Pendant des décennies, la plupart des physiciens se concentrent sur la recherche que les particules subatomiques exotiques, telles que les neutrinos ou boson de Higgs et ainsi de suite. Mais peu de gens se concentrent sur le corps Proton.
Cependant, lorsque nous réexaminons les protons, vous constaterez que nous sommes des particules les plus familières, encore plein de charme. Une partie de sa nature la plus fondamentale est que nous ne sommes pas en mesure de déterminer, par exemple, le mystère de son rayon, que ce soit son origine et sa durée de vie de spin a une limite de temps.
Qu'est-ce qu'un proton?
Dans l'histoire de l'univers, le proton est certainement un grand VIP (très importantes) Particules. Ils millionième de seconde après l'univers après le Big Bang, dans les premiers temps, l'univers était trop chaud pour ne pas faire les particules chargées positivement de moulage. Cependant, proton officiellement dans notre ligne de mire seulement avoir lieu il y a 100 ans. A cette époque, un bombardement d'atomes d'azote Rutherford, a été « dépouillé » hors du noyau de protons de libération.
atome contient un proton (proton), les neutrons (neutrons) et le nuage d'électrons (Electron nuage). (Source: DEUTSCHES ELEKTRONEN Synchrotron)
Un proton plus un électron, il est la forme la plus abondante de l'atome d'hydrogène de l'univers.
Proton dans notre corps, dans le coeur du soleil entre les rayons cosmiques. Il est partout. Cependant, nous ne savons pas.
Un casse-tête: le rayon de mystère
statut: Deux différentes méthodes de mesure donnent des valeurs de rayon différentes.
Pourquoi est-il important? Voulez-vous la théorie de la façon dont les particules entre le rôle de l'inspection serait rayon du proton besoin zhi a mesuré avec précision. Si cet écart continue, cela peut signifier qu'il ya un particules non découvertes.
Dans le passé, les scientifiques ont toujours pensé que le rayon du proton est d'environ 0,88 mètres voler. Mais cette situation harmonieuse mai 2010 a été en brisée lors d'une réunion en France. Deux équipes différentes présente une mesure plus précise du rayon du proton aux participants. Mais ce qui est surprenant est qu'ils obtiennent la différence de rayon de 4% en valeur.
Deux équipes en utilisant différentes méthodes pour mesurer la taille d'un proton. En Allemagne et aux États-Unis en raison d'une expérience d'accélérateur de particules MAMI à Mayence en Bernauer et ses collègues ont utilisé La loi de Electron - un faisceau d'électrons d'énergie élevée heurtant protons, observées dans le proton surface de diffusion des électrons - pour estimer la taille du rayon du proton. Leurs résultats expérimentaux sont conformes aux résultats passés, à savoir le rayon du proton de 0,88 m mouche.
gauche: un atome d'hydrogène commun, composé d'électrons et de protons; droite: un atome d'hydrogène , est remplacé par un sous-électronique [mu].
Une autre équipe dirigée par Randolf Pohl, a adopté une approche différente. Ils remplaceront les électrons de l'atome d'hydrogène dans son cousin, - enfant (Muon), puis le sous- au moyen d'un laser excité à un niveau d'énergie supérieur. L'énergie nécessaire pour cela dépendra de la taille du proton. Etant donné que la sous- plus lourd, ce qui est plus proche que le proton d'électrons, et donc l'utilisation du résultat de la mesure du rayon du proton sous- 10 fois plus précise que celle obtenue par des expériences de diffusion d'électrons.
isotope atome de deutérium est un atome d'hydrogène.
Pohl et la valeur résultante est 0.841 mètres voler. Par la suite, la dernière fois, Pohl mesurée sous atome de deuterium, sous environ deutérons (par la composition d'un proton et d'un neutron). De même, les résultats qu'ils donnent sont aussi plus petits que prévu.
Pourquoi différentes mesures donnent des résultats différents? Peut-être que nous pouvons blâmer l'erreur expérimentale, mais personne ne doit connaître sa source. A partir des données expérimentales utilisées pour calculer le rayon théorique est très solide.
Alors, les gens ont commencé à discuter de la possibilité d'encore plus bizarre. Peut-être il y a une nouvelle particule, seule l'interaction avec le promoteur de , mais pas avec l'effet électronique, ce qui permet d'expliquer la différence de rayon mesuré. Dans le passé, nous avons toujours pensé que le comportement des protons et des électrons dans l'effet des particules est la même, ce qui est le principe de base de la physique théorique, mais sinon, qui est une découverte de percée fondamentale.
Pour étudier les scientifiques du rayon de protons à l'aide d'un laser. (Source :. A ANTOGNINI ET F. Reiser / PSI)
Ensuite, les scientifiques prévoient des expériences pour tester si différentes différences de rayon de protons existent encore, comme des expériences de u-diffusion effectuée pour voir si les résultats seraient les expériences de diffusion mêmes et électrons. Ces laboratoires sont très nécessaires, car cela est électrodynamique quantique (QED) Test. QED est décrit théorie physique micro-échelle des phénomènes électromagnétiques. En utilisant cette théorie, les scientifiques peuvent calculer les propriétés des systèmes quantiques, tel qu'un atome d'hydrogène, mais la valeur exacte de ces calculs nécessitent un rayon de protons. Par conséquent, la mesure du rayon du proton est un test sévère de la théorie.
Puzzle Deux: crise Spin
statut: Les scientifiques ne peuvent pas expliquer l'origine de spin du proton.
Pourquoi est-il important? compréhension Spin de la façon dont nous pouvons aider à exploiter une compréhension plus basique des protons.
mystère rayon même résolu, les scientifiques ont également confrontés à un autre problème. Quand nous protons « Anatomy » trouvera son intérieur est très complexe, il contient trois quarks: une charge négative « vers le bas » et deux quarks chargés positivement « up » quarks.
protons internes et les neutrons sont composés de quark supérieur et inférieur. (Source: DEUTSCHES ELEKTRONEN Synchrotron)
Photo de trois est encore trop simple. Ils sont accompagnés d'un groupe de particules transitoires chaotiques. Il y a beaucoup de quark supplémentaires et anti-quark, il ne sera pas arrêter l'émergence de l'anéantissement. De plus en plus, il y a des protons « colle » gluons ensemble. gluon force nucléaire forte (L'une des quatre forces fondamentales) messager, afin qu'ils attirent les uns les autres quarks.
En fait, à l'intérieur des protons et des neutrons sont beaucoup plus complexes. Dans les trois quarks autour pour toujours, et il y aura beaucoup quark - quark continuer à produire et à l'anéantissement. Le jaune représente le gluon, il est leur quark lié par la force nucléaire forte vivra. Il quark avec des propriétés liées force nucléaire forte, est appelée « charge de couleur » - apparaît en rouge, vert et bleu sur la figure. (Source: DEUTSCHES ELEKTRONEN Synchrotron)
Il est à cause de cette situation chaotique, il est difficile de comprendre la nature du proton. On est appelé la nature tourner Les scientifiques ont soigneusement étudié depuis de nombreuses années, mais n'a pas pleinement connaître. les particules quantiques sont toujours rotation rapide, tout comme la rotation de la Terre autour de son axe. Cela génère un moment angulaire de spin - une description de la quantité de rotation de l'objet. En outre, comme les protons de spin petite performance aimant, car la charge champ magnétique tournant est généré. Cette propriété est la clé de l'imagerie médicale, connue sous le nom IRM.
Cependant, dans le monde quantique, la chose étrange est: pas vraiment rotation se produit. Puisque les particules élémentaires (comme quark) n'a pas une taille physique limitée autant qu'on le sache, ils ne tournent pas. Bien qu'il n'y ait pas de rotation, mais a montré un comportement de rotation des particules, et il ne peut avoir certaines valeurs: un multiple de 1/2 entier.
Spin 1/2 gluons de spin du quark 1. Spins combinés pour produire les protons de spin total. De plus, comme la terre autour de son axe tandis que la rotation et de révolution autour du soleil, quark et gluons peuvent également tourner autour du centre de protons, généré des besoins du moment cinétique supplémentaire à prendre en compte dans le spin total.
D'une certaine manière, et quark rotation et le mouvement orbital des protons dans le promoteur adhésif auront une combinaison de spin 1/2. Dans un premier temps, les physiciens pensent que cette explication devrait être très simple. Ils croient que le spin du proton est composé de trois quarks (spin quark chaque 1/2) décision. Si deux sens de rotation opposé quark, alors ils annulent pour produire un spin total de 1/2. Mais les expériences des années 1980, les physiciens ont réalisé que les choses sont loin d'être simple. Étonnamment, le spin du proton est seulement une petite partie de quarks.
scientifiques croient que se compose de trois quarks contribuent spin d'un proton est principalement (montre la direction de la rotation de la flèche gauche). Mais en fait, les gluons et quark de courte durée et anti-quark contribuent également par leur rotation et le mouvement (flèche grise). (Source: Brookhaven Lab NATIONAL)
Et si pas de Quark qui? scientifiques protons de spin prémonition peuvent provenir de gluons. Cependant, pour vérifier cette conjecture est extrêmement difficile. Pour le savoir, les scientifiques ont utilisé l'expérience collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC).
Dans l'expérience, les scientifiques ont été protons polarisés en collision: deux protons spins soit aligné ou dirigé dans des directions différentes. Les résultats expérimentaux montrent que la contribution des gluons au spin du proton est de 35%. Étant donné que les quarks ne finançaient 25%, et 40% à partir de là où? Nous ne savons pas, ne peut être épinglé ses espoirs sur des expériences futures.
expérience PHENIX au Brookhaven National Laboratory, les scientifiques utilisent pour étudier les détecteurs de spin énormes. (Source: Brookhaven Lab NATIONAL)
Nous ne pouvons pas contrôler les forces fondamentales
Lorsque les physiciens expérimentateurs veulent découvrir d'autres spin du proton et la confusion au sujet, ils ne peuvent pas obtenir beaucoup d'aide d'un physicien théoricien là. QCD (QCD) - ne peut pas contrôler une telle bête - est une théorie de l'interaction forte entre QGP décrit. Il est trop complexe, les scientifiques ne peuvent pas résoudre directement les équations de la théorie. Mais si vous ne pouvez pas faire le calcul juste en théorie, les scientifiques ne peuvent pas prédire le rayon du proton est combien, et ce que son spin source Oui.
Pour simplifier le proton des mathématiques, les physiciens utilisent une technique appelée Lattice QCD (Lattice QCD), la théorie du monde imaginer une grille composée de l'espace-temps. Un quark peut être dans tel ou tel point, mais pas le réseau spatial se situe entre deux points. De même, le temps est effectué dans le saut. Dans ce cas, QCD devient plus contrôlable, bien que toujours besoin d'utiliser super-ordinateur puissant de calcul.
L'utilisation du réseau QCD pour calculer le spin du proton est un progrès certes, mais pleine d'incertitude. 2015, le physicien Keh-Fei et ses collègues ont mené Calculé que la moitié du spin du proton vient du mouvement de quark, quarks viennent d'un quart du tour, et le quart restant du gluon. Mais ces chiffres ne respectent pas pleinement les mesures expérimentales, et cela est compréhensible. Parce que leurs calculs dépendent d'un certain nombre d'approximations.
Puzzle Trois: la mort de protons
statut: Après plusieurs années de recherche, on ne trouve que la carie protons.
Pourquoi est-il important? Si les protons se désintègrent, cela signifie que les trois forces fondamentales de la nature - la force nucléaire faible, la force nucléaire forte et la force électromagnétique - peuvent être unifiées ensemble dans l'univers primitif.
Bien que de protons apparaît être éternel, mais les scientifiques ont toujours remis en question son immortalité. Certains la faveur populaire de la théorie prédit désintégration du proton se produit - split en d'autres particules (telles que des électrons et positif décomposé en un méson ). Mais encore n'a pas trouvé de signes de décadence.
Il y a une théorie de classe est appelée théorie unifiée Grand , La désintégration du proton prédites finira par se produire. Ces trois théories de base force unifiée dans la nature, pourvu d'un cadre peut expliquer la force électromagnétique, la force forte et la force nucléaire faible (gravité, et ne sont pas inclus dans ces modèles). Dans une telle théorie unifiée, à intensité énergétique très élevée de ces types de force sont égaux. Une telle énergie élevée existe seulement dans l'univers très tôt - juste avant la naissance du proton. Comme l'univers refroidi lentement, lentement transformé en ces forces que nous observons aujourd'hui.
Si la théorie unifiée est correcte, les protons se désintègre, ce processus est très rare, car la durée de vie du proton est très longue. Si la désintégration du proton très rapidement, l'atome est instable, alors il n'y aurait pas de planètes, les étoiles et même des êtres humains.
Alors que sur la durée de vie du proton moyen est très long, mais une fois qu'il est arrivé une décroissance rare, on pourrait détecter. Mais jusqu'à présent, pour la désintégration du proton de recherche d'emploi infructueuse. Bien sûr, l'expérience continue. Par exemple, à la recherche de la désintégration du proton, les scientifiques ont construit le laboratoire au sol ci-dessous. Dans l'expérience Super-Kamiokande, les scientifiques ont suivi un énorme réservoir rempli de 50.000 tonnes d'eau de haute pureté, juste attendre la fin d'un proton. Dans près de 20 années d'observation, les scientifiques Super-Kamiokande souligné dans le document, en ajoutant les principales désintégration du proton dans un positron et tc mésons, il doit être supérieur à 1,6 x 10 ^ 34 années sur sa durée de vie moyenne.
Cela signifie que toute observation une théorie prédit que si la durée de vie du proton est inférieure à la durée mesurée Super-Kamiokande, la théorie est fausse.
Beaucoup contiennent supersymétrie - maintenant connue particules tout a une supersymétriques des particules lourdes non découvertes - les grandes théories unifiées en mesurant la Super-Kamiokande. Mais ces théories dépendent supersymétrie est également confronté à des difficultés supplémentaires, parce que si les particules supersymétriques existent, ils devraient être dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) à détecter. Mais peut-être parce que les particules supersymétriques trop lourdes, et donc ne peut être trouvée dans le LHC.
Il y a une grande théorie unifiée ne dépend pas de la supersymétrie est encore viable. Mais ils accepteront plus des expériences à l'épreuve, comme expérience Hyper-K et DUNE fera plus de restrictions sur la durée de vie du proton, ou la désintégration des protons directement observée.
Enfin, même si nous résolvons le problème du rayon du spin et la désintégration du proton, je crois qu'il y aura plus de problèmes émergeront. Le but est également conforme au développement de la science, il est souvent résolu un casse-tête pour contester le puzzle plus profond.
