В центре каждого атома находится ядро — крошечная совокупность частиц, называемых протонами и нейтронами.
В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, которые состоят из ещё более мелких частиц — кварков, глюонов и антикварков.
(Глюоны, как и фотоны, являются собственными античастицами.
) Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть действительно элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-либо меньшего по размеру).
Но о них позже.
Удивительно, но протоны и нейтроны имеют практически одинаковую массу — с точностью до процента:
- 0,93827 ГэВ/с 2 у протона,
- 0,93957 ГэВ/с 2 у нейтрона.
Да, между ними есть одно очевидное различие: протон имеет положительный электрический заряд, а нейтрон не имеет заряда (он нейтрален, отсюда и его название).
Соответственно, электрические силы действуют на первое, а не на второе.
На первый взгляд это различие кажется очень важным! Но на самом деле это не так.
Во всех остальных смыслах протон и нейтрон — почти близнецы.
Идентична не только их масса, но и внутреннее строение.
Поскольку они очень похожи и эти частицы составляют ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.
Протоны были идентифицированы и описаны около 1920 года (хотя они были открыты раньше; ядро атома водорода представляет собой всего лишь один протон), а нейтроны были открыты около 1933 года.
Почти сразу стало понятно, что протоны и нейтроны так похожи друг на друга.
Но тот факт, что они имеют измеримый размер, сравнимый с размером ядра (по радиусу примерно в 100 000 раз меньше радиуса атома), не был известен до 1954 года.
То, что они состоят из кварков, антикварков и глюонов, постепенно стало понятно с середины 1960-х годов.
до середины 1970-х годов.
К концу 70-х и началу 80-х наше понимание протонов, нейтронов и того, из чего они состоят, в основном устоялось и с тех пор остается неизменным.
Нуклоны описать гораздо сложнее, чем атомы или ядра.
Не говори этого атомы в своей основе просты , но, по крайней мере, можно сказать, не задумываясь, что атом гелия состоит из двух электронов, вращающихся вокруг крошечного ядра гелия; а ядро гелия представляет собой довольно простую группу из двух нейтронов и двух протонов.
А вот с нуклонами все не так просто.
Я уже писал в статье " Что такое протон и что внутри него? «Атом подобен элегантному менуэту, а нуклон — дикой вечеринке.
Сложность протона и нейтрона кажется реальной и не проистекает из неполного знания физики.
У нас есть уравнения, используемые для описания кварков, антикварков и глюонов, а также сильных ядерных взаимодействий, которые происходят между ними.
Эти уравнения называются КХД, от « квантовая хромодинамика «Точность уравнений можно проверить различными способами, в том числе измерить количество частиц, образовавшихся на Большом адроном коллайдере.
Подключив уравнения КХД к компьютеру и выполнив расчеты свойств протонов, нейтронов и других подобных частиц ( под общим названием «адроны»), мы получаем предсказания свойств этих частиц, которые близко соответствуют наблюдениям, сделанным в реальном мире.
Следовательно, у нас есть основания полагать, что уравнения КХД верны и что наши знания о протоне и нейтроне верны.
на основе правильных уравнений.
Но просто иметь правильные уравнения недостаточно, потому что:
- Простые уравнения могут иметь очень сложные решения.
- Иногда невозможно описать сложные решения простым языком.
Из-за присущей нуклонам сложности вам, читателю, придется сделать выбор: много ли вы хотите знать об описанной сложности? Как бы далеко вы ни заходили, это, скорее всего, не принесет вам удовлетворения: чем больше вы узнаете, тем понятнее станет тема, но окончательный ответ останется прежним — протон и нейтрон очень сложны.
Я могу предложить вам три уровня понимания с возрастающей детализацией; вы можете остановиться после любого уровня и перейти к другим темам, а можете погрузиться до последнего.
Каждый уровень поднимает вопросы, на которые я частично смогу ответить на следующем, но новые ответы порождают новые вопросы.
В конце концов, как и в профессиональных дискуссиях с коллегами и продвинутыми студентами, я могу лишь отослать вас к данным, полученным в реальных экспериментах, к различным влиятельным теоретическим аргументам и компьютерному моделированию.
Первый уровень понимания
Из чего состоят протоны и нейтроны?
Рис.
1: чрезмерно упрощенная версия протонов, состоящая всего из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, и нейтронов, состоящая всего из двух нижних кварков и одного верхнего кварка.
Для упрощения во многих книгах, статьях и на сайтах указывается, что протоны состоят из трех кварков (два верхних и один нижний кварк) и рисуется что-то вроде рис.
1. Нейтрон тот же самый, только состоит из одного верхнего и двух нижних кварков.
Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые ученые, в основном в 1960-х годах.
Но вскоре стало ясно, что эта точка зрения была упрощена до такой степени, что уже неверна.
Из более сложных источников информации вы узнаете, что протоны состоят из трех кварков (два верхних и один нижний), скрепленных глюонами – и может возникнуть картина, подобная рис.
1. 2, где глюоны изображены как пружины или струны, удерживающие кварки.
Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними кварками.
Рис.
2: улучшение рис.
1 из-за акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне Это не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он подчеркивает важную роль сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счет глюонов (так же, как фотон, частица, составляющая свет, связан с электромагнитная сила).
Но это также сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают. Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я это сделал в другие статьи : Протон состоит из трёх кварков (два верхних и один нижний), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных).
Все они летают взад и вперед с очень большой скоростью (приближающейся к скорости света); весь этот набор удерживается вместе сильным ядерным взаимодействием.
Я продемонстрировал это на рис.
3. Нейтроны снова те же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; Кварк, изменивший свою идентичность, указан стрелкой.
Рис.
3: более реалистичное, хотя и несовершенное, представление протонов и нейтронов.
Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся взад и вперед, но также сталкиваются друг с другом и превращаются друг в друга посредством таких процессов, как аннигиляция частиц (при которых кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или порока).
наоборот) или поглощение и испускание глюона (при котором кварк и глюон могут столкнуться и произвести кварк и два глюона, или наоборот).
Что общего между этими тремя описаниями:
- Два верхних кварка и нижний кварк (плюс еще что-то) для протона.
- У нейтрона есть один верхний и два нижних кварка (плюс еще кое-что).
- «Что-то еще» нейтронов совпадает с «чем-то еще» протонов.
То есть у нуклонов есть то же самое «что-то еще».
- Небольшая разница в массе протона и нейтрона возникает из-за разницы масс нижнего и верхнего кварка.
- для топ-кварков электрический заряд равен 2/3 е (где е — заряд протона, -е — заряд электрона),
- нижние кварки имеют заряд -1/3e,
- глюоны имеют заряд 0,
- любой кварк и соответствующий ему антикварк имеют общий заряд 0 (например, антинижний кварк имеет заряд +1/3e, поэтому нижний кварк и нижний кварк будут иметь заряд –1/3 e +1/3).
е = 0),
- полный электрический заряд протона равен 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- полный электрический заряд нейтрона равен 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- сколько «чего-то еще» внутри нуклона,
- что оно там делает
- откуда берется масса и энергия массы (E = mc 2 , энергия присутствует там даже тогда, когда частица находится в покое) нуклона.
Рис.
1 говорит, что кварки по сути составляют треть нуклона — так же, как протон или нейтрон составляют четверть ядра гелия или 1/12 ядра углерода.
Если бы эта картина была верной, кварки в нуклоне двигались бы относительно медленно (со скоростями, намного меньшими, чем скорость света) при относительно слабых взаимодействиях между ними (хотя и с какой-то мощной силой, удерживающей их на месте).
Тогда масса кварка сверху и снизу была бы порядка 0,3 ГэВ/с.
2 , около трети массы протона.
Но этот простой образ и идеи, которые он навязывает, просто неверны.
Рис.
3. дает совершенно иное представление о протоне, как о котле частиц, снующих в нем со скоростями, близкими к световой.
Эти частицы сталкиваются друг с другом, и в этих столкновениях одни из них уничтожаются, а на их месте рождаются другие.
Глюоны не имеют массы, массы ап-кварков порядка 0,004 ГэВ/с.
2 , а нижние — около 0,008 ГэВ/с 2 - в сотни раз меньше протона.
Откуда берется энергия массы протона — вопрос сложный: часть ее исходит из энергии массы кварков и антикварков, часть — из энергии движения кварков, антикварков и глюонов, а часть (возможно, положительная, возможно, отрицательная) ) от энергии, запасенной в сильном ядерном взаимодействии, удерживающем вместе кварки, антикварки и глюоны.
В некотором смысле, рис.
2 пытается устранить разницу между рис.
1 и рис.
3. Это упрощает рисунок.
3, удаление многих пар кварк-антикварк, которые в принципе можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно появляются и исчезают и не являются необходимыми.
Но создается впечатление, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны вместе.
И это не объясняет, откуда взялась масса протона.
У рис.
1 есть еще один недостаток, помимо узких рамок протона и нейтрона.
Он не объясняет некоторые свойства других адронов, например, пион И ро-мезон .
Рис.
имеет те же проблемы.
2. Эти ограничения привели к тому, что я даю своим ученикам и на своем сайте картинку с рис.
3. Но хочу вас предупредить, что она также имеет множество ограничений, о которых я расскажу позже.
Стоит отметить, что чрезвычайную сложность структуры, показанной на рис.
3, можно было бы ожидать от объекта, удерживаемого вместе силой, такой мощной, как сильное ядерное взаимодействие.
И еще: три кварка (два верхних и один нижний для протона), не входящие в группу пар кварк-антикварк, часто звоню «валентные кварки», а пары кварки-антикварки – «море кварковых пар».
Такой язык во многих случаях технически удобен.
Но это создает ложное впечатление, что если бы вы могли заглянуть внутрь протона и посмотреть на конкретный кварк, вы могли бы сразу сказать, является ли он частью моря или валентной частью.
Этого сделать невозможно, такого способа просто нет.
Масса протона и масса нейтрона
Поскольку массы протона и нейтрона очень похожи и поскольку протон и нейтрон различаются только заменой верхнего кварка нижним кварком, кажется вероятным, что их массы определяются одинаковым образом и происходят из одного и того же источника., и их различие заключается в небольшой разнице между верхними и нижними кварками.
Но три фигуры выше указывают на наличие трех совершенно разных взглядов на происхождение массы протона.
Рис.
1 предполагает, что верхние и нижние кварки составляют просто 1/3 массы протона и нейтрона: около 0,313 ГэВ/с.
2 , или из-за энергии, необходимой для удержания кварков в протоне.
А поскольку разница между массами протона и нейтрона составляет доли процента, то и разница между массами верхнего и нижнего кварка также должна составлять доли процента.
Рис.
2 менее ясно.
Какая часть массы протона обусловлена глюонами? Но в принципе из рисунка следует, что большая часть массы протона все же приходится на массу кварков, как на рис.
1. Рис.
3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле возникает масса протона (что мы можем проверить непосредственно с помощью компьютерных расчетов протона и косвенно, используя другие математические методы).
Он сильно отличается от идей, представленных на рис.
1 и 2, и оказывается не таким уж простым.
Чтобы понять, как это работает, нужно мыслить не с точки зрения массы протона m, а с точки зрения его массовой энергии E = mc. 2 , энергия, связанная с массой.
Концептуально правильный вопрос не в том, «откуда берется масса протона m», после чего можно вычислить E, умножив m на c. 2 , а наоборот: «откуда берется энергия массы протона EЭ» после чего можно вычислить массу m, разделив E на c 2 .
Полезно разделить вклады в энергию массы протона на три группы: А) Эмассовая энергия (энергия покоя) содержащихся в нем кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не вносят).
Б) энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
Б) ?Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), запасенная в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающем протон.
Рис.
3 говорит, что частицы внутри протона движутся с большой скоростью и что он полон безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше, чем А).
Обычно в большинстве физических систем В) и В) оказываются сравнимыми, а В) часто отрицательны.
Таким образом, массовая энергия протона (и нейтрона) в основном возникает из комбинации B) и C), причем A) дает небольшую долю.
Поэтому массы протона и нейтрона возникают главным образом не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, генерирующими силы, удерживающие протон.
В большинстве других знакомых нам систем энергетический баланс распределяется иначе.
Например, в атомах и в Солнечной системе А) преобладает, а Б) и В) гораздо меньше и сравнимы по величине.
Подводя итог, отметим следующее:
- Рис.
1 предполагает, что энергия массы протона возникает за счет вклада А).
- Рис.
2 предполагает, что оба вклада А) и В) важны, причем вклад В) вносит небольшой вклад.
- Рис.
3 позволяет предположить, что В) и В) важны, а вклад А) оказывается незначительным.
верен.
3. Мы можем запустить компьютерное моделирование, чтобы проверить это, и, что более важно, благодаря различным убедительным теоретическим аргументам, мы знаем, что если бы массы верхнего и нижнего кварков были равны нулю (а все остальное осталось как есть), масса протона была бы равна практически ноль изменился бы.
Так что, по-видимому, массы кварков не могут вносить существенный вклад в массу протона.
Если рис.
3 не врет, массы кварка и антикварка очень малы.
Какие они на самом деле? Масса топ-кварка (как и антикварка) не превышает 0,005 ГэВ/с.
2 , что значительно меньше 0,313 ГэВ/с.
2 , что следует из рис.
1. (Масса ап-кварка трудно поддается измерению и изменяется из-за тонких эффектов, поэтому может быть значительно меньше 0,005 ГэВ/с.
2 ).
Масса даун-кварка примерно на 0,004 ГэВ/с.
2 большей массой, чем верхний.
Это означает, что масса любого кварка или антикварка не превышает одного процента массы протона.
Заметим, что это означает (вопреки рис.
1), что отношение массы нижнего кварка к массе верхнего кварка не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего кварка.
Причина, по которой массы нейтрона и протона так похожи, заключается не в том, что массы верхних и нижних кварков подобны, а в том, что массы верхних и нижних кварков очень малы – и разница между ними невелика, относительная.
массам протона и нейтрона.
Помните, что чтобы превратить протон в нейтрон, вам просто нужно заменить один из его верхних кварков нижним кварком (рис.
3).
Этой замены достаточно, чтобы нейтрон стал немного тяжелее протона и изменил его заряд с +e на 0. Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи — энергия сохраняется при любом столкновении.
Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов могут меняться, как и энергия их взаимодействия, но полная энергия протона не меняется, хотя все внутри него постоянно меняется.
Таким образом, масса протона остается постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.
На этом этапе вы можете остановиться и усвоить полученную информацию.
Удивительный! Практически вся масса, содержащаяся в обычном веществе, состоит из массы нуклонов в атомах.
И большая часть этой массы происходит от хаоса, присущего протону и нейтрону, — от энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, а также от энергии сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон во всем его состоянии.
Да: наша планета, наши тела, наше дыхание — результат такого тихого и до недавнего времени невообразимого столпотворения.
Теги: #Популярная наука #физика #нейтроны #Мэтт Страсслер #Мэтт Страсслер #Мэтт Страсслер #протоны #кварки #глюоны #глюоны #глюоны
-
8 Причин, Почему Мы Меняем Работу
19 Oct, 24 -
Так Он Растет Или Что?
19 Oct, 24
