Каждый протон содержит три кварка: два верхних и один нижний. Но внутри были обнаружены очарованные кварки, более тяжелые, чем сам протон. Как?
Ключевые выводы
- Протоны - это составные частицы, состоящие из кварков и глюонов внутри, которые мы можем исследовать и обнаруживать с помощью экспериментов по физике элементарных частиц и таких методов, как глубокое неупругое рассеяние.
- Измеряя то, что получается в результате высокоэнергетического столкновения, мы можем реконструировать то, что произошло в точке столкновения, определяя, какие частицы внутри протона столкнулись.
- Вместо только верхних и нижних кварков (а также глюонов), однако, мы недавно обнаружили очарованный кварк внутри протона в результате столкновения. Как это возможно?
В начале 20-го века мы все еще выясняли, какова структура материи. Мы знали, что все состоит из атомов и что внутри них есть отрицательно заряженные электроны, но остальная часть атома была загадкой. В течение последних 120 лет мы впоследствии узнали, что существует маленькое, массивное, положительно заряженное ядро, скрепляющее каждый атом. Само это ядро состоит из нуклонов - протонов и нейтронов, каждый из которых состоит из кварков и глюонов. Протоны состоят из двух верхних и одного нижнего кварков, а нейтроны состоят из двух нижних и одного верхнего кварков.
Но есть еще четыре основных типа кварков: странный, очарованный, нижний и верхний, причем последние три тяжелее самого протона. Как же тогда возможно, чтобы такая частица оказалась внутри протона? Это то, что хочет знать наш сторонник Patreon Аарон Вайс, спрашивая:
“[Как]могут быть очарованные кварки в протонах? Я думал, что очарованные кварки более массивны, чем протоны, так как же это возможно? Что означает, что «тяжелые кварки также существуют как часть волновой функции протона» [как утверждается в этой статье]?»
Это глубокий вопрос, который заставляет нас в корне пересмотреть то, как материя ведет себя в мельчайших масштабах. Давайте погрузимся!
Путешествие от макроскопических масштабов вниз к субатомным охватывает многие порядки, но спуск небольшими шагами может сделать каждый новый масштаб более доступным по сравнению с предыдущим. Люди состоят из органов, клеток, органелл, молекул, атомов, затем электронов и ядер, затем протонов и нейтронов, а затем кварков и глюонов внутри них. Это предел того, насколько далеко мы когда-либо исследовали природу.
На элементарном уровне мы понимаем, что все, что существует во Вселенной, состоит из фундаментальных неделимых квантов: частиц, которые подчиняются причудливым и часто нелогичным правилам квантовой физики. Обычная материя, с которой мы знакомы, состоит из атомов, которые сами состоят из ядер и электронов, а ядра состоят из протонов и нейтронов, каждое из которых имеет свою уникальную внутреннюю структуру.
Когда большинство из нас думает о внутренней структуре протона или нейтрона, мы думаем о трех кварках, которые определяют их свойства, такие как электрический заряд, их магнитные моменты, их массы и многое другое. Самые легкие частицы всегда самые стабильные, так как более тяжелые частицы могут распадаться на более легкие; поэтому неудивительно, что знакомая нам нормальная материя состоит из двух легчайших кварков: верхнего и нижнего.
С верхними кварками, имеющими заряд +⅔ каждый, и нижними кварками, обладающими зарядом -⅓ каждый, способ получения протона (с зарядом +1) состоит в объединении двух верхних кварков с один нижний кварк (поскольку ⅔ + ⅔ + -⅓=+1), а способ получения нейтрона (с зарядом 0) состоит в объединении двух нижних кварков с одним верхним кварком (поскольку -⅓ + -⅓ + ⅔=0).
Отдельные протоны и нейтроны могут быть бесцветными, но кварки внутри них окрашены. Глюоны могут обмениваться не только между отдельными глюонами внутри протона или нейтрона, но и в комбинациях между протонами и нейтронами, что приводит к ядерной связи. Тем не менее, каждый отдельный обмен должен подчиняться полному набору квантовых правил, и это сильное силовое взаимодействие симметрично обращению времени: вы не можете сказать, движется ли анимационный фильм здесь вперед или назад во времени.
Причина, по которой вам нужны три кварка, заключается в том, как действует сильное взаимодействие. Сильное взаимодействие позволяет кваркам образовывать связанные состояния и подчиняется правилам теории, известной как квантовая хромодинамика. В хромодинамике каждый кварк имеет «цветовой заряд», а каждому глюону соответствует комбинация «цвет-антицвет». Цвета могут быть красным, зеленым и синим, а антицветы - это противоположные им цвета на цветовом круге: голубой, пурпурный и желтый. Однако единственные стабильные связанные состояния, которым разрешено существовать, - это комбинации, которые в целом совершенно бесцветны.
Когда каждый цвет сочетается с соответствующим ему антицветом, получается бесцветная комбинация; когда все три цвета или все три антицвета объединены, они также образуют бесцветную комбинацию. В результате только комбинации:
- три кварка,
- три антикварка,
- пара кварк-антикварк,
- или комбинации двух или более из вышеперечисленных,
допустимы как связанные состояния. Верхние и нижние кварки очень легкие, но поскольку они связаны друг с другом посредством обмена глюонами, вся масса связанного состояния (например, протона или нейтрона) может быть довольно большой. Энергия связи - это такая же форма энергии, как и энергия массы покоя, и все они вносят свой вклад в массу нуклона.
Внутреннее пространство протона представляет собой грязное место, в котором участвуют не только три составляющих его кварка, но и глюоны, внутренние поля и все возникающие виртуальные и пертурбативные частицы. от фундаментальных сил и их взаимодействия с материей.
Но тогда нам нужно спросить о внутренней структуре чего-то вроде протона. Вы исследуете это, стреляя в него другими частицами: другими протонами, фотонами или электронами, например. Электрон - это, пожалуй, самый верный способ исследовать внутреннюю структуру протона, потому что:
- это фундаментальная точечная частица, а не составная частица,
- имеет электрический заряд, как кварки, но не цветовой заряд, поэтому не может напрямую взаимодействовать с глюонами,
- постстолкновительный мусор, возникающий в результате столкновения электрона с кварком, может быть реконструирован в экспериментальной физике элементарных частиц,
- и физика электрон-кварковых взаимодействий может быть теоретически рассчитана простым способом в рамках Стандартной модели.
Кроме того, по мере того, как мы переходили к все более и более высоким энергиям в наших столкновениях, мы видели и замечали различные эффекты. Более высокие энергии соответствуют более коротким временным масштабам и расстояниям для взаимодействий, что позволяет нам становиться все более и более детальными при определении внутренней структуры чего-то вроде протона.
Именно с помощью экспериментов, в которых используются эти факторы, мы пересмотрели нашу картину того, что происходит внутри протона за последние ~40 лет или около того, и как мы совсем недавно обнаружили, что да: из эксперимента по глубоконеупругому рассеянию иногда действительно попадаются частицы, которых «не должно быть», например очарованные кварки, внутри протона.
В начале 1980-х мы считали протон состоящим из валентных кварков и что, хотя внутри него и были глюоны, они были виртуальными частицами, не влияющими на внутреннюю структуру протона. Благодаря глубокому неупругому рассеянию мы знаем, что внутри протона присутствуют глюоны и море кварк-антикварковых пар.
При достаточно низких энергиях все, что вы видите, разбивая вещи на протоны и нейтроны, - это сами целые ядра. Кварки не были открыты до второй половины 20-го века по той простой причине, что мы не сталкивали протоны и нейтроны друг с другом (или с другими частицами) с достаточной энергией, чтобы выявить их внутреннюю структуру.
По мере увеличения энергии, однако, начинают появляться новые явления, касающиеся внутренней структуры этих частиц. Первое, что вы можете обнаружить во внутренней структуре протона, - это три валентных кварка: два верхних и один нижний кварк, которые придают протону его макроскопические свойства. Столкнитесь два протона при этих энергиях, и практически 100% происходящих столкновений можно успешно смоделировать как кварк-кварковые столкновения между одним из трех валентных кварков в каждом протоне.
Но если вы пойдете к еще более высоким энергиям, вы начнете обнаруживать еще более глубокую и сложную структуру внутри протона. В частности, вы сначала начинаете замечать, что внутри протона есть глюоны, причем кварк-глюонные столкновения и, в конечном итоге, глюон-глюонные столкновения становятся наиболее распространенным и важным типом взаимодействия, которое происходит при столкновении двух протонов.
Силовые обмены внутри протона, опосредованные цветными кварками, могут двигаться только со скоростью света. Безмассовые глюоны могут разделяться на пары кварк-антикварк перед рекомбинацией, при этом все шесть видов кварков играют определенную роль и способствуют общему эффекту.
Что бы вы ни думали, не только валентные кварки вносят свой вклад в вероятность столкновения кварков внутри протона; также существует явление, известное как «морские кварки». Всякий раз, когда внутри протона происходит обмен глюоном, существует конечная, ненулевая вероятность того, что глюон спонтанно:
- преобразовать в пару кварк-антикварк,
- распространяются во внутреннем пространстве между валентными кварками в протоне,
- рекомбинировать в глюон,
- и затем завершить обмен с другим валентным кварком.
Мы могли бы чаще думать о принципе неопределенности Гейзенберга как о применении к пустому пространству: где пары частица-античастица могут возникать и исчезать из квантового вакуума, пока количество времени, в течение которого они существуют для подчиняется соотношению неопределенности энергия-время.
Но часть того, что приходит вместе с нашим квантовым пониманием Вселенной, заключается в том, что каждый квант имеет конечное, ненулевое изменение опыта того, что мы называем радиационными поправками и петлями: где частица может либо излучать бозон или может разделить бозон на пару частица-античастица перед рекомбинацией. При низких энергиях и/или небольшом количестве столкновений мы вряд ли увидим такое событие. Но если вы суммируете большое количество высокоэнергетических событий, доказательства этих взаимодействий начнут накапливаться.
Три валентных кварка протона вносят вклад в его вращение, но также вносят вклад глюоны, морские кварки и антикварки, а также орбитальный угловой момент. Электростатическое отталкивание и сильное ядерное взаимодействие притяжения в тандеме определяют размер протона, а свойства смешивания кварков необходимы для объяснения набора свободных и составных частиц в нашей Вселенной.
Теперь глюоны - частицы, которые «расщепляются» на пары частица-античастица (кварк-антикварк) внутри протона - безмассовы, но они не лишены энергии. На самом деле, энергия связи трех валентных кварков составляет около 98+% массы протона, и эта энергия распределяется между всеми составляющими протона: валентными кварками, глюонами и, в более широком смысле, также морские кварки.
Большую часть времени морские кварки (и антикварки) представляют собой просто пары верхних и нижних кварков (и антикварков), потому что это кварки (и антикварки) с наименьшей массой покоя. содержащие менее 1% массы протона за штуку. Странный кварк (и антикварк), третий по легкости из кварков, намного тяжелее: он имеет около 10% массы протона, а это означает, что пара странный кварк-антикварк составляет 20% массы протона.
При наличии достаточного количества энергии, помните, всегда должна быть возможность создавать пары частица-античастица с помощью самого известного уравнения Эйнштейна: E=mc². Никого не должно удивлять, что среди морских кварков, созданных сильными взаимодействиями внутри протона, странные кварки (и антикварки) иногда встречаются среди наиболее распространенных взлетов и падений.
Протон - это не просто три кварка и глюона, а море плотных частиц и античастиц внутри. Чем точнее мы смотрим на протон и чем при больших энергиях проводим эксперименты по глубоконеупругому рассеянию, тем больше субструктур мы находим внутри самого протона. Кажется, что нет предела плотности частиц внутри, но при достаточно высоких энергиях протоны и нейтроны распадаются, образуя кварк-глюонную плазму: собственное высокоэнергетическое состояние материи.
Но, возможно, гораздо более удивительно обнаружить, как показало августовское исследование, что там также присутствуют очарованные кварки. В конце концов, очарованный кварк - четвертый по легкости среди кварков - имеет массу, которая составляет около 136% массы протона. Для глюона, который никогда не имеет больше, чем часть полной энергии протона, должно быть энергетически запрещено расщепление на пару очарование-антиочарование; просто недостаточно энергии от E=mc², чтобы это произошло.
Оказывается, однако, это не то, чего можно было бы ожидать. Когда мы энергетически исследуем внутреннюю часть протона, мы обнаруживаем, что там действительно есть море внутренних частиц, но нет предела тому, насколько глубоким и плотным это море может быть. Чем более энергично вы взаимодействуете с протоном - и помните, что высокая энергия соответствует коротким длинам волн, коротким расстояниям и коротким временным шкалам - тем плотнее кажется это море внутренних частиц.
Но даже если такое взаимодействие показывает, что очарованный кварк существует, это не обязательно означает, что мы находим очарованный кварк, который является неотъемлемой частью протона. Мы должны быть осторожны, чтобы, когда мы обнаруживаем частицу внутри протона, она не была обнаружена в результате энергетического взаимодействия, а скорее в результате того, что частица является присущей самому протону.
Столкновение двух частиц может привести к очень близкому сближению заряженных компонентов, что позволяет нам проверить природу различных законов силы. Когда сталкиваются два протона, сталкиваться могут не только составляющие их кварки, но и морские кварки, глюоны и, кроме того, взаимодействие полей. Все они могут дать представление о вращении отдельных компонентов и позволить нам создавать потенциально новые частицы, если будут достигнуты достаточно высокие энергии и светимости.
Пока образующиеся пары очарование-антиочарование являются виртуальными (то есть в результате того, что глюон проводит часть своего времени в качестве пары кварк-антикварк), это не должно нас удивлять. На самом деле рассмотрение очень мелкомасштабных кратковременных взаимодействий позволяет нам с помощью принципа неопределенности Гейзенберга временно заимствовать некоторую дополнительную энергию из соотношения неопределенности энергия-время. До тех пор, пока эта дополнительная энергия позволяет создавать пару очарование-антиочарование - или, если уж на то пошло, пару «низ-анти-дно» и/или «верх-анти-верх» - они должны существовать. Фактически, из физики квантовой хромодинамики мы уверены, что если бы мы каким-то образом изменили массы нижнего или верхнего кварка, в ответ изменилась бы масса протона.
Но это конкретное утверждение отличается, и, несмотря на то, что оно было опубликовано в журнале Nature, оно не настолько уверенно, как хотелось бы. Это утверждение, что поле очарования, которое мы обнаруживаем, является чем-то дополнительным: в дополнение к полю очарования, которое должно существовать из-за этих пертурбативных эффектов КХД, создающих морские кварки. Другими словами, они утверждают, что обнаружили некое «дополнительное очарование» в протоне, возникающем из валентных кварков и глюонов. И это утверждение, ну, все зависит от комбинации совокупных данных, машинного обучения, моделей функции распределения кварков внутри и надежности, ну, я покажу вам критическую цифру из статьи для ниже.
Есть ли внутри протона больше обаяния, чем просто обаяние-антиочарование частиц, возникающих из глюонного поля? Необходимо продемонстрировать, что данные, выделенные серым цветом, лучше согласуются с синими точками, чем с зелеными. Данные на данный момент наводят на размышления, но не являются окончательными.
Утверждение о том, что «в протоне больше очарованных кварков», чем вы ожидаете от этого рождения виртуальных пар, основано на синих точках выше, которые лучше соответствуют данным, чем зеленые точки..
Это?
Да. Но не значением в пять сигм, обычно требуемым для объявления об открытии в физике элементарных частиц; речь идет об эффекте трех сигм или о чем-то, что все еще может оказаться случайностью. Фактически, в физике элементарных частиц большинство обнаруженных эффектов трех сигм оказываются случайностями, а не новыми открытиями. Окажется ли это правдой или случайностью, стоит дальнейшего изучения, но не следует принимать как данность тот факт, что протон по своей природе «дополнительно очарователен».
Это очень сложная проблема, потому что мы говорим о виртуальных частицах в теории, в которой очень сложно точно вычислить определенные величины. Виртуальные частицы не связаны жесткими правилами реальных частиц: они обладают изначально неопределенными свойствами, включая массу и энергию. В то время как «настоящий» очарованный кварк всегда имеет удельную массу, в 136% раз превышающую массу протона, эти виртуальные очарованные кварки, возникающие из глюонов, могут принимать любую массу, включая даже отрицательные значения!
Самое интересное в этом утверждении заключается в том, что мы приближаемся к тому, чтобы измерить вклад кварков внутри протона, которые возникают из-за глюонного поля благодаря квантовой хромодинамике. Возможно - и есть первые признаки того, что это действительно так, - что в протоне есть нечто большее, чем мы предполагали до сих пор. Но, как это часто бывает, потребуются дополнительные и более качественные данные, а также лучшее понимание физики на самых маленьких масштабах с самыми высокими энергиями, конечно!
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!