Неделимая элементарная частица, три связанных кварка, сложный набор из разнообразных кварков и глюонов — по мере развития науки модель протона постоянно модифицировалась. «Хайтек» рассказывает, 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).
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. Изображение: Brookhaven National Laboratory
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.
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. Анимация: Brookhaven National Laboratory 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. Анимация: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation 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. 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.
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.
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.
Визуализация протона. Анимация: MIT
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.