Tri kvarta valencije protona doprinose njegovom zakretanju, ali isto tako to čine i gluoni, morski kvarkovi i antikvarkovi, te orbitalni kutni zamah. Kreditna slika: APS / Alan Stonebraker.

Zašto se proton vrti? Fizika drži iznenađujući odgovor

Dozvoljeno je dodavati okrete kvarkova, ali to nije s čime se eksperimenti slažu!

"Moramo to shvatiti kao nesreću da Zemlja (i vjerojatno cijeli Sunčev sustav) sadrži prevladavanje negativnih elektrona i pozitivnih protona. Sasvim je moguće da se za neke zvijezde radi obrnuto. ”-Paul Dirac

Možete uzeti bilo koju česticu u Svemiru i izolirati je od svega ostalog, ali postoje neka svojstva koja se nikad ne mogu oduzeti. To su unutarnja, fizička svojstva čestice - svojstva kao što su masa, naboj ili zamah - te će uvijek biti ista za bilo koju pojedinu česticu. Neke su čestice temeljne, poput elektrona, pa su i njihova masa, naboj i zamah. No ostale su čestice kompozitne čestice, poput protona. Dok je protonov naboj (od +1) nastao zbog zbroja tri kvarka koji ga čine (dva gore kvarka +2/3 i jedan donji kvark od -1/3), priča o njegovom kutnom zamahu je puno složenije. Iako je to spin = 1/2 čestica, baš kao i elektron, jednostavno dodavanje spinova tri kvarka koji to čine zajedno nije dovoljno.

Prvobitno se smatralo da tri kvarka valencije u protonu, dva prema gore i jedan prema dolje, predstavljaju spin od 1/2. Ali ta jednostavna ideja nije bila u skladu s eksperimentima. Kreditna slika: Arpad Horvath.

Dvije stvari koje pridonose momentu kutova: okretanje, koje je svojstveni moment uglova svojstveno bilo kojoj osnovnoj čestici, i orbitalni moment kutova, što dobivate od dvije ili više osnovnih čestica koje čine sastavnu česticu. (Nemojte se zavaravati: niti jedna čestica se fizički ne okreće, ali „spin“ je ime koje dajemo ovom svojstvu intrinzičnog ugaonog zamaha.) Proton ima dva kvarka i jedan kvark i oni se drže zajedno po gluonima: čestice bez masi, nabijene u boji, koje međusobno vežu tri kvarka. Svaki kvark ima zavrtnju od 1/2, pa možete jednostavno pomisliti da dok god se jedan vrti u suprotnom smjeru od ostala dva, dobit ćete protonov spin. Sve do 1980-ih, to je točno išlo standardno obrazloženje.

Struktura protona, modelirana zajedno s pratećim poljima, pokazuje da tri kvarta valencije sama ne mogu računati na protonsko okretanje, već umjesto toga predstavljaju samo njihov dio. Kreditna slika: Brookhaven National Laboratory.

S dva gornja kvarka - dvije identične čestice - u osnovnom stanju, očekivali biste da će Paulijevo načelo isključenja spriječiti da te dvije identične čestice zauzmu isto stanje, i tako bi jedna trebala biti +1/2, dok je druga -1/2. Stoga biste s razlogom imali da bi vam treći kvark (donji kvark) ukupno prišao 1/2. Ali onda su došli eksperimenti i bilo je dosta iznenađenja: kada ste razbili visokoenergetske čestice u protonu, tri kvarka unutra (gore, gore i dolje) samo su doprinijela oko 30% protonskom okretanju.

Prikazana je unutarnja struktura protona, s kvarkovima, gluonima i kvarkovim predenjem. Kreditna slika: Brookhaven National Laboratory.

Tri su dobra razloga što se ove tri komponente ne mogu sakupiti tako jednostavno.

  1. Kvarkovi nisu slobodni, već su spojeni unutar male strukture: protona. Ograničavanje objekta može pomaknuti njegovo okretanje i sva tri kvarka su vrlo ograničena.
  2. Unutra se nalaze gluoni i gluoni se okreću. Zračenje gluona može učinkovito "zasloniti" kvarkove okrete preko protona, smanjujući njegove učinke.
  3. I na kraju, postoje kvantni efekti koji delokaliziraju kvarkove, sprječavajući ih da se nalaze na točno jednom mjestu poput čestica i zahtijevaju analizu sličniju valovima. Ovi efekti također mogu umanjiti ili izmijeniti protonov ukupni okret.

Drugim riječima, nestalih 70% je stvarno.

Kako su dolazili bolji eksperimenti i teorijska izračunavanja, naše je razumijevanje protona postalo sofisticiranije, a gluoni, morski kvarkovi i orbitalne interakcije su u igri. Kreditna slika: Brookhaven National Laboratory.

Možda bi pomislili da su to samo tri kvarta valencije i da bi kvantna mehanika iz gluonskog polja mogla spontano stvoriti parove kvark / antikvark. Taj je dio istinit i daje važan doprinos protonskoj masi. Ali što se tiče protonskog zamaha protona, ti su "morski kvarkovi" zanemarivi.

Fermioni (kvarkovi i gluoni), antifermioni (antikvarkovi i antileptoni), svi centrifugi = 1/2, i bozoni (od cijelog spina) standardnog modela, svi su prikazani zajedno. Kreditna slika: E. Siegel.

Možda bi tada gluoni bili važan doprinos? Napokon, standardni model elementarnih čestica je pun fermiona (kvarkova i leptona) koji su svi spin = 1/2, i bozona poput fotona, W-i-Z i gluona, a svi su spin = 1. (Također, tu je i Higgsov, od spin = 0, a ako je kvantna gravitacija stvarna, graviton, spin = 2.) S obzirom na sve gluone unutar protona, možda su i oni važni?

Koliziranjem čestica zajedno pri visokim energijama u sofisticiranom detektoru, poput Brookhaven-ovog PHENIX detektora u RHIC-u, doveli su put do mjerenja doprinosa spinova gluona. Kreditna slika: Brookhaven National Laboratory.

Postoje dva načina da se to testira: eksperimentalno i teoretski. Sa eksperimentalnog stajališta, možete sudarati čestice duboko u protonu i mjeriti kako gluoni reagiraju. Pokazalo se da gluioni koji najviše doprinose ukupnom zamahu protona značajno doprinose protonskom momentu protona: oko 40%, s nesigurnošću od ± 10%. S boljim eksperimentalnim podešavanjima (koja bi zahtijevala novi elektronski / ionski sudarač) mogli bismo ispitivati ​​gluone u nižem momentu, postižući još veće točnosti.

Kad se dva protona sudaraju, nisu samo kvarkovi koji ih čine koji se mogu sudarati, već morski kvarkovi, gluoni i izvan toga, međudjelovanja polja. Svi mogu dati uvid u spin pojedinačnih komponenti. Kreditna slika: CERN / CMS suradnja.

Ali i teorijski proračuni su važni! Proračunska tehnika poznata kao Lattice QCD kontinuirano se poboljšava u posljednjih nekoliko desetljeća, jer se snaga superračunala eksponencijalno povećavala. Rešetkast QCD je sada dostigao točku u kojoj se može predvidjeti da je doprinos gluona protonovom spinu 50%, opet s nekoliko postotnom nesigurnošću. Ono što je najviše značajno je da izračuni pokazuju da je - uz ovaj doprinos - gluonska probir okreta kvarka neučinkovit; kvarkovi se moraju pregledati iz različitog učinka.

Kako su se s vremenom poboljšavali računska snaga i rešetkaste QCD tehnike, tako se povećava i točnost do koje se mogu izračunati različite količine protona, poput njegovih komponentnih spinovih doprinosa. Kreditna slika: Laboratoire de Physique de Clermont / ETM Suradnja.

Preostalih 20% mora poticati iz orbitalnog zamaha, gdje gluoni, pa čak i virtualni pioni okružuju tri kvarka, budući da "morski kvarkovi" imaju zanemariv doprinos, eksperimentalno i teorijski.

Proton, potpunije, sačinjavaju se od vrtljivih kvartova valencije, morskih kvarkova i antikvarkova, glinovaca koji se okreću, a koji se međusobno vrte. Odatle potječu njihovi vrti. Kreditna slika: Zhong-Bo Kang, 2012, RIKEN, Japan.

Izvanredno je i fascinantno što se i teorija i eksperiment slažu, ali najnevjerojatnije od svega je činjenica da je najjednostavnije objašnjenje protonovog zakretanja - jednostavno sabiranje tri kvarka - dao pravi odgovor iz pogrešnog razloga! Sa 70% protonskog zakretanja dolazi iz gluona i orbitalnih interakcija, a eksperimenti i izračuni rešetki QCD poboljšavaju ruku pod ruku, konačno zaključujemo zašto se proton "vrti" s točnom vrijednošću koju ima.

Starts With A Bang sa sjedištem u Forbesu, ponovno objavljen na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Naručite Ethanovu prvu knjigu, Beyond The Galaxy, i unaprijed naručite njegovu sljedeću, Treknology: The Science of Star Trek od trikraja do Warp Drive-a!