Proton neden dönüyor? Fizik şaşırtıcı bir cevap tutar
Bir protonun üç değerlik kuarkı onun dönüşüne katkıda bulunur, ancak gluonlar, deniz kuarkları ve antikuarklar ve yörünge açısal momentumu da öyle. Resim kredisi: APS/Alan Stonebraker.
Kuarkların dönüşlerini bir araya toplamak cazip gelebilir, ancak deneylerin kabul ettiği şey bu değil!
Dünya'nın (ve muhtemelen tüm güneş sisteminin) ağırlıklı olarak negatif elektronlar ve pozitif protonlar içermesini bir tesadüf olarak görmeliyiz. Bazı yıldızlar için bunun tam tersi olması oldukça olasıdır. - Paul Dirac
Evrendeki herhangi bir parçacığı alıp diğer her şeyden yalıtabilirsiniz, ancak bazı özellikler asla alınamaz. Bunlar, parçacığın kendisinin içsel, fiziksel özellikleridir – kütle, yük veya açısal momentum gibi özellikler – ve herhangi bir tek parçacık için her zaman aynı olacaktır. Elektronlar gibi bazı parçacıklar temeldir ve kütleleri, yükleri ve açısal momentumları da temeldir. Ancak diğer parçacıklar, proton gibi bileşik parçacıklardır. Protonun yükü (+1), onu oluşturan üç kuarkın (iki yukarı +2/3 ve bir aşağı kuark -1/3) toplamından kaynaklanırken, açısal momentumunun hikayesi çok daha karmaşık . Tıpkı elektron gibi bir spin = 1/2 parçacık olmasına rağmen, onu oluşturan üç kuarkın spinlerini basitçe toplamak yeterli değildir.
Protondaki ikisi yukarı ve biri aşağı olan üç değerlik kuarkın, başlangıçta onun 1/2 spinini oluşturduğu düşünülüyordu. Ancak bu basit fikir deneylere uymuyordu. Resim kredisi: Arpad Horvath .
Açısal momentuma katkıda bulunan iki şey vardır: herhangi bir temel parçacığın doğasında bulunan içsel açısal momentum olan spin ve bir bileşik parçacığı oluşturan iki veya daha fazla temel parçacıktan elde ettiğiniz şey olan yörünge açısal momentumu. (Aldanmayın: hiçbir parçacık aslında fiziksel olarak dönmez, ancak spin, içsel açısal momentumun bu özelliğine verdiğimiz isimdir.) Bir protonun iki yukarı kuarkı ve bir aşağı kuarkı vardır ve bunlar gluonlar tarafından bir arada tutulurlar. : üç kuarkı karşılıklı olarak birbirine bağlayan kütlesiz, renk yüklü parçacıklar. Her kuarkın 1/2'lik bir dönüşü vardır, bu nedenle, biri diğer ikisinin zıt yönünde döndüğü sürece, protonun dönüşünü elde edeceğinizi düşünebilirsiniz. 1980'lere kadar, standart akıl yürütme tam olarak böyleydi.
Protonun ilgili alanları ile birlikte modellenen yapısı, üç değerlik kuarklarının tek başına protonun dönüşünü açıklayamadığını ve bunun yerine onun sadece bir kısmını açıkladığını göstermektedir. Resim kredisi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı.
Temel durumda iki yukarı kuark – iki özdeş parçacık – ile, Pauli dışlama ilkesinin bu iki özdeş parçacığın aynı durumu işgal etmesini engellemesini beklersiniz ve bu nedenle birinin +1/2 olması gerekirken diğerinin olması gerekir. -1/2. Bu nedenle, üçüncü kuarkın (aşağı kuark) size toplam 1/2 dönüş vereceğini düşünürsünüz. Ama sonra deneyler geldi ve oyunda büyük bir sürpriz vardı: yüksek enerjili parçacıkları protona çarptığınızda, içerideki üç kuark (yukarı, yukarı ve aşağı) protonun dönüşüne yalnızca yaklaşık %30 katkıda bulundu.
Kuarklar, gluonlar ve kuark dönüşüyle birlikte bir protonun iç yapısı gösterilmiştir. Resim kredisi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı.
Bu üç bileşenin üç iyi nedeni vardır. bu kadar basit bir şekilde eklemeyebilir .
- Kuarklar özgür değildir, ancak küçük bir yapı içinde birbirine bağlıdır: proton. Bir nesneyi sınırlamak, dönüşünü değiştirebilir ve üç kuark da oldukça sınırlıdır.
- İçinde gluonlar var ve gluonlar da dönüyor. Gluon dönüşü, kuark dönüşünü protonun açıklığı boyunca etkili bir şekilde tarayarak etkilerini azaltır.
- Ve son olarak, kuarkları delokalize eden, parçacıklar gibi tam olarak tek bir yerde olmalarını engelleyen ve daha dalga benzeri bir analiz gerektiren kuantum etkileri vardır. Bu etkiler ayrıca protonun genel dönüşünü azaltabilir veya değiştirebilir.
Diğer bir deyişle, %70'lik kayıp gerçektir.
Daha iyi deneyler ve teorik hesaplamalar ortaya çıktıkça, gluonlar, deniz kuarkları ve yörünge etkileşimlerinin devreye girmesiyle proton hakkındaki anlayışımız daha karmaşık hale geldi. Resim kredisi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı.
Belki de bunların sadece üç değerlik kuark olduğunu ve gluon alanından kuantum mekaniğinin kendiliğinden kuark/antikuark çiftleri yaratabileceğini düşünürdünüz. Bu kısım doğrudur ve protonun kütlesine önemli katkılarda bulunur. Ancak protonun açısal momentumu söz konusu olduğunda, bu deniz kuarkları ihmal edilebilir düzeydedir.
Standart modelin fermiyonları (kuarklar ve gluonlar), antifermiyonlar (antikuarklar ve antileptonlar), tümü spin = 1/2 ve bozonlar (tamsayı dönüşü) hepsi birlikte gösterilmiştir. Resim kredisi: E. Siegel.
Belki o zaman, gluonlar önemli bir katkıda bulunur? Ne de olsa, temel parçacıkların standart modeli, tümü spin = 1/2 olan fermiyonlar (kuarklar ve leptonlar) ve foton, W-ve-Z ve gluonlar gibi tümü spin = olan bozonlarla doludur. 1. (Ayrıca, spin = 0'ın Higgs'i var ve eğer kuantum yerçekimi gerçekse, spin = 2'nin gravitonu var.) Proton içindeki tüm gluonlar göz önüne alındığında, belki onlar da önemlidir?
Brookhaven'ın RHIC'deki PHENIX dedektörü gibi sofistike bir dedektör içinde parçacıkları yüksek enerjilerde çarpıştırarak, gluonların dönüş katkılarının ölçülmesinde yol açmıştır. Resim kredisi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı.
Bunu test etmenin iki yolu vardır: deneysel ve teorik olarak. Deneysel bir bakış açısından, protonun derinliklerindeki parçacıkları çarpıştırabilir ve gluonların nasıl tepki verdiğini ölçebilirsiniz. Protonun genel momentumuna en fazla katkıda bulunan gluonların, protonun açısal momentumuna önemli ölçüde katkıda bulunduğu görülmektedir: yaklaşık %40, belirsizlik ± %10'dur. Daha iyi deneysel kurulumlarla (ki bu yeni bir elektron/iyon çarpıştırıcısı gerektirir), daha düşük momentumlu gluonlara kadar inebilir ve daha da büyük doğruluklar elde edebiliriz.
İki proton çarpıştığında, çarpışan sadece onları oluşturan kuarklar değil, deniz kuarkları, gluonlar ve bunun ötesinde alan etkileşimleri. Hepsi, tek tek bileşenlerin dönüşü hakkında bilgi sağlayabilir. Resim kredisi: CERN / CMS İşbirliği.
Ancak teorik hesaplamalar da önemlidir! A Kafes QCD olarak bilinen hesaplama tekniği süper bilgisayarların gücü katlanarak arttığından, son birkaç on yılda istikrarlı bir şekilde gelişiyor. Kafes QCD şimdi, yine birkaç yüzde belirsizlikle, protonun dönüşüne gluon katkısının %50 olduğunu tahmin edebileceği noktaya ulaştı. En dikkat çekici olan şey, hesaplamaların - bu katkıyla birlikte - kuark dönüşünün gluon taramasının etkisiz olduğunu göstermesidir; kuarklar farklı bir etkiden taranmalıdır.
Hesaplama gücü ve Kafes QCD teknikleri zamanla geliştikçe, bileşen spin katkıları gibi protonla ilgili çeşitli miktarların hesaplanabileceği doğruluk da artmaktadır. İmaj kredisi: Laboratoire de Physique de Clermont / ETM İşbirliği.
Kalan %20, deniz kuarklarının hem deneysel hem de teorik olarak ihmal edilebilir bir katkısı olduğundan, gluonların ve hatta sanal pionların üç kuarkı çevrelediği yörünge açısal momentumundan gelmelidir.
Bir proton, daha eksiksiz olarak, birbirinin yörüngesinde dönen değerlik kuarklardan, deniz kuarklarından ve antikuarklardan, dönen gluonlardan oluşur. İşte onların dönüşleri buradan geliyor. İmaj kredisi: Zhong-Bo Kang, 2012, RIKEN, Japonya.
Hem teorinin hem de deneyin aynı fikirde olması dikkat çekici ve büyüleyici, ancak hepsinden inanılmazı, protonun dönüşü için en basit açıklamanın - sadece üç kuarkı toplamak - size yanlış nedenle doğru cevabı vermesidir! Proton dönüşünün %70'inin gluonlardan ve yörünge etkileşimlerinden gelmesi ve el ele gelişen deneyler ve Kafes QCD hesaplamaları ile, sonunda protonun tam olarak neden tam olarak sahip olduğu değerle döndüğünü anlıyoruz.
Bir Patlama İle Başlar Forbes'ta çalışıyor , Medium'da yeniden yayınlandı Patreon destekçilerimize teşekkürler . Ethan'ın ilk kitabını sipariş et, Galaksinin Ötesinde , ve bir sonraki ön siparişini verin, Treknology: Tricorder'lardan Warp Drive'a Uzay Yolu Bilimi !