Що таке протон у фізиці визначення. Інші докази складної структури протону

Гідрогену, елемента, який має найпростішу будову. Воно має позитивний заряд та практично необмежений час життя. Це найстабільніша частка у Всесвіті. Протони, що утворилися внаслідок Великого Вибуху, досі не розпалися. Маса протона становить 1,627*10-27 кг або 938,272 еВ. Найчастіше цю величину виражають у електронвольтах.

Протон було відкрито «батьком» ядерної фізики Ернестом Резерфордом. Він висунув гіпотезу у тому, що ядра атомів всіх хімічних елементів складаються з протонів, оскільки у масі вони перевищують ядро атома водню у кілька разів. Резерфорд поставив цікавий досвід. У ті часи вже було відкрито природну радіоактивність деяких елементів. За допомогою альфа-випромінювання (альфа-частинки являють собою ядра гелію з високими енергіями) вчений опромінював атоми азоту. Внаслідок такої взаємодії вилітала частка. Резерфорд припустив, що то протон. Подальші досліди у бульбашковій камері Вільсона підтвердили його припущення. Так у 1913 році було відкрито нову частинку, але гіпотеза Резерфорда про склад ядра виявилася неспроможною.

Відкриття нейтрону

Великий вчений знайшов помилку у своїх розрахунках і висунув гіпотезу про існування ще однієї частинки, що входить до складу ядра і має практично ту ж масу, що й протон. Експериментально він не зміг її виявити.

Це зробив у 1932 році зробив англійський вчений Джеймс Чедвік. Він поставив досвід, під час якого бомбардував атоми берилію високоенергетичними альфа-частинками. Внаслідок ядерної реакції з ядра берилію вилітала частка, згодом названа нейтроном. За своє відкриття Чедвік вже за три роки отримав Нобелівську премію.

Маса нейтрону дійсно мало відрізняється від маси протона (1,622*10-27 кг), але ця частка не має заряду. У цьому сенсі вона нейтральна і водночас здатна викликати поділ важких ядер. Через відсутність заряду нейтрон може легко пройти через високий кулоновський потенційний бар'єр та впровадитись у структуру ядра.

Протон і нейтрон мають квантові властивості (можуть виявляти властивості частинок і хвиль). Нейтронне випромінювання використовують із медичною метою. Висока проникаюча здатність дозволяє цьому випромінюванню іонізувати глибинні пухлини та інші злоякісні утворення та виявляти їх. При цьому енергія часток відносно невелика.

Нейтрон, на відміну протона, нестабільна частка. Її час життя становить близько 900 секунд. Вона розпадається на протон, електрон та електронне нейтрино.

Джерела:

Відкриття протона та нейтрону

Найчастіше у різних ситуаціях люди чують слово протон, і навіть ядро, нейтрон, електрон. Не завжди учні та навіть дорослі люди знають, звідки пішла ця назва і коли світ дізнався про такі елементи.

Пройшло багато часу перш, ніж вчені погодилися, що всі речовини складаються з молекул. Згодом навіть змогли встановити, що у своєму складі атоми. Після чого постало питання, з чого складається атом. Атом включає ядро і деяку кількість електронів, які обертаються навколо ядра.

Ядро атома водню

Резерфорд, який був одним з першовідкривачем даного розділу фізики і все своє життя працював над розвитком даного напряму, припускав, що у складі ядра будь-якого хімічного елемента знаходиться ядро водню, що зумів підтвердити за допомогою дослідів.

Ці досліди вимагали значної підготовки, і, проводячи експерименти, вчений та його учні часто приносили в жертву своє здоров'я. Досвід проводився таким чином: за допомогою альфа - відбувалося бомбардування атомів азоту. У результаті ядер атомів азоту вибивалися різні частинки, які фіксувалися на світлочутливої плівці. Через слабке свічення Резерфорду доводилося по вісім годин сидіти в кімнаті без освітлення, щоб очі краще фіксували світлові сліди.

Завдяки цим експериментам Резерфорд зміг слідами вибивання визначити, що в атомі будь-якої речовини є саме атоми водню та кисню.

Протон

Частку протон Резерфорд у 1919 році під час проведення досвіду, який довів наявність у будь-якому хімічному елементі ядра атома водню. Протон по суті є електроном, але з позитивним знаком він врівноважує кількість електронів, в такій ситуації атом називається нейтральним або незарядженим.

Назва протон походить від "протос", яке перекладається з грецької як перший. Спочатку цю частинку хотіли назвати від грецького слова «барос», що означає тяжкість. Але в результаті було прийнято рішення, що протон краще описує всі якості даного елемента. Важливо пам'ятати, що маса протона приблизно 1840 разів більше, ніж .

Нейтрон

Нейтрон також є одним із елементів атома. Цей елемент відкрив Чедвік після того, як провів серію бомбардувань над ядром атома . За такого бомбардування вилітали елементи, які ніяк не реагували на електричне поле, тому їх у результаті назвали нейтронами.

Всесвіт, який іноді називають космосом, складається з галактик, тобто зіркових систем. Сьогодні є різні гіпотези про виникнення Всесвіту, але немає жодного науково доведеного факту. Всі ці теорії будуються виходячи з припущень і розрахунків різних учених.

Інструкція

Основоположником вивчення Всесвіту став польський астроном Микола Коперник, який написав працю про геліоцентричну систему, в якій говорилося, що Земля є частиною великої. У подальші часи праці М. Коперника вдосконалювали та доповнювали інші вчені, але саме поляк зумів дати людству базові знання про космічний світоустрій.

Найбільш всебічне та повне вивчення Всесвіту почалося лише у 20 столітті. Це було з розвитком технологій у науці. На даний момент відомо, що основний хімічний елемент, що входить до складу Всесвіту, – це водень. Його обсяг становить 75% загального умовного обсягу, другою місці стоїть гелій, обсяг якого становить 23%. Решту займають незначні хімічні домішки. Довгі роки людство спостерігає за розвитком Всесвіту для того, щоб зрозуміти причини його виникнення.

У цій статті ви знайдете інформацію про протон, як елементарну частинку, що стоїть в основі світобудови поряд з іншими її елементами, що використовується в хімії та фізиці. Буде визначено властивості протона, його характеристика в хімії та стабільність.

Що таке протон

Протон - це один із представників елементарних частинок, який відносять до баріонів, е.ч. у яких ферміони сильно взаємодіють, а сама частка складається з 3-х кварків. Протон є стабільною частинкою і має особистий імпульсний момент – спін ½. Фізичне позначення протона - p(або p +)

Протон - елементарна частка, що бере участь у процесах термоядерного типу. Саме цей вид реакцій по суті - головне джерело енергії, що генерується зірками у всьому всесвіті. Практично весь обсяг енергії, що виділяється Сонцем, існує лише за рахунок об'єднання 4-х протонів в одне ядро гелієве з утворенням одного нейтрона з двох протонів.

Властивості властиві протону

Протон – це один із представників баріонів. Це факт. Заряд та маса протона – постійні величини. Електрично протон заряджений +1, а його маса визначена в різних одиницях вимірювання і становить в МеВ 938,272 0813(58), в кілограмах протона вага укладена в цифрах 1,672 621 898(21)·10 −27 кг, в одиницях атомних мас вага 1,007 276 466 879(91) а. е. м., а у співвідношенні з масою електрона, протон важить 1836,152 673 89(17) у співвідношенні з електроном.

Протон, визначення якого вже давалося вище, з погляду фізики, - це елементарна частинка, що має проекцію ізоспину + ½, а ядерна фізика сприймає цю частинку протилежним знаком. Сам протон є нуклоном, а складається з 3-х кварків (двох кварків u та одного кварку d).

Експериментально дослідив структуру протона ядерника-фізика зі Сполучених Штатів Америки - Роберта Хофштадтера. Для досягнення цієї мети фізик зіштовхував протони з електронами високих енергій, а за опис був удостоєний Нобелівської премії з фізики.

До складу протона входить керн (важка серцевина), який містить близько тридцяти п'яти відсотків енергії електричного заряду протона і має досить велику щільність. Оболонка навколишня керн відносно розряджена. Складається оболонка в основному з віртуальних мезонів типу p і несе в собі близько п'ятдесяти відсотків електричного потенціалу протона і знаходиться на відстані, що дорівнює приблизно від 0.25 * 10 13 до 1,4 * 10 13 . Ще далі, на відстані близько 2,5 * 10 13 сантиметрів оболонка складається з і w віртуальних мезонів і містить в собі п'ятнадцять відсотків електричного заряду протона, що приблизно залишилися.

Стійкість та стабільність протона

У вільному стані протон не виявляє жодних ознак розпаду, що свідчить про його стабільність. Стабільний стан протона, як найлегшого представника баріонів, обумовлений законом збереження числа баріонів. Не порушуючи закон СБЧ, протони здатні розпадатися на нейтрино, позитрон та інші, легші елементарні частки.

Протон ядра атомів може захоплювати деякі види електронів, мають K, L, M атомні оболонки. Протон, здійснивши електронне захоплення, переходить у нейтрон і в результаті виділяє нейтрино, а «діра», що утворилася в результаті електронного захоплення, заповнюється за рахунок електронів понад атомних шарів, що лежать.

У системах неінерційного відліку протони повинні набувати обмеженого часу життя, який можливо розрахувати, це обумовлено ефектом (випромінювання) Унру, який у квантовій теорії поля передбачає можливе споглядання теплового випромінювання в системі відліку, яка прискорюється за умови відсутності цього виду випромінювання. Таким чином, протон за наявності кінцевого часу свого існування може піддаватися бета-розпаду в позитрон, нейтрон або нейтрино, незважаючи на те, що процес такого розпаду заборонений ЗСЕ.

Використання протонів у хімії

Протон - це атом H, побудований з єдиного протона і не має електрона, так що в хімічному розумінні, протон - це одне ядро атома H. Нейтрон на пару з протоном створюють ядро атома. У ПТХЕ Дмитра Івановича Менделєєва номер елемента вказує кількість протонів в атомі конкретного елемента, а визначається номер елемента атомним зарядом.

Катіони водню є дуже сильними електронними акцепторами. У хімії протони отримують переважно з кислот органічної та мінеральної природи. Іонізація є способом отримання протонів у газових фазах.

ВИЗНАЧЕННЯ

Протономназивають стабільну частинку, що належить класу адронів, яка є ядром атома водню.

Вчені розходяться на думці, яку і наукові події вважати відкриттям протона. Важливу роль у відкритті протона відіграли:

створення Е. Резерфордом планетарної моделі атома;
відкриття ізотопів Ф. Содді, Дж. Томсон, Ф. Астоном;
спостереження за поведінкою ядер атомів водню при вибиванні їх альфа-частинками з ядер азоту Е. Резерфорд.

Перші фотографії слідів протона було отримано П. Блекеттом у камері Вільсона щодо процесів штучного перетворення елементів. Блекет досліджував процес захоплення альфа частинок ядрами азоту. У цьому процесі випускався протон і ядро азоту перетворювалося на ізотоп кисню.

Протони разом із нейтронами входять до складу ядер всіх хімічних елементів. Кількість протонів у ядрі визначає атомний номер елемента у періодичній системі Д.І. Менделєєва.

Протон – це позитивно заряджена частка. Її заряд дорівнює модулю елементарному заряду, тобто величині заряду електрона. Заряд протона часто позначають як , тоді можна записати, що:

В даний час вважають, що протон не є елементарною частинкою. Він має складну структуру і складається з двох u-кварків та одного d-кварка. Електричний заряд u - кварка () позитивний і він дорівнює

Електричний заряд d - кварка () негативний і дорівнює:

Кварки пов'язують обмін глюонами, які є квантами поля, вони переносять сильну взаємодію. Те, що протони мають у своїй структурі кілька точкових центрів розсіювання, підтверджено експериментами з розсіювання електронів на протонах.

Протон має кінцеві розміри, про які вчені й досі сперечаються. В даний час протон представляють як хмару, яка має розмитий кордон. Така межа складається з постійно виникаючих та анігілюючих віртуальних частинок. Але в більшості простих завдань протон, звичайно, можна вважати точковим зарядом. Маса спокою протона () приблизно дорівнює:

Маса протона у 1836 разів більша, ніж маса електрона.

Протони беруть участь у всіх фундаментальних взаємодіях: сильні взаємодії поєднують протони та нейтрони в ядра, електрони та протони за допомогою електромагнітних взаємодій з'єднуються в атомах. Як слабку взаємодію можна навести, наприклад, бета-розпад нейтрону (n):

де p – протон; - Електрон; - Антинейтрино.

Розпад протона отриманий поки що не був. Це є одним із важливих сучасних завдань фізики, оскільки це відкриття стало б суттєвим кроком у розумінні єдності сил природи.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання

Ядра атома натрію бомбардують протонами. Якою є сила електростатичного відштовхування протона від ядра атома, якщо протон знаходиться на відстані

м. Вважайте, що заряд ядра атома натрію в 11 разів більший за заряд протона. Вплив електронної оболонки атома натрію не можна читати.

Рішення

За основу розв'язання задачі ухвалимо закон Кулона, який можна для нашого завдання (вважаючи частки точковими) записати так:

де F – сила електростатичної взаємодії заряджених частинок; Кл - заряд протона; - Заряд ядра атома натрію; - діелектрична проникність вакууму; - Електрична постійна. Використовуючи наявні дані можна провести обчислення шуканої сили відштовхування:

Відповідь

ПРИКЛАД 2

Завдання

Розглядаючи найпростішу модель атома водню, вважають, що електрон рухається круговою орбітою навколо протона (ядра атома водню). Чому дорівнює швидкість руху електрона, якщо радіус його орбіти дорівнює м?

Рішення

Розглянемо сили (рис.1), які діють на електрон, що рухається по колу. Це сила тяжіння з боку протону. За законом Кулона ми запишемо, що її величина дорівнює ():

де = - Заряд електрона; - Заряд протона; - Електрична постійна. Сила тяжіння меду електроном та протоном у будь-якій точці орбіти електрона спрямована від електрона до протону по радіусу кола.

Протон (елементарна частка)

Польова теорія елементарних частинок, діючи в рамках НАУКИ, спирається на перевірений фізичний фундамент:

Класичну електродинаміку,
Квантову механіку (без віртуальних частинок, що суперечать закону збереження енергії),
Закони збереження – фундаментальні закони фізики.

У цьому принципова відмінність наукового підходу, використаного польовою теорією елементарних частинок - справжня теорія має суворо діяти у межах законів природи: у цьому полягає НАУКА.

Використовувати не існуючі в природі елементарні частинки, вигадувати фундаментальні взаємодії, що не існують у природі, або підміняти існуючі в природі взаємодії казковими, ігнорувати закони природи, займаючись математичними маніпуляціями над ними (створюючи видимість науки) - це доля КАЗОК, що видаються за науку. У результаті фізика скочувалась у світ математичних казок. Казкові персонажі Стандартної моделі (кварки з глюонами) разом із казковими гравітонами та казками "Квантової теорії" вже проникли в підручники фізики - і вводять в оману дітей, видаючи математичні казки за дійсність. Прихильники чесної Нової фізики намагалися протистояти цьому, але сили були не рівні. І так було до 2010 року до появи польової теорії елементарних частинок, коли боротьба за відродження ФІЗИКИ-НАУКИ перейшла на рівень відкритого протистояння справжньої наукової теорії з математичними казками, що захопили владу у фізиці мікросвіту (та й не лише).

Але про досягнення Нової фізики людство не дізналося б, без інтернету, пошукових систем і можливості вільно говорити правду на сторінках сайту. Щодо видань, які заробляють на науці, то хто їх сьогодні читає за гроші, коли є можливість швидко та вільно отримати необхідну інформацію в інтернеті.

1 Протон – це елементарна частка
2 Коли фізика залишалася наукою
3 Протон у фізиці
4 Радіус протона
5 Магнітний момент протону
6 Електричне поле протону

Ернест Резерфорд у 1919 році, опромінюючи альфа-частинками ядра азоту, спостерігав утворення ядер водню. Частку Резерфорд, що утворилася в результаті зіткнення, назвав протоном. Перші фотографії слідів протона в камері Вільсона були отримані в 1925 Патріком Блекеттом. Але самі іони водню (чим і є протони) були відомі набагато раніше дослідів Резерфорда.
Сьогодні, в 21 столітті, фізика може сказати про протони значно більше.

1 Протон це елементарна частка

Уявлення фізики про структуру протона змінювалися, з розвитком фізики.
Спочатку фізика вважала протон елементарною частинкою, і так було до 1964 року, коли Геллман і Цвейг незалежно запропонували гіпотезу кварків.

Спочатку, кваркова модель адронів обмежувалася лише трьома гіпотетичними кварками та його античастинками. Це дозволяло правильно описати спектр відомих на той момент елементарних частинок, без урахування лептонів, які не вписалися в пропоновану модель і тому визнавалися елементарними нарівні з кварками. Платою за це стало введення, які не існують у природі, дробових електричних зарядів. Потім, з розвитком фізики та надходження нових експериментальних даних, кваркова модель поступово розросталася, трансформувалася, у результаті перетворившись на Стандартну модель.

Фізики ретельно зайнялися пошуками нових гіпотетичних частинок. Пошуки кварків велися в космічних променях, у природі (оскільки їхній дробовий електричний заряд неможливо компенсувати) і на прискорювачах.
Йшли десятиліття, зростала потужність прискорювачів, а результат пошуків гіпотетичних кварків завжди був один: кварки НЕ знайдені у природі.

Бачачи перспективу загибелі кваркової (а потім Стандартної) моделі, її прихильники написали і підсунули людству казочку про те, що в деяких експериментах спостерігаються сліди кварків. - Перевірити цю інформацію неможливо – експериментальні дані обробляються за допомогою Стандартної моделі, а вона завжди видасть щось за те, що їй потрібне. Історія фізики знає приклади, коли замість однієї частки підсовували іншу - останньою такою маніпуляцією експериментальними даними стало підсовування векторного мезону як казковий бозон Хіггса, який нібито відповідає за масу частинок, але при цьому не створює їх гравітаційне поле. За цю математичну казку навіть дали Нобелівську премію з фізики. У нашому випадку як казкові кварки підсунули стоячі хвилі змінного електромагнітного поля, про яке писали хвильові теорії елементарних частинок.

Коли трон під стандартною моделлю знову захитався, її прихильники написали і підсунули людству нову казочку для найменших, під назвою "Конфайнмент". Будь-яка мисляча людина відразу побачить у ній знущання над законом збереження енергії – фундаментальним законом природи. Але прихильники Стандартної моделі не бажають бачити ДІЙСНІСТЬ.

2 Коли фізика залишалася наукою

Коли фізика залишалася наукою у ній істина визначалася не думкою більшості - а експериментом. У цьому принципова відмінність фізики-науки від математичних казок, що видаються за фізику.
Усі експерименти з пошуку гіпотетичних кварків(крім, звичайно, підсовування своїх вірувань, під виглядом експериментальних даних) однозначно показали: кварків у природі НІ.

Тепер прихильники Стандартної моделі намагаються підмінити результат всіх експериментів, що став вироком для Стандартної моделі, своєю колективною думкою, видаючи його за дійсність. Але скільки казці не витися, а кінець все одно буде. Питання тільки, який це буде кінець: прихильники Стандартної моделі виявлять розум, мужність і змінять свої позиції слідом за одноголосним вердиктом експериментів (а точніше вердиктом ПРИРОДИ), або їх відправить в історію під загальний сміх Нова фізика - фізика 21 століття, як казкарів, які спробували надути все людство. Вибір їх.

Тепер про протон.

3 Протон у фізиці

Протон – елементарна часткаквантове число L=3/2 (спін = 1/2) – група баріонів, підгрупа протона, електричний заряд +e (систематизація за польовою теорією елементарних частинок).
Відповідно до польової теорії елементарних частинок (теорії - побудованої на науковому фундаменті і єдиної, що отримала правильний спектр всіх елементарних частинок), протон складається з поляризованого змінного електромагнітного поля, що обертається, з постійною складовою. Всі голослівні твердження Стандартної моделі про те, що протон нібито складається з кварків, не мають нічого спільного з дійсністю. - Фізика експериментально довела, що протон має електромагнітні поля, і ще гравітаційне поле. Про те, що елементарні частинки не просто мають - а складаються з електромагнітних полів, фізика геніально здогадалася ще 100 років тому, але побудувати теорію ніяк не вдавалося до 2010 року. Тепер у 2015 році з'явилася ще й теорія гравітації елементарних частинок, яка встановила електромагнітну природу гравітації та здобула рівняння гравітаційного поля елементарних частинок, відмінні від рівнянь гравітації, на підставі яких була побудована не одна математична казка у фізиці.

В даний момент, польова теорія елементарних частинок (на відміну від Стандартної моделі) не суперечить експериментальним даним про будову та спектр елементарних частинок і тому може розглядатися фізикою як працююча в природі теорії.

Структура електромагнітного поля протону(E-постійне електричне поле, H-постійне магнітне поле, жовтим кольором відзначено змінне електромагнітне поле)
Енергетичний баланс (відсоток від усієї внутрішньої енергії):

постійне електричне поле (E) – 0,346%,
постійне магнітне поле (H) – 7,44%,
змінне електромагнітне поле – 92,21%.

Звідси випливає, що з протона m 0~ =0.9221m 0 і близько 8 відсотків його зосереджено в постійних електричному і магнітному полях. Співвідношення між енергією зосередженої в постійному магнітному полі протона та енергії зосередженої в постійному електричному полі дорівнює 21,48. Цим пояснюється наявність у протона ядерних сил.

Електричне поле протона складається з двох областей: зовнішньої з позитивним зарядом і внутрішньої з негативним зарядом. Різниця зарядів зовнішньої та внутрішньої областей визначає сумарний електричний заряд протона +e. В основі його квантування лежать геометрія та будова елементарних частинок.

А так виглядають фундаментальні взаємодії елементарних частинок, які дійсно існують у природі:

4 Радіус протона

Польова теорія елементарних частинок визначає радіус (r) частинки як відстань від центру до точки, в якій досягається максимум щільності маси.

Для протона це буде 3,4212 ∙10 -16 м. До цього треба додати ще товщину шару електромагнітного поля, вийде радіус області простору, яку займає протон:

Для протона це буде 4,5616 ∙10 -16 м. Таким чином, зовнішня межа протона знаходиться від центру частинки на відстані 4,5616 ∙10 -16 м. Невелика частина маси, зосереджена у постійному електричному та постійному магнітному полі протона, відповідно із законами електродинаміки, перебуває поза даного радіусу.

5 Магнітний момент протону

На противагу квантової теорії, польова теорія елементарних частинок стверджує, що магнітні поля елементарних частинок не створюються спіновим обертанням електричних зарядів, а існують одночасно з постійним електричним полем як постійна складова електромагнітного поля. Тому постійні магнітні поля є у всіх елементарних частинок з квантовим числом L>0.
Польова теорія елементарних частинок не вважає магнітний момент протона аномальним - його величина визначається набором квантових чисел тією мірою, як квантова механіка працює в елементарній частинці.
Так основний магнітний момент протона створюється двома струмами:

(+) з магнітним моментом +2 (eħ/m 0 c)
(-) з магнітним моментом -0,5 (eħ/m 0 c)

Для отримання результуючого магнітного моменту протона треба скласти обидва моменти, помножити на відсоток енергії, що міститься в хвильовому змінному електромагнітному полі протона (розділений на 100%) і додати спинову складову (див. Польова теорія елементарних частинок. Частина 2, розділ 3.2), в результаті отримаємо 1,3964237 eh/m 0p с. Для того щоб перевести в звичайні ядерні магнетони треба отримане число помножити на два - у результаті маємо 2,7928474.

Коли фізика передбачала, що магнітні моменти елементарних частинок створюються спиновим обертанням їх електричного заряду, їхнього вимірювання було запропоновано відповідні одиниці: для протона - це eh/2m 0p c (згадаємо, що величина спина протона дорівнює 1/2) названа ядерним магнетоном. Тепер 1/2 можна було б і опустити, як не несучу смислового навантаження, і залишити просто eh/m 0p c.

А якщо серйозно, то всередині елементарних частинок немає електричних струмів, але є магнітні поля (і немає електричних зарядів, але є електричні поля). Неможливо замінити справжні магнітні поля елементарних частинок, магнітні поля струмів (як і справжні електричні поля елементарних частинок, поля електричних зарядів), без втрати точності - ці поля мають різну природу. Тут якась інша електродинаміка - Електродинаміка Фізики Поля, яку ще належить створити, як і саму Фізику Поля.

6 Електричне поле протону

6.1 Електричне поле протона у дальній зоні

Знання фізики про структуру електричного поля протона змінювалися з розвитком фізики. Спочатку вважалося, що електричне поле протона є полем точкового електричного заряду +e. Для цього поля будуть:
потенціалелектричного поля протона в точці (А) у дальній зоні (r > > r p) точно, в системі СІ дорівнює:

напруженість E електричного поля протона у дальній зоні (r > > r p) точно, у системі СІ дорівнює:

де n = r/|r| - одиничний вектор із центру протона в напрямку точки спостереження (А), r - відстань від центру протона до точки спостереження, e - елементарний електричний заряд, жирним шрифтом виділено вектора, ε 0 - електрична постійна, r p =Lħ/(m 0~ c ) - радіус протона в польовій теорії, L - головне квантове число протона в польовій теорії, ħ - постійна Планка, m 0~ - величина маси укладеної в змінному електромагнітному полі протона, C - швидкість світла. (У системі СГС відсутній множник Множник СІ.)

Дані математичні вирази правильні для дальньої зони електричного поля протона: r p , але фізика тоді передбачала, що й вірність поширюється й у ближній зоні, до відстаней близько 10 -14 див.

6.2 Електричні заряди протону

У першій половині 20 століття фізика вважала, що протон має тільки один електричний заряд і він дорівнює +e.

Після появи гіпотези кварків, фізика припустила, що всередині протона є не один, а три електричні заряди: два електричні заряди +2e/3 і один електричний заряд -e/3. У сумі ці заряди дають e. Це було зроблено, оскільки фізика припустила, що протон має складну структуру і складається з двох u-кварків із зарядом +2e/3 та одного d-кварка із зарядом -e/3. Але кварки були знайдено ні з природі, ні з прискорювачах ні з яких енергіях і залишалося або прийняти їх існування віру (що зробили прибічники Стандартної моделі), або шукати іншу структуру елементарних частинок. Але разом з цим у фізиці постійно накопичувалася експериментальна інформація про елементарні частки і коли її накопичилося достатньо для переосмислення зробленого, на світ з'явилася польова теорія елементарних частинок.

Відповідно до польової теорії елементарних частинок, постійне електричне поле елементарних частинок з квантовим числом L>0 як заряджених, так і нейтральних, створюється постійною компонентою електромагнітного поля відповідної елементарної частинки(Не електричний заряд є першопричиною електричного поля, як фізика вважала у 19 столітті, а електричні поля елементарних частинок такі, що вони відповідають полям електричних зарядів). А поле електричного заряду виникає внаслідок наявності асиметрії між зовнішньою та внутрішньою напівсферами, що генерують електричні поля протилежних знаків. Для заряджених елементарних частинок у дальній зоні генерується поле елементарного електричного заряду, а знак електричного заряду визначається знаком електричного поля, що генерується зовнішньою напівсферою. У ближній зоні дане поле має складну структуру і є дипольним, але дипольним моментом воно не має. Для наближеного опису даного поля як системи точкових зарядів потрібно не менше 6 "кварків" усередині протона - буде точніше, якщо взяти 8 "кварків". Зрозуміло, що електричні заряди таких "кварків" будуть зовсім іншими, ніж вважає стандартна модель (зі своїми кварками).

Польова теорія елементарних частинок встановила, що у протона, як і будь-якої іншої позитивно зарядженої елементарної частинки, можна виділити два електричні заряди і відповідно два електричні радіуси:

електричний радіус зовнішнього постійного електричного поля (заряду q + =+1.25e) - r q+ = 4.39 10 -14 см,
електричний радіус внутрішнього постійного електричного поля (заряду q - = -0.25e) - r q - = 2.45 10 -14 см.

Дані характеристики електричного поля протона відповідають розподілу 1 польової теорії елементарних частинок. Фізика поки що експериментально не встановила точність даного розподілу і який розподіл найбільш точно відповідає реальній структурі постійного електричного поля протона в ближній зоні, так само як і структуру електричного поля протона в ближній зоні (на відстанях порядку r p). Як бачите, електричні заряди близькі за величиною до зарядів передбачуваних кварків (+4/3e=+1.333e та -1/3e=-0.333e) у протоні, але на відміну від кварків, електромагнітні поля в природі існують, та аналогічною структурою постійного електричного поля має будь-яка позитивно заряджена елементарна частка, незалежно від величини спина та... .

Величини електричних радіусів для кожної елементарної частинки унікальні і визначаються головним квантовим числом у польовій теорії L, величиною маси спокою, відсотком енергії укладеної в змінному електромагнітному полі (де працює квантова механіка) та структурою постійної складової електромагнітного поля елементарної частинки (однаковою для всіх елементарних частинок з заданим основним квантовим числом L), що генерує зовнішнє постійне електричне поле. Електричний радіус показує середнє розташування рівномірно розподіленого по колу електричного заряду, що створює аналогічне електричне поле. Обидва електричні заряди лежать в одній площині (площині обертання змінного електромагнітного поля елементарної частинки) і мають загальний центр, що збігається з центром обертання змінного електромагнітного поля елементарної частинки.

6.3 Електричне поле протону у ближній зоні

Знаючи величини електричних зарядів усередині елементарної частинки та їх місцезнаходження, можна визначити і створюване ними електричне поле.

електричного поля протона в ближній зоні (r~r p), у системі СІ, як векторна сума, приблизно дорівнює:

Де n+ = r +/ | R + | - одиничний вектор із ближньої (1) або дальньої (2) точки заряду протону q + у напрямку точки спостереження (А), n - = r -/ | r - | - одиничний вектор із ближньої (1) або дальньої (2) точки заряду протона q - у напрямку точки спостереження (А), r - відстань від центру протона до проекції точки спостереження на площину протона, q + - зовнішній електричний заряд +1.25e, q - - внутрішній електричний заряд -0.25e, жирним шрифтом виділено вектор, ε 0 - електрична постійна, z - висота точки спостереження (А) (відстань від точки спостереження до площини протона), r 0 - нормувальний параметр. (У системі СГС відсутній множник Множник СІ.)

Даний математичний вираз є сумою векторів і її треба обчислювати за правилами складання векторів, оскільки це поле двох розподілених електричних зарядів (+1.25e та -0.25e). Перший і третій доданок відповідають ближнім точкам зарядів, другий і четвертий - дальнім. Даний математичний вираз не працює у внутрішній (кільцевій) області протона, що генерує його постійні поля (при одночасному виконанні двох умов: ħ/m 0~ c
Потенціал електричного поляпротона в точці (А) у ближній зоні (r~r p), в системі СІ приблизно дорівнює:

Де r 0 - нормувальний параметр, величина якого може відрізнятися від r 0 у формулі E. (У системі СГС відсутня множник Множник СІ .) Даний математичний вираз не працює у внутрішній (кільцевій) області протона, що генерує його постійні поля (при одночасному виконанні двох умов: ħ/m 0~ c
Калібрування r 0 для обох виразів ближньої зони необхідно проводити на межі області, що генерує постійні поля протона.

7 Маса спокою протону

Відповідно до класичної електродинаміки та формули Ейнштейна, маса спокою елементарних частинок з квантовим числом L>0, у тому числі і протона, визначається як еквівалент енергії їх електромагнітних полів:

де певний інтеграл береться по всьому електромагнітному полю елементарної частинки, E – напруженість електричного поля, H – напруженість магнітного поля. Тут ураховуються всі компоненти електромагнітного поля: постійне електричне поле, постійне магнітне поле, змінне електромагнітне поле. Ця маленька, але дуже ємна для фізики формула, на підставі якої отримано рівняння гравітаційного поля елементарних частинок, відправить в брухт не одну казкову "теорію" - тому її зненавидять деякі їхні автори.

Як випливає з наведеної формули, величина маси спокою протону залежить від умов, у яких протон знаходиться. Так помістивши протон у постійне зовнішнє електричне поле (наприклад, атомне ядро), ми вплинемо на E 2 , що відіб'ється на масі протона та його стабільності. Аналогічна ситуація виникне при поміщенні протона у постійне магнітне поле. Тому деякі властивості протона всередині атомного ядра, від тих самих властивостей вільного протона у вакуумі, далеко від полів.

8 Час життя протона

Встановлений фізикою час життя протона відповідає вільному протону.

Польова теорія елементарних частинок стверджує, що час життя елементарної частки залежить від умов, у яких вона знаходиться. Помістивши протон у зовнішнє поле (наприклад, електричне), ми змінюємо енергію, що міститься в його електромагнітному полі. Можна вибрати знак зовнішнього поля, щоб внутрішня енергія протона збільшилася. Можна підібрати таку величину напруженості зовнішнього поля, що стане можливим розпад протона в позитрон нейтрон і електронне нейтрино і отже протон стане нестабільним. Саме це спостерігається в атомних ядрах, у них електричне поле сусідніх протонів запускає розпад протону ядра. При внесенні до ядра додаткової енергії розпади протонів можуть розпочатися за меншої напруженості зовнішнього поля.

Одна цікава особливість: під час розпаду протона в атомному ядрі, в електромагнітному полі ядра з енергії електромагнітного поля народжується позитрон - з "речовини" (протон) народжується "антиречовина" (позитрон)! і це нікого не дивує.

9 Правда про Стандартну модель

А тепер познайомимося з інформацією, яку прихильники Стандартної моделі не допустять до публікації на "політ-коректних" сайтах, (таких як світова Вікіпедія), на яких противники Нової фізики можуть безжально видаляти (або спотворювати) інформацію прихильників Нової фізики, внаслідок чого ПРАВДА впала жертвою політики:

У 1964 році Геллман і Цвейг незалежно запропонували гіпотезу існування кварків, з яких, на їхню думку, складаються адрони. Нові частки були наділені дробовим електричним зарядом, що не існує в природі.
Лептони в цю кваркову модель, яка згодом переросла в стандартну модель, не вписалися - тому були визнані елементарними частинками.
Щоб пояснити зв'язок кварків у адроне, було припущено існування у природі сильної взаємодії та її переносників - глюонов. Глюони, як і належить у Квантовій теорії, наділили одиничним спином, тотожності частки та античастинки та нульовою величиною маси спокою, як у фотона.
Насправді, у природі існує не сильна взаємодія гіпотетичних кварків, а ядерні сили нуклонів – і це різні поняття.

Минуло 50 років. Кварки так і не були знайдені в природі і нам склали нову математичну казку під назвою "Конфайнмент". Мисляча людина легко побачить у ній відверте ігнорування фундаментального закону природи - закону збереження енергії. Але це зробить мисляча людина, а казкарі отримали їхнє виправдання.

Глюони також не знайшли в природі. Справа в тому, що одиничним спином можуть мати в природі тільки векторні мезони (і ще один зі збуджених станів мезонів), але у кожного векторного мезону є античастка. - Тому векторні мезони на кандидати в "глюони" ніяк не підходять. Залишається дев'ятка перших збуджених станів мезонів, але два з них суперечать самій Стандартній моделі та їх існування в природі Стандартна модель не визнає, а решта непогано вивчена фізикою, і видати їх за казкові глюони не вийде. Є ще останній варіант: видати за глюон пов'язаний стан із пари лептонів (мюонів або тау-лептонів) – але й це при розпаді можна обчислити.

Так що, глюонів у природі також немає, як немає в природі кварків та вигаданої сильної взаємодії.
Ви вважаєте, що прихильники Стандартної моделі цього не розуміють - ще як розуміють, ось тільки нудно визнати хибність того, чим займався десятиліттями. А тому ми бачимо нові математичні казки (теорію струн і т.д.).

10 Нова фізика: Протон - підсумок

Я не став в основній частині статті докладно говорити про казкові кварки (з казковими глюонами), оскільки їх у природі НІ і нема чого забивати голову казками (без необхідності) - а без основних елементів фундаменту: кварків з глюонами впала стандартна модель - час її панування в фізики ЗАВЕРШИЛОСЯ (див. Стандартна модель).

Можна як завгодно довго не помічати місця електромагнетизму в природі (зустрічаючись з ним на кожному кроці: світло, теплове випромінювання, електрика, телебачення, радіо, телефонний зв'язок, у тому числі стільниковий, інтернет, без якого людство не дізналося б про існування польової теорії елементарних частинок, ...), і продовжувати складати нові казочки замість збанкрутілих, видаючи їх за науку; можна із завзятістю, гідною кращого застосування, продовжувати повторювати завчені КАЗКИ Стандартної моделі та Квантової теорії; Але електромагнітні поля в природі були, є, будуть і чудово обходяться без казкових віртуальних частинок, втім як і гравітація, що створюється електромагнітними полями, а ось у казок є час народження і час, коли вони перестають впливати на людей. Щодо природи, то їй НЕМАЄ жодної справи до казок, і будь-якої іншої літературної діяльності людини, навіть якщо за них присуджується Нобелівська премія з фізики. Природа влаштована так, як вона влаштована, а завдання ФІЗИКИ НАУКИ зрозуміти і описати це.

Тепер перед Вами відкрився новий світ – світ дипольних полів, про існування яких фізика 20 століття і не підозрювала. Ви побачили, що протон має не один, а два електричні заряди (зовнішній і внутрішній) і відповідні їм два електричні радіуси. Ви побачили, з чого складається маса спокою протона і що уявний бозон Хіггса виявився без справ (рішення Нобелівського комітету - це ще не закони природи...). Більше того, величина маси та час життя залежать від полів, у яких знаходиться протон. З того, що вільний протон стабільний, ще не випливає, що він залишатиметься стабільним завжди і скрізь (розпади протону спостерігаються в атомних ядрах). Все це виходить за рамки уявлень, що панували у фізиці другої половини ХХ століття. - Нова фізика переходить на новий рівень пізнання матерії., а на нас чекають нові цікаві відкриття.

Володимир Горунович

Вивчаючи будову речовини, фізики дізналися, з чого зроблені атоми, дісталися атомного ядра і розщепили його на протони та нейтрони. Всі ці кроки давалися досить легко – треба було лише розігнати частинки до потрібної енергії, зіштовхнути їх один з одним, і тоді вони самі розвалювалися на складові.

А ось з протонами та нейтронами такий трюк уже не пройшов. Хоча вони і є складовими частинками, їх не вдається «розламати на частини» в жодному навіть найсильнішому зіткненні. Тому фізикам були потрібні десятиліття для того, щоб придумати різні способи заглянути всередину протона, побачити його пристрій і форму. В наші дні вивчення структури протона – одна з найактивніших областей фізики елементарних частинок.

Природа дає натяки

Історія вивчення структури протонів та нейтронів бере свій початок із 1930-х років. Коли на додаток до протонів були відкриті нейтрони (1932), то, вимірявши їхню масу, фізики з подивом виявили, що вона дуже близька до маси протона. Більше того, виявилося, що протони та нейтрони «відчують» ядерну взаємодію абсолютно однаковим чином. Настільки однаковим, що, з погляду ядерних сил, протон і нейтрон можна вважати хіба що двома проявами однієї й тієї частини - нуклону: протон - це електрично заряджений нуклон, а нейтрон - нейтральний нуклон. Поміняйте протони на нейтрони – і ядерні сили (майже) нічого не помітять.

Фізики цю властивість природи виражають як симетрію - ядерну взаємодію симетрично щодо заміни протонів на нейтрони, подібно до того як метелик симетричний щодо заміни лівого на праве. Ця симетрія, крім того що вона відіграла важливу роль у ядерній фізиці, була насправді першим натяком на те, що нуклони мають цікаву внутрішню будову. Щоправда, тоді, у 30-х роках, фізики цей натяк не усвідомили.

Розуміння прийшло пізніше. Почалося з того, що в 1940-50-ті роки в реакціях зіткнення протонів з ядрами різних елементів вчені з подивом виявляли нові частки. Чи не протони, не нейтрони, не відкриті на той час пі-мезони, які утримують нуклони в ядрах, а якісь зовсім нові частки. При всьому своєму розмаїтті ці нові частинки мали дві спільні властивості. По-перше, вони, як і нуклони, дуже охоче брали участь у ядерних взаємодіях - нині такі частки називають адронами. А по-друге, вони були винятково нестабільними. Найнестійкіші з них розпадалися на інші частинки всього за трильйонну частку наносекунди, не встигнувши пролетіти навіть на розмір атомного ядра!

Довгий час «зоопарк» адронів являв собою повну мішанину. Наприкінці 1950-х років фізики дізналися вже багато різних видів адронів, почали порівнювати їх один з одним і раптом побачили якусь загальну симетричність, навіть періодичність їх властивостей. Було висловлено здогад, що у всіх адронів (зокрема і нуклонів) сидять деякі прості об'єкти, які отримали назву «кварки». Комбінуючи кварки у різний спосіб, можна отримувати різні адрони, причому саме такого типу і з такими властивостями, які виявлялися в експерименті.

Що робить протон протоном?

Після того, як фізики відкрили кварковий пристрій адронів і дізналися, що кварки бувають декількох різних сортів, стало зрозуміло, що з кварків можна сконструювати багато різних частинок. Тож уже нікого не дивувало, коли наступні експерименти продовжували один за одним знаходити нові адрони. Але серед усіх адронів виявилося ціле сімейство частинок, що складаються, так само як і протон, тільки з двох u-кварків та одного d-Кварювання. Такі собі «побратими» протона. І ось тут фізиків чатував на сюрприз.

Давайте спочатку зробимо одне просте спостереження. Якщо у нас є кілька предметів, що складаються з однакових «цеглинок», то важчі предмети містять більше «цеглинок», а легші – менше. Це дуже природний принцип, який можна називати принципом комбінування або принципом надбудови, і він чудово виконується як у повсякденному житті, так і у фізиці. Він проявляється навіть у пристрої атомних ядер - адже важчі ядра просто складаються з більшої кількості протонів і нейтронів.

Однак на рівні кварків цей принцип зовсім не працює, і, слід зізнатися, фізики ще не до кінця розібралися чому. Виявляється, важкі побратими протона теж складаються з тих же кварків, що й протон, хоча вони в півтора, а то й удвічі важчі за протон. Вони відрізняються від протона (і різняться між собою) не складом,а взаємним розташуваннямкварків, тим, у якому стані щодо один одного ці кварки знаходяться. Достатньо змінити взаємне становище кварків - і ми з протона отримаємо іншу, помітно важчу частинку.

А що буде, якщо все-таки взяти та зібрати разом більше трьох кварків? Чи вийде нова важка частка? Дивно, але не вийде - кварки розіб'ються по троє і перетворяться на кілька розрізнених частинок. Чомусь природа «не любить» поєднувати багато кварків в одне ціле! Лише зовсім недавно, буквально в останні роки, почали з'являтися натяки на те, що деякі багатокваркові частки все ж таки існують, але це лише підкреслює, наскільки природа їх не любить.

З цієї комбінаторики випливає дуже важливий і глибокий висновок – маса адронів зовсім не складається з маси кварків. Але якщо масу адрону можна збільшити або зменшити простим перекомбінуванням цегли, що складають його, значить, зовсім не самі кварки відповідальні за масу адронів. І справді, у наступних експериментах вдалося дізнатися, що маса самих кварків становить лише близько двох відсотків від маси протона, а решта тяжкості виникає за рахунок силового поля (йому відповідають спеціальні частинки - глюони), що зв'язує кварки разом. Змінюючи взаємне розташування кварків, наприклад, відсуваючи їх подалі один від одного, ми тим самим змінюємо глюонну хмару, робимо її більш масивною, через що зростає маса адрону (рис. 1).

Що діється всередині протона, що швидко летить?

Все описане вище стосується нерухомого протона, мовою фізиків - це пристрій протона у системі спокою. Однак в експерименті структура протона була вперше виявлена в інших умовах – усередині швидко летитьпротону.

Наприкінці 1960-х років в експериментах зі зіткнення частинок на прискорювачах було помічено, що протони, що летять з навколосвітньою швидкістю, поводилися так, немов енергія всередині них не розподілена рівномірно, а сконцентрована в окремих компактних об'єктах. Ці згустки речовини всередині протонів знаменитий фізик Річард Фейнман запропонував називати партонами(від англійської part -частина).

У наступних експериментах було вивчено багато властивостей партонів - наприклад, їх електричний заряд, їх кількість і частка енергії протона, яку кожен із них несе. Виявляється, заряджені партони – це кварки, а нейтральні партони – це глюони. Так-так, ті самі глюони, які в системі спокою протона просто «прислужували» кваркам, притягуючи їх один до одного, тепер є самостійними партонами і поряд з кварками несуть «речовину» і енергію протона, що швидко летить. Досліди показали, що приблизно половина енергії запасена у кварках, а половина – у глюонах.

Партони найзручніше вивчати у зіткненні протонів з електронами. Справа в тому, що, на відміну від протона, електрон не бере участі в сильних ядерних взаємодіях і його зіткнення з протоном виглядає дуже просто: електрон на дуже короткий час випускає віртуальний фотон, який врізається в заряджений партон і породжує врешті-решт велику кількість частинок. 2). Можна сказати, що електрон є відмінним скальпелем для розтину протона і поділу його на окремі частини - правда, лише на дуже короткий час. Знаючи, як часто відбуваються такі процеси на прискорювачі, можна виміряти кількість партонів усередині протону та їх заряди.

Хто такі партони насправді?

І тут ми підходимо до ще одного разючого відкриття, яке зробили фізики, вивчаючи зіткнення елементарних частинок при високих енергіях.

У звичайних умовах питання про те, з чого складається той чи інший предмет, має універсальну відповідь для всіх систем відліку. Наприклад, молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню - і не важливо, дивимося ми на нерухому або рухому молекулу. Однак це правило – здавалося б, таке природне! - порушується, якщо йдеться про елементарні частинки, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. В одній системі відліку складна частка може складатися з одного набору субчасток, а в іншій системі відліку - з іншого. Виходить що склад - поняття відносне!

Як таке може бути? Ключовою тут є одна важлива властивість: кількість частинок у світі не фіксована - частки можуть народжуватися і зникати. Наприклад, якщо зіткнути разом два електрони з досить великою енергією, то до цих двох електронів може народитися або фотон, або електрон-позитронна пара, або ще якісь частинки. Все це дозволено квантовими законами, саме так і відбувається у реальних експериментах.

Але цей «закон незбереження» частинок працює при зіткненняхчастинок. А як виходить, що один і той же протон з різних точок зору виглядає з різного набору частинок? Справа в тому, що протон - це не просто три кварки, складені разом. Між кварками існує силове глюонне поле. Взагалі, силове поле (як, наприклад, гравітаційне чи електричне поле) - це якась матеріальна «сутність», яка пронизує простір і дозволяє часткам впливати один на одного. У квантовій теорії поле теж складається з частинок, щоправда з особливих – віртуальних. Кількість цих частинок не фіксовано, вони постійно «відгалужуються» від кварків і поглинаються іншими кварками.

Хто спочиваєпротон дійсно можна уявити собі як три кварки, між якими перескакують глюони. Але якщо поглянути на той самий протон з іншої системи відліку, наче з вікна «релятивістського поїзда», то ми побачимо зовсім іншу картину. Ті віртуальні глюони, які склеювали кварки разом, здадуться вже менш віртуальними, «справжнішими» частинками. Вони, звичайно, як і раніше народжуються і поглинаються кварками, але при цьому якийсь час живуть самі по собі, летять поруч із кварками, немов справжні частки. Те, що виглядає простим силовим полем в одній системі відліку, перетворюється на іншу систему на потік частинок! Зверніть увагу, сам протон ми при цьому не чіпаємо, а тільки дивимося на нього з іншої системи відліку.

Далі більше. Чим ближче швидкість нашого «релятивістського поїзда» до швидкості світла, тим дивовижнішу картину всередині протона ми побачимо. У міру наближення до швидкості світла ми помітимо, що глюонів усередині протона стає дедалі більше. Більше того, вони іноді розщеплюються на кварк-антикваркові пари, які теж летять поруч і також вважаються партонами. В результаті ультрарелятивістський протон, тобто протон, що рухається щодо нас зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла, постає у вигляді взаємопроникних хмаринок кварків, антикварків і глюонів, які летять разом і ніби підтримують один одного (рис. 3).

Читач, знайомий із теорією відносності, може занепокоїтися. Вся фізика ґрунтується на тому принципі, що будь-який процес протікає однаково у всіх інерційних системах відліку. А тут виходить, що склад протона залежить від системи відліку, з якої ми його спостерігаємо?

Так, саме так, але це не порушує принцип відносності. Результати фізичних процесів - наприклад, які частки і скільки народжуються внаслідок зіткнення - справді виявляються інваріантними, хоча склад протона залежить від системи відліку.

Ця незвичайна на перший погляд, але ситуація, що задовольняє всім законам фізики, схематично проілюстрована на малюнку 4. Тут показано, як зіткнення двох протонів з великою енергією виглядає в різних системах відліку: в системі спокою одного протона, в системі центру мас, в системі спокою іншого протона . Взаємодія між протонами здійснюється через каскад глюонів, що розщеплюються, але тільки в одному випадку цей каскад вважається «начинкою» одного протона, в іншому випадку - частиною іншого протона, а в третьому - це просто якийсь об'єкт, яким обмінюються два протона. Цей каскад існує, він реальний, але якої частини процесу його треба відносити - залежить від системи відліку.

Тривимірний портрет протону

Усі результати, про які ми щойно розповіли, базувалися на експериментах, виконаних досить давно – у 60–70-х роках минулого століття. Здавалося б, відтоді все вже має бути вивченим і всі питання повинні знайти свої відповіді. Але ні - пристрій протона, як і раніше, залишається однією з найцікавіших тем у фізиці елементарних частинок. Більше того, в останні роки інтерес до неї знову зріс, тому що фізики зрозуміли, як отримати «тривимірний» портрет протона, що швидко рухається, який виявився набагато складнішим за портрет нерухомого протона.

Класичні експерименти щодо зіткнення протонів розповідають лише про кількість партонів та їх розподіл за енергією. У таких експериментах партони беруть участь як незалежні об'єкти, а отже, з них не можна дізнатися, як партони розташовані один щодо одного, як саме вони складаються в протон. Можна сказати, що довгий час фізикам був доступний лише «одномірний» портрет протона, що швидко летить.

Для того, щоб побудувати справжній, тривимірний, портрет протона і дізнатися про розподіл партонів у просторі, потрібні набагато тонші експерименти, ніж ті, які були можливі 40 років тому. Такі експерименти фізики навчилися ставити зовсім недавно, буквально останнім десятиліттям. Вони зрозуміли, що серед величезної кількості різних реакцій, які відбуваються під час зіткнення електрона з протоном, є одна особлива реакція. глибоко-віртуальне комптонівське розсіювання, - яка і зможе розповісти про тривимірну структуру протона.

Взагалі, комптонівським розсіюванням, або ефектом Комптона називають пружне зіткнення фотона з якоюсь частинкою, наприклад з протоном. Виглядає воно так: прилітає фотон, поглинається протоном, який на короткий час переходить у збуджений стан, а потім повертається у вихідний стан, випускаючи фотон у якомусь напрямку.

Комптонівське розсіювання звичайних світлових фотонів не призводить до чогось цікавого - це просте відображення світла від протона. Для того, щоб «вступила в гру» внутрішня структура протона і «відчулися» розподіли кварків, треба використовувати фотони дуже великої енергії – в мільярди разів більше, ніж у звичайному світлі. А саме такі фотони - правда, віртуальні - легко породжує електрон, що налітає. Якщо тепер поєднати одне з одним, то і вийде глибоко-віртуальне комптонівське розсіювання (рис. 5).

Головна особливість цієї реакції у тому, що вона руйнує протон. Фотон, що налітає, не просто б'є по протону, а як би ретельно його обмацує і потім відлітає геть. Те, в який бік він відлітає і яку частину енергії у нього відбирає протон, залежить від влаштування протона, від взаємного розташування партонів усередині нього. Саме тому, вивчаючи цей процес, можна відновити тривимірне вигляд протона, як би «виліпити його скульптуру».

Щоправда, для фізика-експериментатора це дуже непросто. Потрібний процес відбувається досить рідко і зареєструвати його важко. Перші експериментальні дані про цю реакцію було отримано лише у 2001 році на прискорювачі HERA у німецькому прискорювальному комплексі DESY у Гамбурзі; нова серія даних зараз обробляється експериментаторами. Втім, уже сьогодні, на підставі перших даних, теоретики малюють тривимірні розподіли кварків та глюонів у протоні. Фізична величина, яку фізики раніше будували лише припущення, нарешті стала «проступати» з експерименту.

Чи чекають на нас якісь несподівані відкриття в цій галузі? Цілком імовірно, що так. Як ілюстрацію скажемо, що в листопаді 2008 року з'явилася цікава теоретична стаття, в якій стверджується, що протон, що швидко летить, повинен мати вигляд не плоского диска, а двояковогнутої лінзи. Так виходить тому, що партони, що сидять у центральній області протона, сильніше стискаються в поздовжньому напрямку, ніж партони, що сидять на краях. Було б дуже цікаво перевірити ці теоретичні прогнози експериментально!

Чому все це цікаво фізикам?

Навіщо взагалі фізикам треба знати, як саме розподілено речовину всередині протонів та нейтронів?

По-перше, цього вимагає сама логіка розвитку фізики. У світі є багато разюче складних систем, з якими сучасна теоретична фізика поки що не може повністю впоратися. Адрони – одна з таких систем. Розбираючись з пристроєм адронів, ми відточуємо здібності теоретичної фізики, які цілком можуть виявитися універсальними і, можливо, допоможуть у чомусь зовсім іншому, наприклад, при вивченні надпровідників або інших матеріалів з незвичайними властивостями.

По-друге, тут є безпосередня користь для ядерної фізики. Незважаючи на майже вікову історію вивчення атомних ядер, теоретики досі не знають точний закон взаємодії протонів та нейтронів.

Їм доводиться цей закон частково вгадувати виходячи з експериментальних даних, частково конструювати на основі знань про структуру нуклонів. Ось і допоможуть нові дані про тривимірному пристрої нуклонів.

По-третє, кілька років тому фізики зуміли отримати ні багато ні мало новий агрегатний стан речовини – кварк-глюонну плазму. У такому стані кварки не сидять усередині окремих протонів та нейтронів, а вільно гуляють по всьому згустку ядерної речовини. Досягти його можна, наприклад, так: важкі ядра розганяються в прискорювачі до швидкості, дуже близької до швидкості світла, а потім зіштовхуються лоб у лоб. У цьому зіткненні на дуже короткий час виникає температура трильйони градусів, яка і розплавляє ядра в кварк-глюонну плазму. Отже, виявляється, що теоретичні розрахунки цього ядерного плавлення вимагають хорошого знання тривимірного пристрою нуклонів.

Нарешті ці дані дуже потрібні для астрофізики. Коли важкі зірки вибухають наприкінці свого життя, від них часто залишаються надзвичайно компактні об'єкти – нейтронні та, можливо, кваркові зірки. Серцевина цих зірок цілком складається з нейтронів, а може бути навіть із холодної кварк-глюонної плазми. Такі зірки вже давно виявлені, але що відбувається у них усередині – можна лише здогадуватись. Так що гарне розуміння кваркових розподілів може призвести до прогресу і в астрофізиці.