Prooton on elementaarosake. Elementaarosakesed Prootoni komponent 5 tähte ristsõna vihje

Allpool on loetletud kõik viietähelised elementaarosakesed. Iga määratluse kohta on antud lühikirjeldus.

Kui teil on midagi lisada, siis allpool on teie käsutuses kommentaarivorm, kus saate oma arvamust avaldada või artiklile lisada.

Elementaarosakeste loetelu

Footon

See on elektromagnetilise kiirguse kvant, näiteks valgus. Valgus on omakorda nähtus, mis koosneb valgusvoogudest. Footon on elementaarosake. Footonil on neutraalne laeng ja nullmass. Footoni spin on võrdne ühtsusega. Footon kannab elektromagnetilist vastasmõju laetud osakeste vahel. Mõiste footon pärineb kreeka sõnast phos, mis tähendab valgust.

Phonon

See on kvaasiosake, kristallvõre aatomite ja molekulide elastsete vibratsioonide ja nihkete kvant, mis tekib tasakaaluasendist. Kristallvõredes suhtlevad aatomid ja molekulid pidevalt, jagades üksteisega energiat. Sellega seoses on peaaegu võimatu uurida üksikute aatomite vibratsiooniga sarnaseid nähtusi neis. Seetõttu käsitletakse aatomite juhuslikke vibratsioone tavaliselt vastavalt helilainete leviku tüübile kristallvõre sees. Nende lainete kvantideks on fononid. Mõiste fonon tuleb kreekakeelsest sõnast telefon – heli.

Phazon

Fluktuoonifason on kvaasiosake, mis on sulamites või mõnes muus heterofaasilises süsteemis ergastus, mis moodustab laetud osakese, näiteks elektroni ümber potentsiaalse süvendi (ferromagnetilise piirkonna) ja hõivab selle.

Roton

See on kvaasiosake, mis vastab elementaarsele ergastusele ülivedelas heeliumis, kõrgete impulsside piirkonnas, mis on seotud keerise liikumisega ülivedelas vedelikus. Roton, ladina keelest tõlgituna tähendab - ketramist, ketramist. Roton ilmub temperatuuril üle 0,6 K ja määrab eksponentsiaalselt temperatuurist sõltuvad soojusmahtuvuse omadused, nagu normaaltiheduse entroopia ja teised.

Meson

See on ebastabiilne mitteelementaarosake. Meson on kosmiliste kiirte raske elektron.
Mesoni mass on suurem kui elektroni mass ja väiksem kui prootoni mass.

Mesonites on paarisarv kvarke ja antikvarke. Mesonite hulka kuuluvad pionid, kaonid ja teised rasked mesonid.

Kvark

See on aine elementaarosake, kuid seni vaid hüpoteetiliselt. Kvarke nimetatakse tavaliselt kuueks osakeseks ja nende antiosakesteks (antikvarkideks), mis omakorda moodustavad spetsiaalsete elementaarosakeste rühma hadroniteks.

Arvatakse, et osakesed, mis osalevad tugevas vastasmõjus, nagu prootonid, neuronid ja mõned teised, koosnevad üksteisega tihedalt seotud kvarkidest. Kvargid eksisteerivad pidevalt erinevates kombinatsioonides. On olemas teooria, et kvargid võivad esimestel hetkedel pärast suurt pauku eksisteerida vabal kujul.

Gluoon

Elementaarosake. Ühe teooria kohaselt liimivad gluoonid justkui kokku kvarke, millest omakorda moodustuvad osakesed nagu prootonid ja neuronid. Üldiselt on gluoonid kõige väiksemad osakesed, mis moodustavad ainet.

boson

Boson-kvaasiosake või Bose-osake. Bosonil on null- või täisarvuline spin. Nimi on antud füüsik Shatyendranath Bose auks. Boson erineb selle poolest, et piiramatul arvul neist võib olla sama kvantolek.

Hadron

Hadron on elementaarosake, mis ei ole tegelikult elementaarne. Koosneb kvarkidest, antikvarkidest ja gluoonidest. Hadronil puudub värvilaeng ja ta osaleb tugevas vastasmõjus, sealhulgas tuumas. Kreekakeelsest sõnast adros tulenev termin hadron tähendab suurt, massiivset.

• Tõlge

Riis. 1: vesinikuaatom. Mitte skaleerida.

Teate, et suur hadronite põrkur purustab põhimõtteliselt prootoneid üksteise sisse. Aga mis on prooton?

Esiteks on see kohutav ja täielik segadus. Sama kole ja kaootiline nagu vesinikuaatom on lihtne ja elegantne.

Aga mis on siis vesinikuaatom?

See on kõige lihtsam näide sellest, mida füüsikud nimetavad "seotud olekuks". "Riik" tähendab sisuliselt midagi, mis on eksisteerinud juba mõnda aega, ja "seotud" tähendab, et selle komponendid on omavahel seotud, nagu abielus olevad abikaasad. Tegelikult sobib siia väga hästi näide abielupaarist, kus üks abikaasa on teisest palju raskem. Prooton istub keskel, vaevu liigub ja objekti servades liigub elektron, mis liigub kiiremini kui sina ja mina, kuid palju aeglasemalt kui valguse kiirus, universaalne kiiruspiirang. Rahulik pilt abieluidüllist.

Või tundub see nii seni, kuni vaatame prootonit ennast. Prootoni enda sisemus meenutab pigem kommuuni, kus paljud üksikud täiskasvanud ja lapsed on tihedalt kokku pandud: puhas kaos. See on ka seotud olek, kuid see ei ühenda midagi lihtsat, näiteks prootonit elektroniga, nagu vesinik, või vähemalt mitukümmend elektroni aatomituumaga, nagu keerulisemates aatomites nagu kuld - vaid lugematu arv ( see tähendab, et neid on liiga palju ja nad muutuvad liiga kiiresti, et neid praktiliselt loendada) kerged osakesed, mida nimetatakse kvarkideks, antikvarkideks ja gluoonideks. Prootoni struktuuri on võimatu lihtsalt kirjeldada, teha lihtsaid pilte - see on äärmiselt ebakorrapärane. Kõik kvargid, gluoonid, antikvargid tormavad sees ringi maksimaalse võimaliku kiirusega, peaaegu valguse kiirusel.

Riis. 2: prootoni kujutis. Kujutage ette, et kõik kvargid (üles, alla, kummalised - u,d,s), antikvargid (u,d,s kriipsuga) ja gluoonid (g) sihivad peaaegu valguse kiirusel edasi-tagasi, põrkuvad kokku muud, ilmuvad ja kaovad

Võib-olla olete kuulnud, et prooton koosneb kolmest kvargist. Kuid see on vale – suurema hüvangu nimel, kuid siiski üsna suur. Tegelikult on prootonis lugematu arv gluoone, antikvarke ja kvarke. Standardlühend "prooton koosneb kahest üles kvargist ja ühest alla kvargist" ütleb lihtsalt, et prootonil on kaks üles kvarki rohkem kui üles kvark ja üks alla kvark rohkem kui alla kvark. Et see vähendamine oleks tõsi, on vaja sellele lisada "ja veel lugematu arv gluuone ja kvark-antikvark paare". Ilma selle fraasita on prootoni idee nii lihtsustatud, et LHC toimimisest on täiesti võimatu aru saada.

Riis. 3: Väikesed valged valed stereotüüpsel Vikipeedia pildil

Üldiselt on aatomid prootonitega võrreldes nagu pas de deux keerukas balletis, võrreldes diskoga, mis on täidetud purjus teismelistega, kes hüppavad üles-alla ja lehvitavad DJ-le.

Seetõttu on teil raske, kui olete teoreetik, kes püüab mõista, mida LHC prootonite kokkupõrgetes näeb. Väga raske on ennustada selliste objektide kokkupõrke tulemusi, mida ei saa lihtsalt kirjeldada. Kuid õnneks on teoreetilised füüsikud alates 1970. aastatest leidnud Bjorkeni 60ndate ideede põhjal suhteliselt lihtsa ja toimiva tehnoloogia. Kuid see töötab ikkagi teatud piirini, täpsusega umbes 10%. Sellel ja mõnel muul põhjusel on meie arvutuste usaldusväärsus LHC-s alati piiratud.

Teine asi prootoni juures on see, et see on pisike. Tõesti pisike. Kui puhute vesinikuaatomi oma magamistoa suuruseks õhku, on prooton tolmutera suurune nii väike, et seda on väga raske märgata. Just seetõttu, et prooton on nii väike, võime ignoreerida selle sees toimuvat kaost, kirjeldades vesinikuaatomit lihtsana. Täpsemalt öeldes on prootoni suurus 100 000 korda väiksem kui vesinikuaatomi suurus.

Võrdluseks, Päikese suurus on vaid 3000 korda väiksem kui Päikesesüsteemi suurus (mõõdetuna Neptuuni orbiidi järgi). Täpselt nii – aatom on tühjem kui päikesesüsteem! Pidage seda meeles, kui vaatate öösel taevasse.

Kuid võite küsida: "Oota hetk! Kas sa tahad öelda, et suur hadronite põrgataja põrkab kuidagi kokku prootoneid, mis on aatomist 100 000 korda väiksemad? Kuidas see üldse võimalik on?

Suurepärane küsimus.

Prootonite kokkupõrked versus kvarkide, gluoonide ja antikvarkide minikokkupõrked

Prootonite kokkupõrked LHC-s toimuvad teatud energiaga. 2011. aastal oli see 7 TeV = 7000 GeV ja 2012. aastal 8 TeV = 8000 GeV. Kuid osakeste füüsikuid huvitavad peamiselt ühe prootoni kvargi kokkupõrked teise prootoni antikvargiga või kahe gluoni kokkupõrked jne. – midagi, mis võib viia tõeliselt uue füüsikalise nähtuse esilekerkimiseni. Need minikokkupõrked kannavad väikest osa prootoni kokkupõrke koguenergiast. Kui palju sellest energiast nad kanda suudavad ja miks oli vaja kokkupõrkeenergiat tõsta 7 TeV-lt 8 TeV-le?

Vastus on joonisel fig. 4. Graafik näitab ATLAS-detektori poolt tuvastatud kokkupõrgete arvu. 2011. aasta suve andmed hõlmavad kvarkide, antikvarkide ja gluoonide hajumist teistest kvarkidest, antikvarkidest ja gluoonidest. Sellised minikokkupõrked tekitavad enamasti kaks joa (hadronite juga, suure energiaga kvarkide, gluoonide või algprootonitest välja löödud antikvarkide ilmingud). Mõõdetakse jugade energiaid ja suundi ning nende andmete põhjal määratakse energia hulk, mis oleks pidanud minikokkupõrke toimuma. Graafik näitab seda tüüpi minikokkupõrgete arvu energia funktsioonina. Vertikaaltelg on logaritmiline – iga rida tähistab koguse 10-kordset suurenemist (10 n tähistab 1 ja n nulli pärast seda). Näiteks energiavahemikus 1550–1650 GeV täheldatud minikokkupõrgete arv oli umbes 10 3 = 1000 (tähistatud siniste joontega). Pange tähele, et graafik algab 750 GeV-st, kuid väiksema energiaga jugasid uurides suureneb minikokkupõrgete arv jätkuvalt kuni punktini, kus joad muutuvad tuvastamiseks liiga nõrgaks.

Riis. 4: kokkupõrgete arv energia funktsioonina (m jj)

Mõelge, et prootoni-prootoni kokkupõrgete koguarv energiaga 7 TeV = 7000 GeV lähenes 100 000 000 000 000-le ja kõigist nendest kokkupõrgetest ületas ainult kaks minikokkupõrget 3500 GeV - poole prootoni kokkupõrke energiast. Teoreetiliselt võib minikokkupõrke energia tõusta 7000 GeV-ni, kuid selle tõenäosus väheneb kogu aeg. Me näeme 6000 GeV minikokkupõrkeid nii harva, et me ei näe tõenäoliselt 7000 GeV isegi siis, kui kogume 100 korda rohkem andmeid.

Millised on kokkupõrkeenergia suurendamise eelised 7 TeV-lt aastatel 2010-2011 8 TeV-ni 2012. aastal? Ilmselgelt saate seda teha energiatasemel E, seda saate nüüd teha energiatasemel 8/7 E ≈ 1,14 E. Seega, kui varem võisite loota, et näete nii paljudes andmetes teatud tüüpi hüpoteetilise osakese märke. massiga 1000 GeV/c 2, siis võime nüüd sama andmestikuga loota saavutada vähemalt 1100 GeV/c 2. Masina võimalused kasvavad – saab otsida veidi suurema massiga osakesi. Ja kui kogute 2012. aastal kolm korda rohkem andmeid kui 2011. aastal, saate iga energiataseme kohta rohkem kokkupõrkeid ja näete hüpoteetilise osakese signatuuri, mille mass on näiteks 1200 GeV/s 2 .

Kuid see pole veel kõik. Vaadake siniseid ja rohelisi jooni joonisel fig. 4: need näitavad, et need esinevad energiatel suurusjärgus 1400 ja 1600 GeV – nii et need korreleeruvad üksteisega nagu 7 kuni 8. Prootoni kokkupõrke energiatasemel 7 TeV on kvarkide minikokkupõrgete arv kvarkidega , gluoonidega kvargid jne P. energiaga 1400 GeV on rohkem kui kaks korda suurem kui kokkupõrgete arv energiaga 1600 GeV. Kuid kui masin suurendab energiat 8/7, hakkab see, mis töötas 1400 jaoks, toimima 1600 jaoks. Teisisõnu, kui olete huvitatud fikseeritud energia minikokkupõrkest, suureneb nende arv - ja palju rohkem kui 14% tõus. prootonite kokkupõrke energias! See tähendab, et iga eelistatud energiaga protsessi puhul, näiteks kergete Higgsi osakeste ilmnemisel, mis toimub suurusjärgus 100–200 GeV energiatel, saate sama raha eest rohkem tulemusi. 7-lt 8 TeV-le liikumine tähendab, et sama arvu prootonite kokkupõrgete korral saate rohkem Higgsi osakesi. Higgsi osakeste tootmine suureneb umbes 1,5 võrra. Üles kvarkide ja teatud tüüpi hüpoteetiliste osakeste arv suureneb veidi rohkem.

See tähendab, et kuigi 2012. aasta prootonite kokkupõrgete arv on 3 korda suurem kui 2011. aastal, suureneb toodetavate Higgsi osakeste koguarv ainuüksi energia suurenemise tõttu ligi 4 korda.

Muide, joon. Joonis 4 tõestab ka seda, et prootonid ei koosne lihtsalt kahest üles kvargist ja ühest alla kvargist, nagu on kujutatud joonistel nagu joonis fig. 3. Kui need oleksid, peaksid kvargid üle kandma umbes kolmandiku prootonite energiast ja enamik minikokkupõrkeid toimuks umbes kolmandiku prootoni kokkupõrke energiast: umbes 2300 GeV. Kuid graafik näitab, et 2300 GeV piirkonnas ei juhtu midagi erilist. Energiatel alla 2300 GeV on palju rohkem kokkupõrkeid ja mida madalamale lähete, seda rohkem kokkupõrkeid näete. Seda seetõttu, et prooton sisaldab tohutul hulgal gluoone, kvarke ja antikvarke, millest igaüks kannab edasi väikese osa prootoni energiast, kuid neid on nii palju, et nad osalevad tohutul hulgal minikokkupõrgetes. See prootoni omadus on näidatud joonisel fig. 2 – kuigi tegelikult on madala energiatarbega gluoonide ja kvark-antikvark paaride arv palju suurem kui joonisel näidatud.

Mida aga graafik ei näita, on murdosa, mis teatud energiaga minikokkupõrgetes langeb kvarkide kokkupõrgetele kvarkidega, kvarkide kokkupõrgetele gluoonidega, gluoonide gluoonidega, kvarkide kokkupõrgetele antikvarkidega jne. Tegelikult ei saa seda LHC katsete põhjal otse öelda – kvarkide, antikvarkide ja gluoonide joad näevad välja ühesugused. See, kuidas me neid aktsiaid teame, on keeruline lugu, mis hõlmab paljusid erinevaid varasemaid eksperimente ja neid ühendavat teooriat. Ja sellest me teame, et kõige kõrgema energiaga minikokkupõrked toimuvad tavaliselt kvarkide ja kvarkide ning kvarkide ja gluoonide vahel. Madala energiaga kokkupõrked tekivad tavaliselt gluoonide vahel. Kvarkide ja antikvarkide kokkupõrked on suhteliselt haruldased, kuid teatud füüsikaliste protsesside jaoks on need väga olulised.

Osakeste jaotus prootoni sees

Riis. 5

Kaks graafikut, mis erinevad vertikaaltelje skaala poolest, näitavad kokkupõrke suhtelist tõenäosust gluooniga, üles või alla kvarkiga või antikvargiga, mis kannab prootoni energiast x-ga võrdne murdosa. Väikesel x-l domineerivad gluoonid (ja kvargid ja antikvargid muutuvad võrdselt tõenäoliseks ja arvukaks, kuigi neid on siiski vähem kui gluuone) ja keskmise x juures domineerivad kvargid (kuigi neid on äärmiselt vähe).

Mõlemad graafikud näitavad sama asja, ainult erinevas skaalas, nii et seda, mida ühel neist on raske näha, on teisel lihtsam näha. Need näitavad järgmist: kui suures hadronite põrkeseadmes tuleb teile vastu prootonikiir ja te tabate midagi prootoni sees, kui tõenäoline on, et tabate üles- või alla-kvarki, gluooni või üles antikvark või antikvark, mis kannab osa prootoni energiast, mis võrdub x-ga? Nende graafikute põhjal võib järeldada, et:

Sellest, et kõik kõverad kasvavad väikese x juures väga kiiresti (näha alumisel graafikul), järeldub, et enamik prootoni osakesi kannab üle 10% (x< 0,1) энергии протона, и вероятность столкнуться с частицей, переносящей мало энергии, гораздо больше вероятности столкнуться с частицей, переносящей много. При этом, 10% - не так уж и мало. В 2012 году лучи на БАК достигали энергий в 4 ТэВ, поэтому 10% означало 400 ГэВ. При этом для того, чтобы создать частицу хиггса энергией 124 ГэВ из двух глюонов требуется всего 62 ГэВ на глюон.
Kuna kollane kõver (all) on teistest palju kõrgem, järeldub sellest, et kui kohtate midagi, mis kannab vähem kui 10% prootoni energiast, on see suure tõenäosusega gluoon; ja langedes alla 2% prootonite energiast, on see võrdselt tõenäoliselt kvargid või antikvargid.
Kuna gluoonikõver (ülemine) langeb x kasvades kvargikõveratest allapoole, järeldub sellest, et kui kohtate midagi, mis kannab üle 20% (x > 0,2) prootoni energiast – mis on väga-väga haruldane –, siis tõenäoliselt kvark ja tõenäosus, et see on up kvark, on kaks korda suurem kui tõenäosus, et see on alla kvark. See on jäänuk ideest, et "prooton on kaks üles kvarki ja üks alla kvark".
Kõik kõverad langevad järsult, kui x suureneb; On väga ebatõenäoline, et kohtate midagi, mis kannab rohkem kui 50% prootoni energiast.

Need tähelepanekud kajastuvad kaudselt joonisel fig. 4. Siin on veel paar ebaselgemat asja kahe graafiku kohta:
Suurem osa prootonite energiast jaguneb (umbes võrdselt) väikese arvu kõrge energiaga kvarkide ja tohutu hulga madala energiaga gluoonide vahel.
Osakeste hulgas on arvuliselt ülekaalus madala energiaga gluoonid, millele järgnevad väga madala energiaga kvargid ja antikvargid.

Kvarkide ja antikvarkide arv on tohutu, kuid: up kvarkide koguarv miinus üles antikvarkide koguarv on kaks ja udukvarkide koguarv miinus alla antikvarkide koguarv on üks. Nagu eespool nägime, kannavad lisakvargid märkimisväärse (kuid mitte suurema osa) osa teie poole lendava prootoni energiast. Ja ainult selles mõttes saame öelda, et prooton koosneb põhiliselt kahest üles- ja ühest alla-kvargist.

Muide, kogu see teave saadi põnevast eksperimentide kombinatsioonist (peamiselt elektronide või neutriinode hajumise kohta prootonitest või raske vesiniku - deuteeriumi aatomituumadest, mis sisaldavad ühte prootonit ja ühte neutronit), mis pandi kokku üksikasjalike võrrandite abil. kirjeldades elektromagnetilist, tugevat tuuma ja nõrka tuuma vastastikmõju. See pikk lugu ulatub tagasi 1960. aastate lõppu ja 1970. aastate algusesse. Ja see sobib suurepäraselt selliste nähtuste ennustamiseks, mida täheldatakse põrkurites, kus prootonid põrkuvad prootonitega ja prootonid antiprootonitega, nagu Tevatron ja LHC.

Muud tõendid prootoni keerulise struktuuri kohta

Vaatame mõningaid LHC-s saadud andmeid ja seda, kuidas see toetab väiteid prootoni struktuuri kohta (kuigi praegune arusaam prootonist pärineb tänu paljudele katsetele 3-4 aastakümmet tagasi).

Graafik joonisel fig. 4 on saadud kokkupõrgete vaatlustest, mille käigus toimub midagi sellist, nagu on näidatud joonisel fig 1. 6: ühe prootoni kvark või antikvark või gluoon põrkab kokku teise prootoni kvargi või antikvargi või gluooniga, hajub sellest (või juhtub midagi keerukamat - näiteks põrkuvad kaks gluooni ja muutuvad kvargiks ja antikvargiks), mille tulemuseks on kahes osakeses (kvargid, antikvargid või gluoonid) lendavad kokkupõrkekohast eemale. Need kaks osakest muutuvad jugadeks (hadronijugadeks). Jugade energiat ja suunda jälgitakse löögipunkti ümbritsevates osakestedetektorites. Seda teavet kasutatakse selleks, et mõista, kui palju energiat sisaldas kahe algse kvargi/gluooni/antikvargi kokkupõrge. Täpsemalt, kahe joa muutumatu mass, korrutatuna c 2-ga, annab kahe algse kvargi/gluooni/antikvargi kokkupõrke energia.

Riis. 6

Seda tüüpi kokkupõrgete arv sõltuvalt energiast on näidatud joonisel fig. 4. Seda, et madalate energiate korral on kokkupõrgete arv palju suurem, kinnitab fakt, et enamik prootoni sees olevatest osakestest kannab edasi vaid väikese osa selle energiast. Andmed algavad energiaga 750 GeV.

Riis. 7: andmed väiksema energia kohta, mis on võetud väiksemast andmekogumist. Dijet mass – sama mis m jj joonisel fig. 4.

Andmed joonise fig. 7 on võetud 2010. aasta CMS-i eksperimendist, kus nad joonistasid kokkupõrkeid energiaga kuni 220 GeV. Siin ei ole graafik kokkupõrgete arv, vaid veidi keerulisem: kokkupõrgete arv GeV kohta, st kokkupõrgete arv jagatud histogrammi veeru laiusega. On näha, et sama efekt toimib jätkuvalt kogu andmevahemiku puhul. Sellised kokkupõrked nagu joonisel fig. 6, madala energiaga juhtub palju rohkem kui suure energiaga. Ja see arv kasvab jätkuvalt, kuni ei ole enam võimalik düüsisid eristada. Prooton sisaldab palju madala energiaga osakesi ja vähesed neist kannavad märkimisväärse osa selle energiast.

Kuidas on lood antikvarkide olemasoluga prootonis? Kolm kõige huvitavamat protsessi, mis ei ole sarnased joonisel fig. 6, mis mõnikord esineb LHC-s (ühes mitmest miljonist prootoni-prootoni kokkupõrkest), hõlmab protsessi:

Kvark + antikvark -> W+, W- või Z-osake.

Need on näidatud joonisel fig. 8.

Riis. 8

CMS-i vastavad andmed on toodud joonisel fig. 9 ja 10. Joon. Joonis 9 näitab, et kokkupõrgete arv, mis tekitavad elektroni või positroni (vasakul) ja midagi tuvastamatut (tõenäoliselt neutriino või antineutriino) või müüoni ja antimuooni (paremal), on õigesti ennustatud. Ennustus tehakse standardmudeli (võrrandid, mis ennustavad teadaolevate elementaarosakeste käitumist) ja prootoni struktuuri kombineerimisel. Andmete suured tipud on tingitud W- ja Z-osakeste ilmumisest. Teooria sobib andmetega ideaalselt.

Riis. 9: mustad täpid – andmed, kollased – ennustused. Sündmuste arv on märgitud tuhandetes. Vasakul: keskne tipp on tingitud W-osakestes leiduvatest neutriinodest. Paremal on kokkupõrkel tekkinud lepton ja antilepton ühendatud ning eeldatakse osakese massi, millest need tulid. Piik ilmub saadud Z-osakeste tõttu.

Veelgi rohkem üksikasju on näha joonisel fig. 10, kus on näidatud, et teooria ühtib andmetega suurepäraselt mitte ainult nende, vaid ka paljude nendega seotud mõõtmiste arvu osas, millest enamik on seotud kvarkide kokkupõrgetega antikvarkidega. Andmed (punased täpid) ja teooria (sinised tulbad) ei kattu kunagi täpselt statistiliste kõikumiste tõttu, samal põhjusel, et kui viskad münti kümme korda, ei pruugi sa saada viit pead ja viit saba. Seetõttu paigutatakse andmepunktid "vearibale", vertikaalsele punasele ribale. Riba suurus on selline, et 30% mõõtmiste puhul peaks veariba piirnema teooriaga ja ainult 5% mõõtmiste puhul peaks see olema teooriast kahe riba kaugusel. On näha, et kõik tõendid kinnitavad, et prooton sisaldab palju antikvarke. Ja me mõistame õigesti antikvarkide arvu, mis kannavad teatud osa prootoni energiast.

Riis. 10

Siis on kõik veidi keerulisem. Me isegi teame, kui palju üles ja alla kvarke meil on sõltuvalt energiast, mida nad kannavad, kuna me ennustame õigesti - vähem kui 10% veaga - kui palju rohkem W + osakesi saame kui W - osakesi (joonis 11).

Riis. üksteist

Üles-antikvarkide ja alla kvarkide suhe peaks olema 1-le lähedane, kuid üles-kvarke peaks olema rohkem kui alla-kvarke, eriti kõrge energia korral. Joonisel fig. 6 näeme, et saadud W + ja W - osakeste suhe peaks andma meile ligikaudu W-osakeste tootmises osalevate üles- ja allakvarkide suhte. Joonisel 11 on näidatud, et mõõdetud W + ja W - osakeste suhe on 3:2, mitte 2:1. See näitab ka, et naiivne ettekujutus prootonist, mis koosneb kahest üles kvargist ja ühest allapoole kvargist, on liiga lihtsustatud. Lihtsustatud suhe 2:1 on hägune, kuna prooton sisaldab palju kvark-antikvarkpaare, millest ülemine ja alumine on ligikaudu võrdsed. Hägususe aste määratakse W osakese massi järgi 80 GeV. Kui teete selle kergemaks, on hägusust rohkem ja kui see on raskem, on hägusust vähem, kuna enamik prootoni kvark-antikvark paaridest kannab vähe energiat.

Lõpuks kinnitame tõsiasja, et enamik prootoni osakestest on gluoonid.

Riis. 12

Selleks kasutame fakti, et tippkvarke saab luua kahel viisil: kvark + antikvark -> tippkvark + tippantikvark või gluoon + gluoon -> tippkvark + tippantikvark (joonis 12). Me teame kvarkide ja antikvarkide arvu sõltuvalt nende energiast, tuginedes joonisel fig. 9-11. Selle põhjal saame standardmudeli võrrandite abil ennustada, kui palju tippkvarke tekib ainult kvarkide ja antikvarkide kokkupõrgetest. Samuti usume varasemate andmete põhjal, et prootonis on rohkem gluoone, seega peaks protsess gluoon + gluoon -> ülemine kvark + ülemine antikvark toimuma vähemalt 5 korda sagedamini. On lihtne kontrollida, kas seal on gluuone; kui ei ole, peavad andmed olema teoreetilistest prognoosidest tunduvalt madalamad.
gluons Lisa silte

Aine ehitust uurides said füüsikud teada, millest aatomid koosnevad, jõudsid aatomituumani ning jagasid selle prootoniteks ja neutroniteks. Kõik need sammud anti üsna lihtsalt - tuli lihtsalt kiirendada osakesed vajaliku energiani, suruda need üksteise vastu ja siis lagunesid nad ise oma osadeks.

Kuid prootonite ja neutronitega see trikk enam ei töötanud. Kuigi need on liitosakesed, ei saa neid isegi kõige ägedama kokkupõrke korral "tükkideks murda". Seetõttu kulus füüsikutel aastakümneid, et leida erinevaid viise, kuidas prootoni sisse vaadata, näha selle struktuuri ja kuju. Tänapäeval on prootonite ehituse uurimine osakeste füüsika üks aktiivsemaid valdkondi.

Loodus annab vihjeid

Prootonite ja neutronite ehituse uurimise ajalugu ulatub 1930. aastatesse. Kui lisaks prootonitele avastati (1932) ka neutronid, mis mõõtsid nende massi, avastasid füüsikud üllatusega, et see on väga lähedane prootoni massile. Veelgi enam, selgus, et prootonid ja neutronid "tunnevad" tuuma vastasmõju täpselt samamoodi. Nii identsed, et tuumajõudude seisukohalt võib prootonit ja neutronit pidada ühe ja sama osakese – nukleoni – kaheks ilminguks: prooton on elektriliselt laetud nukleon ja neutron neutraalne nukleon. Prootonite vahetus neutronitega ja tuumajõud ei märka (peaaegu) midagi.

Füüsikud väljendavad seda looduse omadust sümmeetriana – tuuma interaktsioon on sümmeetriline prootonite asendumisel neutronitega, nii nagu liblikas on sümmeetriline vasaku asendamise suhtes parempoolsega. See sümmeetria, lisaks sellele, et ta mängis olulist rolli tuumafüüsikas, oli tegelikult esimene vihje, et nukleonitel on huvitav sisemine struktuur. Tõsi, siis, 30ndatel, füüsikud ei mõistnud seda vihjet.

Mõistmine tuli hiljem. See sai alguse sellest, et 1940.–50. aastatel avastasid teadlased prootonite ja erinevate elementide tuumadega kokkupõrgete reaktsioonides üha uusi ja uusi osakesi. Mitte prootoneid, mitte neutroneid, mitte selleks ajaks avastatud pi-mesoneid, mis hoiavad tuumades nukleone, vaid mingeid täiesti uusi osakesi. Kogu nende mitmekesisuse juures oli neil uutel osakestel kaks ühist omadust. Esiteks, nad, nagu nukleonid, osalesid väga meelsasti tuuma vastasmõjudes - nüüd nimetatakse selliseid osakesi hadroniteks. Ja teiseks olid nad äärmiselt ebastabiilsed. Kõige ebastabiilsem neist lagunes teisteks osakesteks vaid triljondiku nanosekundi jooksul, ilma et neil oleks isegi aega lennata aatomituuma mõõtu!

Pikka aega oli hadronite “loomaaed” täielik jama. 1950. aastate lõpus olid füüsikud õppinud juba päris palju erinevaid hadronite tüüpe, hakkasid neid omavahel võrdlema ja nägid järsku nende omadustes teatavat üldist sümmeetriat, isegi perioodilisust. Arvati, et kõigi hadronite (sealhulgas nukleonite) sees on mõned lihtsad objektid, mida nimetatakse kvarkideks. Kvarke erineval viisil kombineerides on võimalik saada erinevaid hadroneid ning täpselt sama tüüpi ja samade omadustega, mis katses avastati.

Mis teeb prootonist prootoni?

Pärast seda, kui füüsikud avastasid hadronite kvarkide struktuuri ja said teada, et kvarke on mitut erinevat sorti, sai selgeks, et kvarkidest saab konstrueerida palju erinevaid osakesi. Seega polnud keegi üllatunud, kui järgnevad katsed jätkasid järjest uute hadronite leidmist. Kuid kõigi hadronite hulgast avastati terve perekond osakesi, mis koosnesid, nagu prooton, ainult kahest. u-kvargid ja üks d- kvark. Omamoodi prootoni "vend". Ja siin ootas füüsikuid üllatus.

Teeme esmalt ühe lihtsa tähelepaneku. Kui meil on mitu samadest "tellistest" koosnevat objekti, siis raskemad objektid sisaldavad rohkem "telliseid" ja kergemad vähem. See on väga loomulik printsiip, mida võib nimetada kombinatsiooni või pealisehitise printsiibiks ja see toimib suurepäraselt nii igapäevaelus kui ka füüsikas. See avaldub isegi aatomituumade ehituses – koosnevad ju raskemad tuumad lihtsalt suuremast hulgast prootonitest ja neutronitest.

Kvarkide tasandil see põhimõte aga üldse ei tööta ja tõsi küll, füüsikud pole veel täielikult aru saanud, miks. Selgub, et ka prootoni rasked vennad koosnevad samadest kvarkidest nagu prooton, kuigi need on prootonist poolteist või isegi kaks korda raskemad. Need erinevad prootonist (ja erinevad üksteisest) mitte koostis, ja vastastikune asukoht kvargid, oleku järgi, milles need kvargid on üksteise suhtes. Piisab kvarkide suhtelise asukoha muutmisest - ja prootonist saame teise, märgatavalt raskema osakese.

Mis juhtub, kui te ikkagi võtate ja kogute kokku rohkem kui kolm kvarki? Kas tekib uus raske osake? Üllataval kombel see ei tööta - kvargid lagunevad kolmeks ja muutuvad mitmeks hajutatud osakeseks. Millegipärast loodusele "ei meeldi" paljude kvarkide ühendamine üheks tervikuks! Alles üsna hiljuti, sõna otseses mõttes viimastel aastatel, hakkasid ilmnema vihjed, et mõned mitmest kvargist koosnevad osakesed on olemas, kuid see rõhutab ainult seda, kui väga need loodusele ei meeldi.

Sellest kombinatoorikast järeldub väga oluline ja sügav järeldus – hadronite mass ei koosne sugugi kvarkide massist. Aga kui hadroni massi saab suurendada või vähendada lihtsalt selle koostises olevate telliste ümberkombineerimisega, siis pole hadronite massi eest vastutavad kvargid ise. Ja tõepoolest, järgmistes katsetes õnnestus välja selgitada, et kvarkide endi mass moodustab ainult umbes kaks protsenti prootoni massist ja ülejäänud gravitatsioon tekib jõuvälja (spetsiaalsed osakesed - gluoonid) tõttu, mis siduda kvargid kokku. Muutes kvarkide suhtelist asendit, näiteks nihutades neid üksteisest kaugemale, muudame seeläbi gluoonipilve, muutes selle massiivsemaks, mistõttu hadronite mass suureneb (joonis 1).

Mis toimub kiiresti liikuva prootoni sees?

Kõik ülalkirjeldatu puudutab füüsikute keeles statsionaarset prootonit, selline on prootoni struktuur selle puhkeraamis. Kuid katses avastati prootoni struktuur esmalt muudel tingimustel – sees kiire lendamine prooton.

1960. aastate lõpus täheldati osakeste kokkupõrgete katsetes kiirenditel, et valguselähedase kiirusega liikuvad prootonid käitusid nii, nagu poleks nende sees olev energia jaotunud ühtlaselt, vaid oleks koondunud üksikutesse kompaktsetesse objektidesse. Kuulus füüsik Richard Feynman tegi ettepaneku nimetada need ainekogumid prootoniteks partonid(inglise keelest osa - osa).

Järgnevates katsetes uuriti paljusid partonite omadusi – näiteks nende elektrilaengut, arvu ja prootonenergia osa, mida igaüks kannab. Selgub, et laetud partonid on kvargid ja neutraalsed partonid gluoonid. Jah, need samad gluoonid, mis prootoni puhkeraamis kvarke lihtsalt "teenindasid", neid üksteise külge meelitades, on nüüd iseseisvad partonid ja kannavad koos kvarkidega kiiresti liikuva prootoni "ainet" ja energiat. Katsed on näidanud, et ligikaudu pool energiast salvestatakse kvarkidesse ja pool gluoonidesse.

Partoneid on kõige mugavam uurida prootonite kokkupõrgetes elektronidega. Fakt on see, et erinevalt prootonist ei osale elektron tugevas tuuma vastasmõjus ja selle kokkupõrge prootoniga tundub väga lihtne: elektron kiirgab väga lühikeseks ajaks virtuaalse footoni, mis põrkab vastu laetud partonit ja tekitab lõpuks suur hulk osakesi (joon. 2). Võib öelda, et elektron on suurepärane skalpell prootoni “avamiseks” ja selle jagamiseks eraldi osadeks – siiski vaid väga lühikeseks ajaks. Teades, kui sageli sellised protsessid kiirendis toimuvad, saab mõõta prootoni sees olevate partonite arvu ja nende laenguid.

Kes Partonid tegelikult on?

Ja siin jõuame veel ühe hämmastava avastuseni, mille tegid füüsikud, uurides kõrge energiaga elementaarosakeste kokkupõrkeid.

Tavatingimustes on küsimusel, millest see või teine ​​objekt koosneb, universaalne vastus kõigi võrdlussüsteemide jaoks. Näiteks veemolekul koosneb kahest vesinikuaatomist ja ühest hapnikuaatomist – ja pole vahet, kas vaatame liikumatut või liikuvat molekuli. See reegel tundub aga nii loomulik! - rikutakse, kui räägime elementaarosakestest, mis liiguvad valguse kiirusele lähedase kiirusega. Ühes võrdlusraamistikus võib kompleksosake koosneda ühest alamosakeste komplektist ja teises võrdlusraamistikus teisest. Selgub, et kompositsioon on suhteline mõiste!

Kuidas see saab olla? Siin on võtmeks üks oluline omadus: osakeste arv meie maailmas ei ole fikseeritud – osakesed võivad sündida ja kaduda. Näiteks kui suruda kokku kaks piisavalt suure energiaga elektroni, siis võib lisaks nendele kahele elektronile sündida kas footon, või elektron-positroni paar või mõni muu osake. Seda kõike lubavad kvantseadused ja just nii juhtub reaalsetes katsetes.

Kuid see osakeste "mittejäävuse seadus" töötab kokkupõrgete korral osakesed. Kuidas juhtub, et sama prooton erinevatest vaatenurkadest koosnevat erinevast osakeste komplektist? Asi on selles, et prooton ei ole ainult kolm kvarki kokku pandud. Kvarkide vahel on gluooni jõuväli. Üldiselt on jõuväli (nt gravitatsiooni- või elektriväli) teatud tüüpi materiaalne "üksus", mis läbib ruumi ja võimaldab osakestel üksteisele jõuliselt mõjutada. Kvantteoorias koosneb väli ka osakestest, kuigi erilistest – virtuaalsetest. Nende osakeste arv ei ole fikseeritud, nad on kvarkidest pidevalt "pungavad" ja neelavad neid teistesse kvarkidesse.

Puhkamine Prootonit võib tõesti pidada kolmeks kvarkiks, mille vahel hüppavad gluoonid. Aga kui me vaatame sama prootonit teisest raamist, justkui mööduva “relativistliku rongi” aknast, näeme hoopis teistsugust pilti. Need virtuaalsed gluoonid, mis kvarke kokku liimisid, tunduvad vähem virtuaalsed, "reaalsemad" osakesed. Muidugi sünnivad ja neelavad nad endiselt kvarkide poolt, kuid samal ajal elavad nad mõnda aega omaette, lennates kvarkide kõrval nagu pärisosakesed. See, mis ühes tugiraamistikus näeb välja nagu lihtne jõuväli, muutub teises kaadris osakeste vooks! Pange tähele, et me ei puuduta prootonit ennast, vaid vaatame seda ainult erinevast võrdlusraamistikust.

Edasi veel. Mida lähemal on meie "relativistliku rongi" kiirus valguse kiirusele, seda hämmastavam on pilt, mida me prootoni sees näeme. Valguse kiirusele lähenedes märkame, et prootoni sees on üha rohkem gluoone. Pealegi jagunevad nad mõnikord kvark-antikvark paarideks, mis samuti lendavad läheduses ja mida peetakse ka partoniteks. Selle tulemusena ilmub ultrarelativistlik prooton, st meie suhtes valguse kiirusele väga lähedase kiirusega liikuv prooton, kvarkide, antikvarkide ja gluoonide läbitungivate pilvedena, mis lendavad koos ja näivad üksteist toetavat (joonis 3). 3).

Relatiivsusteooriat tundev lugeja võib olla mures. Kogu füüsika põhineb põhimõttel, et kõik protsessid kulgevad kõigis inertsiaalsetes tugisüsteemides ühtemoodi. Aga tuleb välja, et prootoni koostis sõltub sellest, millisest tugiraamistikust me seda vaatleme?!

Jah, täpselt, aga see ei riku kuidagi relatiivsuspõhimõtet. Füüsikaliste protsesside tulemused – näiteks, millised osakesed ja kui palju tekib kokkupõrke tagajärjel – osutuvad küll muutumatuks, kuigi prootoni koostis sõltub tugiraamistikust.

Seda esmapilgul ebatavalist, kuid kõiki füüsikaseadusi täitvat olukorda on skemaatiliselt illustreeritud joonisel 4. See näitab, kuidas kahe suure energiaga prootoni kokkupõrge näeb välja erinevates võrdlusraamides: ühe prootoni ülejäänud kaadris, massi keskpunkt, teise prootoni ülejäänud kaadris. Prootonite omavaheline interaktsioon toimub lõhenevate gluoonide kaskaadi kaudu, kuid ainult ühel juhul peetakse seda kaskaadi ühe prootoni "sisemuseks", teisel juhul teise prootoni osaks ja kolmandal juhul on see lihtsalt mingi prootoni osa. objekt, mida vahetatakse kahe prootoni vahel. See kaskaad on olemas, see on tõeline, kuid see, millisele protsessi osale see tuleks omistada, sõltub tugiraamistikust.

3D-portree prootonist

Kõik tulemused, millest me just rääkisime, põhinesid üsna kaua aega tagasi - eelmise sajandi 60–70ndatel - tehtud katsetel. Näib, et sellest ajast peale oleks tulnud kõike uurida ja kõikidele küsimustele vastused leida. Aga ei – prootoni struktuur on endiselt osakeste füüsika üks huvitavamaid teemasid. Pealegi on huvi selle vastu viimastel aastatel taas kasvanud, sest füüsikud on välja mõelnud, kuidas saada kiiresti liikuvast prootonist “kolmemõõtmeline” portree, mis osutus palju keerulisemaks kui statsionaarse prootoni portree.

Klassikalised katsed prootonite kokkupõrgetel räägivad ainult partonite arvust ja nende energiajaotusest. Sellistes katsetes osalevad partonid iseseisvate objektidena, mis tähendab, et nendelt pole võimalik teada saada, kuidas partonid üksteise suhtes paiknevad või kuidas nad täpselt prootoniks kokku annavad. Võib öelda, et pikka aega oli füüsikute käsutuses vaid “ühemõõtmeline” portree kiiresti liikuvast prootonist.

Prootoni tõelise kolmemõõtmelise portree konstrueerimiseks ja partonite jaotumise väljaselgitamiseks ruumis on vaja palju peenemaid katseid kui need, mis olid võimalikud 40 aastat tagasi. Füüsikud õppisid selliseid katseid läbi viima üsna hiljuti, sõna otseses mõttes viimasel kümnendil. Nad mõistsid, et tohutu hulga erinevate reaktsioonide hulgas, mis toimuvad elektroni põrkumisel prootoniga, on üks eriline reaktsioon - sügav virtuaalne Comptoni hajumine, - mis võib meile rääkida prootoni kolmemõõtmelisest struktuurist.

Üldiselt on Comptoni hajumine ehk Comptoni efekt footoni elastne kokkupõrge osakese, näiteks prootoniga. See näeb välja selline: saabub footon, neeldub prootonisse, mis läheb lühikeseks ajaks ergastatud olekusse ja naaseb seejärel algolekusse, kiirgades footoni mingis suunas.

Tavaliste valgusfootonite Comptoni hajumine ei too kaasa midagi huvitavat – see on lihtsalt valguse peegeldumine prootonilt. Selleks, et prootoni sisemine struktuur "mängu saaks" ja kvarkide jaotus oleks "tunnetatud", on vaja kasutada väga suure energiaga footoneid - miljardeid kordi rohkem kui tavalises valguses. Ja just selliseid footoneid – ehkki virtuaalseid – genereerib kergesti langev elektron. Kui nüüd ühte kombineerida teisega, saame sügava virtuaalse Comptoni hajumise (joonis 5).

Selle reaktsiooni peamine omadus on see, et see ei hävita prootonit. Juhtuv footon ei taba lihtsalt prootonit, vaid justkui katsub seda ettevaatlikult ja lendab siis minema. See, millises suunas see ära lendab ja millise osa energiast prooton sealt võtab, sõltub prootoni ehitusest, partonite suhtelisest paigutusest selle sees. Sellepärast on seda protsessi uurides võimalik taastada prootoni kolmemõõtmeline välimus, justkui "skulptuuri kujundamiseks".

Tõsi, seda on eksperimentaalfüüsikul väga raske teha. Nõutav protsess toimub üsna harva ja seda on raske registreerida. Esimesed katseandmed selle reaktsiooni kohta saadi alles 2001. aastal Hamburgis asuvas Saksamaa kiirendikompleksis DESY asuvas HERA kiirendis; katsetajad töötlevad nüüd uut andmeseeriat. Kuid juba täna joonistavad teoreetikud esimeste andmete põhjal prootonisse kvarkide ja gluoonide kolmemõõtmelisi jaotusi. Füüsikaline suurus, mille kohta füüsikud olid varem vaid oletusi teinud, hakkas lõpuks katsest välja tulema.

Kas selles vallas ootavad meid ees ootamatud avastused? On tõenäoline, et jah. Ütleme näiteks, et 2008. aasta novembris ilmus huvitav teoreetiline artikkel, mis väidab, et kiiresti liikuv prooton ei peaks välja nägema lame ketas, vaid kaksiknõgus lääts. See juhtub seetõttu, et prootoni keskosas asuvad partonid surutakse pikisuunas tugevamini kokku kui servades asuvad partonid. Väga huvitav oleks neid teoreetilisi ennustusi katseliselt testida!

Miks see kõik füüsikutele huvitav on?

Miks peavad füüsikud täpselt teadma, kuidas aine prootonites ja neutronites jaotub?

Esiteks nõuab seda füüsika arengu loogika. Maailmas on palju hämmastavalt keerulisi süsteeme, millega kaasaegne teoreetiline füüsika veel täielikult toime ei tule. Hadronid on üks selline süsteem. Hadronite struktuuri mõistmisega lihvime teoreetilise füüsika võimeid, mis võivad osutuda universaalseks ja võib-olla aitavad midagi täiesti erinevat, näiteks ülijuhtide või muude ebatavaliste omadustega materjalide uurimisel.

Teiseks on tuumafüüsikale otsene kasu. Vaatamata peaaegu sajandipikkusele aatomituumade uurimise ajaloole, ei tea teoreetikud ikka veel täpset prootonite ja neutronite vastastikuse mõju seadust.

Osaliselt peavad nad selle seaduse eksperimentaalsete andmete põhjal ära arvama ja osaliselt nukleonite struktuuri puudutavate teadmiste põhjal konstrueerima. Siin on abiks uued andmed nukleonide kolmemõõtmelise struktuuri kohta.

Kolmandaks suutsid füüsikud mitu aastat tagasi saada mitte vähem kui uue aine agregeeritud oleku - kvark-gluoonplasma. Selles olekus ei asu kvargid üksikutes prootonites ja neutronites, vaid kõnnivad vabalt läbi kogu tuumaainekogumi. Seda on võimalik saavutada näiteks nii: rasked tuumad kiirendatakse gaasipedaalis valguse kiirusele väga lähedase kiiruseni ja põrkuvad seejärel laupkokku. Selles kokkupõrkes tõusevad väga lühikeseks ajaks triljoneid kraadiseid temperatuure, mis sulatavad tuumad kvark-gluoonplasmaks. Seega selgub, et selle tuuma sulamise teoreetilised arvutused nõuavad nukleonide kolmemõõtmelise struktuuri häid teadmisi.

Lõpuks on need andmed astrofüüsika jaoks väga vajalikud. Kui rasked tähed oma eluea lõpus plahvatavad, jätavad nad sageli maha äärmiselt kompaktsed objektid – neutron- ja võib-olla ka kvarktähed. Nende tähtede tuum koosneb täielikult neutronitest ja võib-olla isegi külmast kvark-gluoonplasmast. Sellised tähed on ammu avastatud, kuid võib vaid oletada, mis nende sees toimub. Seega võib kvarkide jaotuste hea mõistmine viia astrofüüsika arenguni.

Sellest artiklist leiate teavet prootoni kui elementaarosakese kohta, mis koos teiste keemias ja füüsikas kasutatavate elementidega moodustab universumi aluse. Määratakse prootoni omadused, selle keemilised omadused ja stabiilsus.

Mis on prooton

Prooton on üks elementaarosakeste esindajatest, mis liigitatakse barüonideks, nt. milles fermioonid interakteeruvad tugevalt ja osake ise koosneb 3 kvargist. Prooton on stabiilne osake ja sellel on isiklik impulss - spin ½. Prootoni füüsiline tähistus on lk(või lk +)

Prooton on elementaarosake, mis osaleb termotuumatüüpi protsessides. Just seda tüüpi reaktsioon on sisuliselt peamine energiaallikas, mida tähed toodavad kogu universumis. Peaaegu kogu Päikesest vabanev energia eksisteerib ainult tänu 4 prootoni ühendamisele üheks heeliumi tuumaks ja kahest prootonist ühe neutroni moodustumisega.

Prootonile omased omadused

Prooton on üks barüonide esindajatest. See on fakt. Prootoni laeng ja mass on konstantsed suurused. Prooton on elektriliselt laetud +1 ja selle mass on määratud erinevates mõõtühikutes ja on MeV 938,272 0813(58), prootoni kilogrammides on kaal arvudes 1,672 621 898(21) 10 −27 kg, aatommassi ühikutes on prootoni kaal 1,007 276 466 879(91) a. e.m. ja elektroni massi suhtes kaalub prooton elektroni suhtes 1836,152 673 89 (17).

Prooton, mille määratlus on juba eespool toodud, on füüsika seisukohalt elementaarosake, mille projektsioon on isospin +½ ja tuumafüüsika tajub seda osakest vastupidise märgiga. Prooton ise on nukleon ja koosneb kolmest kvargist (kaks u-kvarki ja üks d-kvark).

Prootoni struktuuri uuris eksperimentaalselt Ameerika Ühendriikide tuumafüüsik Robert Hofstadter. Selle eesmärgi saavutamiseks põrkas füüsik prootoneid kokku suure energiaga elektronidega ja talle omistati kirjelduse eest Nobeli füüsikaauhind.

Prooton sisaldab südamikku (raske tuum), mis sisaldab umbes kolmkümmend viis protsenti prootoni elektrilaengu energiast ja on üsna suure tihedusega. Südamikku ümbritsev kest on suhteliselt tühjenenud. Kest koosneb peamiselt virtuaalsetest tüüp- ja p-mesonitest ning kannab umbes viiskümmend protsenti prootoni elektripotentsiaalist ning asub ligikaudu 0,25 * 10 13 kuni 1,4 * 10 13 kaugusel. Veelgi kaugemal, umbes 2,5 * 10 13 sentimeetri kaugusel, koosneb kest ja w virtuaalsest mesonist ning sisaldab ligikaudu ülejäänud viisteist protsenti prootoni elektrilaengust.

Prootoni stabiilsus ja stabiilsus

Vabas olekus ei näita prooton mingeid lagunemise märke, mis viitab selle stabiilsusele. Prootoni kui barüonide kergeima esindaja stabiilse oleku määrab barüonite arvu jäävuse seadus. SBC seadust rikkumata on prootonid võimelised lagunema neutriinodeks, positroniteks ja muudeks kergemateks elementaarosakesteks.

Aatomituuma prootonil on võime hõivata teatud tüüpi elektrone, millel on K, L, M aatomi kestad. Prooton, olles lõpetanud elektronide kinnipüüdmise, muundub neutroniks ja vabastab selle tulemusena neutriino ning elektronide püüdmise tulemusena tekkinud “auk” täitub elektronidega, mis on ülevalt all olevatest aatomikihtidest.

Mitteinertsiaalsetes võrdluskaadrites peavad prootonid omandama piiratud eluea, mida saab arvutada, see on tingitud Unruh’ efektist (kiirgusest), mis kvantväljateoorias ennustab võimalikku soojuskiirguse kontemplatsiooni võrdluskaadris, mis on kiirendatud; seda tüüpi kiirguse puudumine. Seega võib prooton, kui selle eluiga on piiratud, läbida beeta-lagunemise positroniks, neutroniks või neutriinoks, hoolimata asjaolust, et sellise lagunemise protsess ise on ZSE poolt keelatud.

Prootonite kasutamine keemias

Prooton on H-aatom, mis on ehitatud ühest prootonist ja sellel pole elektroni, seega on prooton keemilises mõttes üks H-aatomi tuum. Prootoniga paaris olev neutron loob aatomi tuuma. Dmitri Ivanovitš Mendelejevi PTCE-s näitab elemendi number prootonite arvu konkreetse elemendi aatomis ja elemendi numbri määrab aatomi laeng.

Vesinikkatioonid on väga tugevad elektroniaktseptorid. Keemias saadakse prootoneid peamiselt orgaanilistest ja mineraalhapetest. Ioniseerimine on meetod prootonite tootmiseks gaasifaasis.