни бури.

Протонно число, размер и маса

Броят на протоните прави всеки атом уникален. Например, кислородът има осем от тях, водородът има само един, а златото има цели 79. Това число е подобно на идентичността на елемента. Можете да научите много за един атом, просто като знаете броя на неговите протони. Намира се в ядрото на всеки атом и има положителен електрически заряд, равен и противоположен на електрона на елемента. Ако беше изолиран, той щеше да има маса от само около 1,673 -27 kg, малко по-малко от масата на неутрон.

Броят на протоните в ядрото на даден елемент се нарича атомно число. Този номер дава на всеки елемент неговата уникална идентичност. В атомите на всеки отделен елемент броят на протоните в ядрата винаги е един и същ. Един прост водороден атом има ядро, което се състои само от 1 протон. Ядрата на всички други елементи почти винаги съдържат неутрони в допълнение към протоните.

Колко голям е протонът?

Никой не знае със сигурност и това е проблем. Експериментите използват модифицирани водородни атоми, за да получат размера на протона. Това е субатомна мистерия с големи последствия. Шест години след като физиците обявиха, че са измерили размера на протона твърде малък, учените все още не са сигурни за истинския размер. С появата на нови данни мистерията се задълбочава.

Протоните са частици, намиращи се вътре в ядрото на атомите. В продължение на много години радиусът на протона изглеждаше фиксиран на около 0,877 фемтометъра. Но през 2010 г. Рандолф Пол от Института по квантова оптика. Макс Планк в Гархинг, Германия, получи тревожен отговор с помощта на нова техника за измерване.

Екипът промени един протон, един електронен състав на водородния атом, превключвайки електрона към по-тежка частица, наречена мюон. След това те замениха този променен атом с лазер. Измерването на получената промяна в техните енергийни нива им позволи да изчислят размера на протонното ядро. За тяхна изненада, това излезе с 4% по-малко от традиционната стойност, измерена с други средства. Експериментът на Рандолф също приложи новата техника към деутерий, изотоп на водорода, който има един протон и един неутрон, известни като деутерон, в своето ядро. Точното изчисляване на размера на дейтрона обаче отне много време.

Нови експерименти

Нови данни показват, че проблемът с протонния радиус не изчезва. Още няколко експеримента вече се провеждат в лабораторията на Рандолф Пол и др. Някои използват същата мюонна техника за измерване на размера на по-тежки атомни ядра, като хелий. Други измерват разсейването на мюони и електрони едновременно. Пол подозира, че виновникът може да не е самият протон, а неправилно измерване на константата на Ридберг, число, което описва дължините на вълната на светлината, излъчвана от възбуден атом. Но тази константа е добре известна благодарение на други прецизни експерименти.

Друго обяснение предлага нови частици, които предизвикват неочаквани взаимодействия между протона и мюона, без да променят връзката му с електрона. Това може да означава, че пъзелът ни отвежда отвъд стандартния модел на физиката на елементарните частици. „Ако в някакъв момент в бъдещето някой открие нещо извън стандартния модел, това ще бъде“, казва Пол с първото малко отклонение, след това още едно и още едно, бавно създавайки по-монументална промяна. Какъв е истинският размер на протона? Новите резултати предизвикват основната теория на физиката.

Чрез изчисляване на ефекта на радиуса на протона върху траекторията на полета, изследователите успяха да оценят радиуса на протонната частица, който беше 0,84184 фемтометъра. Преди това тази цифра беше между 0,8768 и 0,897 фемтометра. Когато се вземат предвид такива малки количества, винаги има възможност за грешка. Въпреки това, след 12 години усърдни усилия, членовете на екипа са уверени в точността на своите измервания. Теорията може да се нуждае от известна корекция, но какъвто и да е отговорът, физиците ще си блъскат главите дълго време, за да решат този сложен проблем.