Ach, znam ten!

Co jest w protonie?

Proton jest naprawdę zbudowany z wzbudzeń w polach kwantowych (coś w rodzaju zlokalizowane fale). Zapamietaj to. Za każdym razem, gdy słyszysz jakikolwiek inny opis składu protonu, jest to tylko przybliżenie zachowania pól kwantowych w kategoriach czegoś, co ludzie prawdopodobnie lepiej znają. Musimy to zrobić, ponieważ pola kwantowe zachowują się w bardzo nieintuicyjny sposób, więc jeśli nie pracujesz z pełną maszynerią matematyczną QCD (co jest trudne), musisz stworzyć jakiś uproszczony model użyć jako analogii.

Jedną z bardziej zagmatwanych rzeczy w przypadku wzbudzeń pola kwantowego jest to, że reagują one różnie w zależności od tego, jak są obserwowane. Mówiąc dokładniej, jedynym sposobem pomiaru właściwości wzbudzenia w polu kwantowym jest wywołanie interakcji z innym wzbudzeniem i sprawdzenie, jak te wzbudzenia wpływają na siebie nawzajem. Albo w języku cząstek, musisz uderzyć w cząsteczkę inną cząstką („sondą”) i zobaczyć, co z niej wyjdzie. W zależności od ładunku, energii, pędu i innych właściwości sondy można uzyskać różne wyniki.

Ludzie robili to od dziesięcioleci i zebrali wyniki w kilka ogólnych wniosków. Na przykład podczas powolnej kolizji, przy bardzo małej ilości energii, proton zachowuje się jak pojedyncza cząstka punktowa. Jeśli nadamy cząstkom nieco więcej energii, proton będzie wyglądał bardziej jak kropelka z trzema punktami - po części często mówi się, że proton składa się z trzech kwarków. (Nawiasem mówiąc, powodem, dla którego widzisz obrazy takie jak ten, który znalazłeś na Wikipedii, jest to, że przez długi czas ludzie zderzali się z protonami w pośrednich energiach, gdzie wydają się zachowywać jak grupa trzech kwarków.) Jeśli damy zderzające się cząstki nawet Coraz więcej energii, proton będzie wydawał się coraz gęstszym połączeniem wszelkiego rodzaju cząstek: kwarków, antykwarków, gluonów, fotonów, elektronów i wszystkiego innego. Nazywamy te cząstki partonami (ponieważ są one częścią protonu).

Poniższy diagram przedstawia reprezentatywne przykłady skutecznego składu protonu w różnego rodzaju zderzeniach. Oś pionowa zasadniczo odpowiada energii zderzenia, a oś pozioma odpowiada „zdolności rozdzielczej” padającej („sondy”) cząstki. (Zdolność rozdzielcza to w zasadzie pęd poprzeczny, ale nie potrafię wyjaśnić, jak działa to połączenie, bez wchodzenia w szczegóły mechaniki kwantowej, niż myślę, że jest to konieczne). Zawartość każdego okręgu przedstawia, z grubsza, próbną „migawkę” tego, jak proton zachowuje się w zderzeniu przy odpowiedniej energii i zdolności rozdzielczej. Dokładne liczby, lokalizacje i kolory kropek nie są znaczące (z wyjątkiem trochę w lewym dolnym rogu), po prostu zwróć uwagę, jak stają się większe lub mniejsze i mniej lub bardziej liczne, gdy poruszasz się po działce.

Na przykład, jeśli trafisz w proton wiązką sond o wysokiej energii (u góry), które mają słabą zdolność rozdzielczą (po lewej), zachowuje się on jak gęsta grupa partonów (kwarki i gluony itp.), z których każdy który jest dość duży. Lub jeśli trafisz w proton wiązką sond niskoenergetycznych (na dole) o dużej zdolności rozdzielczej (po prawej), zachowuje się on jak rzadkie skupisko partonów, z których każdy jest mały. Jeśli trafisz go wiązką sond o niskiej energii (na dole) i niskiej rozdzielczości (po lewej), zachowa się jak zbiór trzech cząstek.

Fizycy opisują ten pozornie zmieniający się skład za pomocą partonu funkcje dystrybucji (pliki PDF), często oznaczane jako $ f (x, Q ^ 2) $ . Przy pewnych niezbyt szalonych założeniach $ f (x, Q ^ 2) $ można zinterpretować jako gęstość prawdopodobieństwa interakcji sondy z określonym typem partonu z określonym rozmachem. Wizualnie $ f (x, Q ^ 2) $ jest powiązany z liczbą cząstek w okręgu w odpowiednim $ (x, Q) $ punktu na wykresie (chociaż ponownie, dokładne liczby nie są wybrane tak, aby dokładnie odzwierciedlały rzeczywistość). Aby uzyskać więcej informacji na temat dystrybucji parton, odesłałbym Cię do mojej odpowiedzi i zasobów w niej wymienionych, a także tego.

Co szary obszar?

Na poprzednim obrazku, pokazałem każdą migawkę protonu jako zbiór partonów (kwarków i gluonów itp.) równomiernie rozmieszczonych w okręgu, tak jakby proton miał określoną krawędź i nie ma nic poza tą krawędzią. Ale w rzeczywistości tak nie jest. Pola kwantowe tworzące proton stopniowo zanikają do zera w miarę oddalania się od centrum, nadając protonowi rozmytą krawędź. Zatem (nieco) dokładniejsza migawka próbki wyglądałaby mniej więcej tak:

Zauważ, że w pobliżu środka protonu znajduje się więcej kropek i stopniowo mniej, gdy zbliżasz się do krawędzi; oznacza to fakt, że sonda, która uderza w martwe centrum protonu, ma większe szanse na interakcję niż sonda, która uderza w nią blisko krawędzi.

Zwykłe rozkłady partonów, o których wspomniałem powyżej, $ f (x, Q ^ 2) $ , są częścią uproszczonego modelu, w którym ignorujemy ten fakt i udajemy, że partony są rozmieszczone równomiernie w przestrzeni. Ale możemy stworzyć bardziej skomplikowany model, który uwzględnia fakt, że partony są skupione w kierunku środka protonu. W takim modelu, zamiast zwykłych dystrybucji partonów, otrzymujesz bardziej skomplikowane funkcje, zwane dystrybucjami partonów zależnymi od parametrów wpływu i oznaczone $ f (x, Q ^ 2, b) $ , gdzie $ b $ to promieniowa odległość od środka, w który trafia sonda - parametr uderzenia.

Było kilka badań teoretycznych pokazujących, że te zależne od parametrów wpływu rozkłady partonów zanikają stopniowo w miarę zbliżania się do dużych promieni. Na przykład patrz rysunek 5 w tym artykule ( arXiv) lub rysunek 7 w tym artykule ( arXiv):

Tutaj $ N (y) $ to ilość związana z dystrybucje partonów (konkretnie, jest to amplituda rozpraszania dipoli kolorów), która to rodzaj „kondensacji” wielu różnych rozkładów partonów w jedną wielkość. (Ogromne uproszczenie, ale wystarczy do tego). Następnie możesz zdefiniować zasięg przestrzenny protonu jako region, w którym $ N (y) $ znajduje się powyżej, powiedzmy 5% jego maksymalnej wartości. Lub 10%. Lub 50%. Dokładna liczba jest nieco arbitralna, ale chodzi o to, że niezależnie od wybranej liczby, skończysz z okręgiem obejmującym region, w którym funkcja rozkładu partonów jest duża, mniej więcej tak:

Z grubsza to przedstawia szare kółko na obrazku z Wikipedii. To region o rozmiarze rzędu $ 1 \ text {fm} $ (to około 5 $ \ text {GeV} ^ {- 1} $ w jednostkach naturalnych), gdzie prawdopodobieństwo, że przypadkowa cząstka (sonda) odbije się od protonu jest stosunkowo duże. Równoważnie jest to region, w którym rozkłady partonów są duże, a także region, w którym pola kwantowe tworzące proton są bardzo różne od zera.

Jak można się domyślić, wszystko to jest dość nieprecyzyjne. Możesz wprowadzić bardziej rygorystyczną definicję rozmiaru protonu, używając przekroju rozpraszania. Możesz również uzyskać definicję bez użycia rozpraszania, używając promienia ładunku, który można zmierzyć lub obliczyć różnymi innymi metodami. Nie będę się w to zagłębiał, ponieważ szczegóły byłyby istotne dla całego oddzielnego pytania, ale wyniki wszystkich tych metod wychodzą z promieniem nieco mniejszym niż $ 1 \ text { fm} $ .

Nawiasem mówiąc, twierdzenie, że proton jest w 99% pustą przestrzenią, jest prawdopodobnie fałszywe, używając jakiejkolwiek rozsądnej definicji. Być może myślisz o atomach , gdzie objętość, w której pole kwantowe elektronu ma znaczną wartość, jest znacznie większa niż rozmiar samego elektronu, cokolwiek by to nie było. Ludzie czasami to upraszczają, mówiąc, że atom składa się z dużej części pustej przestrzeni. Ale tak naprawdę nie można zrobić tego samego z protonem, biorąc pod uwagę dużą liczbę zawartych w nim cząstek i siłę ich interakcji.

Ilustracja nie przedstawia podkreślonej rzeczywistości fizycznej. proton składa się z 3 kwarków, a mianowicie $ uud $, ale składa się również, jak wskazał jinawee , z wirtualne kwarki i antykwarki , które są nieustannie tworzone i unicestwiane przez silną siłę, w której pośredniczą gluony, opisane przez Quantum Chromodynamics (QCD).

Szara kula na stronie Wikipedii pokazuje region, w którym kwarki tworzą proton, innymi słowy, jeśli funkcja falowa pokazuje prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w obszarze przestrzeni, to ta sfera pokazuje prawdopodobieństwo, w którym można znajdź niezbędne kwarki tworzące proton.

Nie możesz uważać protonu za trzy kwarki (zwane kwarkami walencyjnymi, ponieważ określają one liczby kwantowe), ponieważ wirtualne kwarki i antykwarki są nieustannie tworzone i anhilowane przez silne siły. Zatem proton bardziej przypomina morze kwarków . W rzeczywistości ten proces daje większą część masy protonu (kwarki walencyjne stanowią tylko 2% masy).

To mniej więcej tak:

Linie łączące kwarki to gluony (cząstki będące nośnikami siły oddziaływania silnego).

Odpowiedź na zadane przez Ciebie pytanie została udzielona w formie spopularyzowanego opisu.

Prawdziwy obraz fizyki nie jest prosty i zależy w dużej mierze od wielu pomiarów eksperymentalnych przeprowadzonych w ramach wielu eksperymentów. Jeśli spojrzysz na rysunek 9.18 łącza, zobaczysz, że skład protonu zmienia się zgodnie z przeniesieniem pędu z badanej cząstki.

W przeciwieństwie do stwierdzenia, że ​​jest to głównie pusta przestrzeń, tak nie jest. Cząstki badające proton nie przepływają bez szwanku, wchodzą w interakcję z kwarkami i gluonami, które go tworzą, dzięki czemu na rysunku otrzymujemy funkcje partonów. Powodem, dla którego nie jest przeważnie pusty, jest to, że chromodynamika kwantowa, w przeciwieństwie do innych sił, nie zmniejsza się wraz z odległością, ale zwiększa się, a zatem składniki są ściśle związane.

Zatem odpowiedź na pytanie „co jest wewnątrz protonu” jest „to zależy od tego, jak spojrzysz do środka”. Z zewnątrz ma liczby kwantowe przypisane do niego przez trzy kwarki walencyjne.

Prawdziwy problem polega na tym, że kiedy rzeczy stają się naprawdę, bardzo małe, nie zachowują się jak świat, który widzimy wokół nas. To może sprawić, że wiele z tego, co dzieje się w tym dziwnym świecie, będzie trudnych do zrozumienia.

Diagram jest mylący. Protony nie są tak naprawdę okrągłe, szare plamy, a kwarki nie są tak naprawdę małymi kulkami, które znajdują się w nich. Na poziomie subatomowym zasady Mechaniki Kwantowej .

Jednym z dziwnych rezultatów mechaniki kwantowej jest to, że naprawdę małe rzeczy nie zajmują w rzeczywistości ani jednej przestrzeni. Spójrz na swoją rękę. Jest tam, prawda? W jednym miejscu. Jeśli zwiniesz go w pięść, zajmie mniej miejsca, a jeśli go rozciągniesz, zajmie więcej. Ale zawsze jest w jednym miejscu.

Naprawdę małe rzeczy nie działają w ten sposób. Zamiast tego zajmują jednocześnie wiele punktów w przestrzeni. Zwykle rysujemy diagramy, na których rzeczywiste pozycje małych rzeczy są przedstawiane jak chmury: są one w wielu miejscach naraz.

Kwarki też takie są. Są trzymani razem przez niewiarygodnie silne siły, ale też próbują uciec od siebie. Na przykład podczas długiej jazdy samochodem z rodzicami. Co mam robić podczas długiej jazdy z rodzicami? Wiercę się. Nie mogłem ci powiedzieć, gdzie będę - przednie siedzenie, tylne siedzenie - ponieważ ciągle się przemieszczam. Ale wiesz, że jestem gdzieś w samochodzie, nawet jeśli nie możesz mi powiedzieć dokładnie, gdzie.

I tak z kwarkami, z jednym skrętem: naprawdę są w wielu w różnych miejscach w tym samym czasie. Wiemy, że najprawdopodobniej pozostają w granicach: w tym przypadku w szarym kręgu protonu.

Jeśli chodzi o 99% pustej przestrzeni, rzeczywista liczba jest znacznie wyższa. Bardzo niewiele składa się z materii (zwykle nazywamy cząstki podobne do materii hadronami). Więc dlaczego przez cały czas nie wpadamy w kłopoty? Dlaczego mój laptop nie prześlizguje się przez biurko, jeśli to w większości nic? Cóż, ponieważ siły między tymi drobnymi cząstkami są ogromne w porównaniu do ich rozmiarów (i, co ważniejsze, w porównaniu z ich masą). To pozwala im zachować zrównoważoną odległość od siebie i powstrzymuje wszystko inne przed zbliżeniem się do nich lub wpadnięciem „pomiędzy” cząstkami. Kiedy łapiesz piłkę, cząsteczki w twojej dłoni i cząsteczki w kulce nigdy nawet nie zbliżają się do „dotknięcia”, ponieważ siły między cząstkami są tak silne. Zamiast tego piłka jest „odpychana” z dłoni. To odpychanie równoważy się z siłą piłki wynikającą z grawitacji, więc piłka pozostaje tam, gdzie jest.

TL; DR: Diagram wyjaśnia, jak wszystko działa na bardzo małą skalę. Niestety jest to bardzo mylące. „Przestrzeń między” cząstkami to a) nie tak naprawdę przestrzeń, ale „chmury punktów” możliwych pozycji cząstek (jest kęs), oraz b) to siły między cząstkami, a nie same cząstki, zatrzymują „pustą przestrzeń” w proton był czymś, przez co mógłbyś przejść.

Jak wskazały niektóre odpowiedzi, „szara kula” pokazana na rysunku nie jest sama w sobie fizyczną jednostką. Ma to więcej wspólnego z klasycznym poglądem, że cząstki subatomowe są obiektami stałymi, podczas gdy w rzeczywistości nimi nie są. Jest to reprezentacja średniego promienia cząstki.

Kiedy wykonujesz eksperyment w celu wykrycia protonu, masz pewne prawdopodobieństwo znalezienia go wewnątrz szarego obszaru, ale także małe prawdopodobieństwo znalezienia go na zewnątrz . Więc lepszym sposobem na pokazanie tego byłoby przedstawienie kuli jaśniejszym odcieniem szarości, gdy oddalasz się od środka cząstki. Dałoby to lepsze wyobrażenie o tym, że cząstka nie jest ciałem stałym o określonych krawędziach. W miarę oddalania się od oczekiwanej pozycji (środek szarej strefy) coraz mniej prawdopodobne jest wykrycie protonu.

Chodzi o to, że to nie jest zdjęcie protonu; jest to schematyczne przedstawienie. Możesz to zobaczyć jako diagram Eulera, który mówi, że w protonie masz 3 kwarki walencyjne i trochę gluonów.

Nawiasem mówiąc, dokładne składniki protonu to wciąż kwestia otwarta.