Можеби знаете за професор Протон, омилениот лик на Шелдон Купер, лик од популарната серија Теорија на големата експлозија. Ако мислите дека неговиот лик е збунувачки, тогаш почекајте да дознаете повеќе за вистинскиот протон.
Почетоците на приказната за протонот
Ернест Радерфорд го поставил класичниот модел на атомот составен од атомско јадро и електрони околу него. Во тој модел јадрото е составено од протони и неутрони. Од тогаш е поминат еден век, но физичарите се уште не можат да го разберат протонот!
Во средно училиште сите сме учеле за протоните кои се позитивно наелектризирани „топчиња“, а подоцна кој се реши да продолжи на ПМФ, може да научи дека протоните се составени од три елементарни честички наречени кваркови.
Но, вистината е далеку од тоа, и можеби е невозможно да се објасни со зборови или слики.
Според Мајк Вилијамс, физичар од Технолошкиот институт во Масачусетс се работи за „најкомплицираната работа што (не) можете да ја замислите!“
Сепак да се обидеме. Протонот е квантен механички објект кој постои како магла од веројатности додека експериментот не го принуди да добие конкретна форма.
Неговите форми драстично се разликуваат во зависност од тоа како истражувачите го поставуваат својот експеримент. Поврзувањето на многуте лица на честичката е дело на повеќе експерименти изведени со генерации и децении.
Неодамна, монументалната анализа на податоци објавена во август покажа дека протонот содржи траги од честички наречени шарм кваркови кои се потешки од самиот протон.
Протонот како „тврд орев“?
Доказ дека протонот не е празен дојде од Стенфордскиот линеарен акцелераторски центар (SLAC) во 1967 година. Во експериментите електроните го удираа протонот доволно силно за да го „скршат“ (т.н. „расејување“) и се враќаа како точкести парчиња од протонот наречени кваркови. Тоа беше првиот доказ дека кварковите навистина постојат.
Со другите истражувања е потврден „Кварковиот модел“ на протонот со два „горе“ кварка со електрични полнежи од +2/3 секој и еден „долу“ кварк со полнеж од -1/3, за вкупен протонски полнеж +1.
Но, моделот на кварк е прекумерно поедноставување кое има сериозни недостатоци.
Многу повеќе од три кваркови
Акцелераторот на хадронско-електронски прстен (HERA), кој работел во Хамбург, Германија, од 1992 до 2007 година, удри електрони во протони приближно илјада пати посилно од SLAC. Електроните на ХЕРА открија кваркови со низок моментум и нивната антиматерија, антикваркови.
Резултатите потврдија софистицирана и чудна теорија која постоела уште од 1970-тите, т.н. квантна теорија за „силната сила“ што дејствува помеѓу кварковите. Теоријата опишува дека кварковите се поврзани со нишка од честички кои носат сила наречени глуони.
Секој кварк и секој глуон има еден од трите типа на „боја“ полнеж, означени како црвено, зелено и сино; овие честички наполнети со боја природно се влечат една со друга и формираат група – како што е протон – чии бои се здружуваат до неутрална бела боја. Шарената теорија стана позната како квантна хромодинамика или QCD.
Според QCD, глуоните можат да соберат моментални скокови на енергија. Со оваа енергија, глуонот се дели на кварк и антикварк – секој носи мал моментум – пред парот да се уништи и исчезне.
Нов „шармантен“ поглед
Неодамна, тим предводен од Хуан Рохо од Националниот институт за субатомска физика во Холандија и VU Универзитетот во Амстердам, анализираше повеќе од 5.000 протонски снимки направени во последните 50 години, користејќи машинско учење.
Соработката на Рохо планира да продолжи да го истражува протонот со барање на нерамнотежа помеѓу шарм кваркови и антикваркови.
Експериментите од следната генерација ќе бараат уште непознати карактеристики. Физичарите од Националната лабораторија Брукхевен се надеваат дека ќе го активираат електро-јонскиот судирач во 2030-тите и ќе продолжат таму каде што застана ХЕРА, правејќи снимки со повисока резолуција кои ќе овозможат прва 3Д реконструкција на протонот.
Ова треба да им помогне на истражувачите конечно да го утврдат потеклото на спинот на протонот и да се осврнат на други фундаментални прашања за збунувачката честичка што го сочинува најголемиот дел од нашиот секојдневен свет.
Извор: Inside the Proton, the ‘Most Complicated Thing’ Imaginable | Quanta Magazine