Tag Archives: proton

Nekoliko desetljeća duga potraga otkriva nove detalje antimaterije

Prije dvadeset godina fizičari su počeli istraživati misterioznu asimetriju unutar protona. Njihovi rezultati pokazuju kako antimaterija pomaže stabiliziranju jezgre svakog atoma.

Često se ne spominje da su protoni, pozitivno nabijene čestice materije u središtu atoma, dio antimaterije.

U školi učimo da je proton snop od tri osnovne čestice koje se nazivaju kvarkovi – dva “gore” i “donji” kvark, čiji električni naboji (+2/3 i −1/3, zajedno) daju protonu naboj od +1. Ali ta pojednostavljena slika prekriva daleko nepoznatu, još nerazjašnjenu priču.

U stvarnosti, unutrašnjost protona kovitla se s fluktuirajućim brojem šest vrsta kvarkova, njihovi suprotno nabijeni kolege antimaterije (antikvarkovi) i “gluonske” čestice koje vežu ostale, pretvaraju se u njih i lako se množe.

Nekako se kovitlani vrtlog završava savršeno stabilno i površno jednostavno – oponašajući, u određenim aspektima, trio kvarkova. “Kako to sve funkcionira, to je sasvim iskreno čudo”, rekao je Donald Geesaman, nuklearni fizičar iz Nacionalne laboratorije Argonne u Ilinoisu.

Prije trideset godina istraživači su otkrili zapanjujuću osobinu ovog „protonskog mora“. Teoretičari su očekivali da sadrži ravnomjerno širenje različitih vrsta antimaterije; umjesto toga, činilo se da donji antikvarkovi znatno premašuju antikvarkove. Zatim, desetljeće kasnije, druga je skupina vidjela nagovještavajuće varijacije u omjeru antikvarkova prema dolje. Ali rezultati su bili na ivici osjetljivosti eksperimenta.

Tako su prije 20 godina Geesaman i njegov kolega Paul Reimer započeli novi eksperiment koji će istražiti. Taj eksperiment, nazvan SeaQuest, konačno je završen, a istraživači izvještavaju o svojim nalazima u časopisu Nature. Izmjerili su unutarnju antimateriju protona detaljnije nego ikad prije, utvrdivši da u prosjeku postoji 1,4 donjih antikvarka za svaki gornji antikvark.

Podaci odmah favoriziraju dva teorijska modela protonskog mora. “Ovo je prvi stvarni dokaz koji podupire one modele koji su izašli”, rekao je Reimer.

Jedan je model “oblaka piona”, popularan, desetljećima star pristup koji naglašava tendenciju protona da emitira i reapsorbira čestice zvane pioni, koje pripadaju grupi čestica poznatih kao mezoni. Drugi model, takozvani statistički model, proton tretira kao posudu punu plina.

Planirani budući eksperimenti pomoći će istraživačima da biraju između dvije slike. No, koji god model bio u pravu, SeaQuest-ovi čvrsti podaci o unutarnjoj antimateriji protona bit će odmah korisni, posebno za fizičare koji zajedno razbijaju protone gotovo brzinom svjetlosti u velikom hadronskom sudaraču u Europi.

Kad tačno znaju šta se nalazi u objektima koji se sudaraju, mogu bolje probiti ostatke sudara tražeći dokaze o novim česticama ili efektima. Juan Rojo sa Univerziteta VU Amsterdam, koji pomaže u analizi LHC podataka, rekao je da bi mjerenje SeaQuesta “moglo imati veliki utjecaj” na potragu za novom fizikom, koja je trenutno ograničena našim znanjem o strukturi protona, posebno o sadržaju antimaterije. ”


Kratko vrijeme prije otprilike pola stoljeća, fizičari su mislili da su sortirali proton.

Murray Gell-Mann i George Zweig neovisno su predložili ono što je postalo poznato kao model kvarka – ideju da su protoni, neutroni i srodnije rjeđe čestice snopovi od tri kvarka (kako ih je Gell-Mann nazvao), dok su pioni i drugi mezoni napravljen od jednog kvarka i jednog antikvarka. Shema je osmislila kakofoniju čestica koje prskaju iz visokoenergetskih akceleratora čestica, jer bi se njihov spektar naboja mogao konstruirati iz dvodijelnih i trodijelnih kombinacija. Tada, oko 1970. godine, činilo se da istraživači na Stanfordovom akceleratoru SLAC trijumfalno potvrđuju model kvarka kada su pucali u elektrone velike brzine u protone i vidjeli kako se elektroni raspršuju iz predmeta u njima.

Ali slika je ubrzo postala mutnija. “Kako smo počeli pokušavati mjeriti svojstva ta tri kvarka sve više i više, otkrili smo da se događaju neke dodatne stvari”, rekao je Chuck Brown, 80-godišnji član SeaQuest tima iz Fermi National Accelerator Laboratory koji je radio na eksperimentima na kvarkovima od 1970-ih.

Ispitivanje impulsa tri kvarka ukazalo je da su njihove mase činile manji dio ukupne mase protona. Štaviše, kada je SLAC pucao bržim elektronima na protone, istraživači su vidjeli kako elektroni odlaze iz više stvari iznutra. Što su elektroni brži, to su im valne duljine kraće, što ih je činilo osjetljivima na sitnije zrnate karakteristike protona, kao da su povećali razlučivost mikroskopa. Otkrivano je sve više unutrašnjih čestica, naizgled bez ograničenja. Ne postoji najviša rezolucija, “za koju znamo”, rekao je Geesaman.

Rezultati su počeli imati više smisla kad su fizičari razvili istinsku teoriju kojoj se kvarkovski model samo približava: kvantna hromodinamika ili QCD. Formuliran 1973. godine, QCD opisuje „snažnu silu“, najjaču silu prirode, u kojoj čestice zvane gluoni povezuju snopove kvarkova.

QCD predviđa sam vrtlog koji su primijetili eksperimenti rasipanja. Komplikacije nastaju jer gluoni osjećaju samu silu koju nose. (Oni se na taj način razlikuju od fotona koji nose jednostavniju elektromagnetsku silu.) Ovo samo-bavljenje stvara močvaru unutar protona, dajući gluonima slobodu da nastanu, razmnože se i podijele u kratkotrajne parove kvark-antikvark. Iz daleka se ovi usko raspoređeni, suprotno nabijeni kvarkovi i antikvarkovi poništavaju i ostaju neprimijećeni. (Samo tri neuravnotežena “valentna” kvarka – dva uspona i pad – doprinose ukupnom naboju protona.) Ali fizičari su shvatili da kada pucaju u brže elektrone, pogađaju male ciljeve.

Samorazumljivi gluoni čine QCD jednadžbe općenito nerješivima, tako da fizičari nisu mogli – i još uvijek ne mogu – izračunati precizna predviđanja teorije. Ali nisu imali razloga misliti da bi se gluoni trebali češće dijeliti na jednu vrstu kvark-antikvarkovski par – tip dolje – od druge. “Očekivali bismo da će se proizvesti jednake količine oba”, rekla je Mary Alberg, teoretičarka nuklearnog materijala sa Univerziteta u Seattlu, objašnjavajući tadašnje obrazloženje.

Otuda i šok kada su 1991. godine New Muon Collaboration u Ženevi raštrkali mione, težu braću i sestre elektrona, izvan protona i deuterona (koji se sastoje od jednog protona i jednog neutrona), uspoređujući rezultate i zaključujući da je više donjih antikvarkova nego gore. Činilo se da se antikvarkovi prskaju u protonskom moru.

Teoretičari su ubrzo iznašli niz mogućih načina da objasne asimetriju protona.

Jedan uključuje piona. Od četrdesetih godina prošlog stoljeća fizičari su vidjeli protone i neutrone kako prolaze pionijima naprijed-natrag unutar atomskih jezgri poput suigrača koji međusobno bacaju košarkaške lopte, aktivnost koja pomaže u njihovom povezivanju. Razmišljajući o protonu, istraživači su shvatili da on također može baciti košarkašku loptu sebi – to jest, može nakratko emitirati i reapsorbirati pozitivno nabijeni pion, pretvarajući se u međuvremenu u neutron. “Ako izvodite eksperiment i mislite da gledate proton, zavaravate se, jer će dio vremena taj proton fluktuirati u ovaj par neutron-pion”, rekao je Alberg.

Konkretno, proton se pretvara u neutron i pion izrađen od jednog gornjeg i jednog donjeg antikvarka. Budući da ovaj fantazmalni pion ima donji antikvark (pion koji sadrži gornji antikvark ne može se tako lako materijalizirati), teoretičari poput Alberga, Geralda Millera i Tonyja Thomasa tvrdili su da ideja oblaka piona objašnjava izmjereni protonski višak protona.

Pojavilo se i nekoliko drugih argumenata. Claude Bourrely i suradnici u Francuskoj razvili su statistički model koji tretira unutarnje čestice protona kao da su molekule plina u sobi, šibajući se distribucijom brzina koje ovise o tome imaju li cjeloviti ili polucjelobrojni kutni moment . Kada je podešen kako bi odgovarao podacima iz brojnih eksperimenata raspršivanja, model je protumačio višak antikvarkova.

Modeli nisu dali identična predviđanja. Velik dio ukupne mase protona dolazi iz energije pojedinih čestica koje pucaju u i izvan protonskog mora, a te čestice nose niz energija. Modeli su napravili različita predviđanja o tome kako bi se trebao mijenjati omjer antikvarkova prema dolje i prema gore dok računate antikvarkove koji nose više energije. Fizičari mjere povezanu veličinu koja se naziva udio zamaha antikvarka.

Kada je eksperiment “NuSea” u Fermilabu izmjerio omjer smanjenja i povećanja kao funkciju zamaha antikvaraka 1999. godine, njihov je odgovor “samo osvijetlio sve”, prisjetio se Alberg. Podaci sugeriraju da su antikvarkovi s obimnim zamahom – zapravo toliko da su bili na kraju dometa detekcije aparata – odjednom antikvarkovi postali više zastupljeni nego padovi. “Svaki je teoretičar govorio:” Čekaj malo “, rekao je Alberg. “Zašto bi se, kad ti antikvarkovi dobiju veći udio u zamahu, ova krivulja počela preokretati?”

Dok su se teoretičari češali po glavi, Geesaman i Reimer, koji su radili na NuSei i znali su da podaci na rubu ponekad nisu pouzdani, krenuli su u izgradnju eksperimenta koji bi mogao komotno istražiti veći raspon zamaha antikvarka. Nazvali su ga SeaQuest.

U eksperimentu protoni pogađaju dvije mete: bočicu vodika, koja je u osnovi skupina protona, i bočicu deuterija – atoma s jednim protonom i jednim neutronom u jezgri.

Kad proton pogodi bilo koju metu, jedan od njegovih valentnih kvarkova ponekad se uništi s jednim od antikvarkova u ciljanom protonu ili neutronu.

“Kad se dogodi uništenje, to ima jedinstveni potpis”, rekao je Reimer, dajući mion i antimun. Te se čestice, zajedno s ostalim “smećem” nastalim u sudaru, tada susreću sa onim starim željeznim pločama. „Mioni mogu proći; sve ostalo prestaje ”, rekao je. Otkrivanjem miona s druge strane i rekonstrukcijom njihovih izvornih putova i brzina, “možete raditi unatrag da biste utvrdili koliki zamah nose antikvarkovi.”

Budući da se protoni i neutroni međusobno zrcale – svaki ima čestice gornjeg tipa umjesto čestica drugog tipa dolje, i obrnuto – usporedba podataka iz dvije bočice izravno ukazuje na odnos donjih antikvarkova prema gore antikvarkovima u protonu – izravno , odnosno nakon 20 godina rada.

Novi podaci – koji pokazuju postupno rastući, zatim izravnavajući, omjer prema dolje, a ne nagli preokret – također se slažu s fleksibilnijim statističkim modelom tvrtke Bourrely i tvrtke. Ipak, Miller ovaj suparnički model naziva “opisnim, a ne prediktivnim”, jer je podešen da stane u podatke, a ne da identificira fizički mehanizam koji stoji iza donjeg antikvarka.

Suprotno tome, “ono na što sam zaista ponosan u našem izračunu je da je to bilo istinsko predviđanje”, rekao je Alberg. “Nismo birali nijedan parametar.”

U e-pošti Bourrely je tvrdio da je “statistički model snažniji od onog Alberga i Millera”, budući da uzima u obzir eksperimente rasipanja u kojima čestice jesu i nisu polarizirane.

Miller se žestoko nije složio, napominjući da pionski oblaci ne objašnjavaju samo sadržaj antimaterije u protonu, već magnetske trenutke različitih čestica, raspodjelu naboja i vrijeme raspadanja, kao i “vezivanje, a time i postojanje svih jezgri”. Dodao je da je pionski mehanizam “važan u širem smislu zašto jezgre postoje, zašto mi postojimo”.

U krajnjoj potrazi za razumijevanjem protona, odlučujući čimbenik može biti njegov spin ili unutarnji kutni zamah. Eksperiment s raspršivanjem miona krajem 1980-ih pokazao je da spinovi tri valentna kvarka protona čine ne više od 30 posto ukupnog spinova protona. “Kriza rotacije protona” je: Što doprinosi ostalih 70 posto?

Još jednom, rekao je Brown, starac Fermilaba, “mora se nešto drugo događati.”

U Fermilabu, a na kraju i u planiranom Electron-Ion Collideru Nacionalnog laboratorija Brookhaven, eksperimentatori će ispitivati okretanje protonskog mora. Već Alberg i Miller rade na proračunima punog protona “oblaka mezona” koji okružuje protone, što uključuje, zajedno s pionima, rjeđe “rho mezone”.

Pioni ne posjeduju spin, ali rho-mezoni, pa moraju doprinijeti ukupnom vrtnju protona na način na koji će se Alberg i Miller nadati.

Fermilabov eksperiment SpinQuest, koji uključuje mnoge iste ljude i dijelove kao i SeaQuest, “gotovo je spreman za rad”, rekao je Brown. „Srećom uzet ćemo podatke ovog proljeća; ovisit će “- barem djelomično -” o napretku vakcine protiv virusa.

Zabavno je što pitanje koje je tako duboko i nejasno unutar jezgre ovisi o odgovoru ove zemlje na virus Covid. Svi smo međusobno povezani, zar ne? “

Izvor : Wired

Šta se desi kada se dva snopa protona sudare gotovo brzinom svjetlosti?

Large Hadron Collider (LHC) – najveći stroj koji su ljudi ikada sagradili – specijaliziran je da baca protone jedne na druge pri gotovo brzini svjetlosti. Nova i poboljšana inačica LHC-a stvarat će energetske sudare jače nego što su ikad prije postignuti na Zemlji. To čini tako što stvara snopove protona – pozitivno nabijenih čestica u atomu – i baca ih oko petnaest milja kako bi postigli gotovo brzinu svjetlosti. Kad se protoni međusobno sastave u direktnim sudarima, eksplodiraju u vruće oblake prepuno egzotičnih subatomskih čestica:

Evo kako fizičari čine ove nevjerojatne sudare:

Prvi korak je pretvaranje vodika u protrone. Vodik je poseban element jer je jedan od najmanjih atoma i sadrži samo dvije čestice: elekrone i proton. Većina drugih čestica ima višekratnike i također imaju neutralne čestice nazvane neutronima. Zato je jednostavnije izolirati protone na ovaj način: Jednostavno upotrijebite električno polje da privučete elektrone od atoma vodika, ostavljajući samo protone. Ova zraka izoliranih protona potom se šalje ubrzano u smjeru kazaljke na satu oko divovskog tunela LHC dužine od 27 kilometara, dok se druga protonska zraka šalje u smjeru suprotnom od smjera kazaljke na satu. LHC ima niz akceleratorskih cijevi koje povećavaju brzinu protonskog snopa dok ne budu putovali samo djelić sekunde ispod brzine svjetlosti. Superohlađeni magneti usmjeravaju tunel i ponašaju se poput upravljača kako bi snopove držali na stazi.

Svaka protonska zraka sadrži 2.000 do 3.000 skupova protona, a samo jedan skup je napravljen od oko 100 milijardi protona. Prije no što se snopovi sudare, svi ti protoni stisnuti su u tok koji je manji od širine dlake.

“Čestice su toliko malene da je zadatak da ih se sudari sličan tome da se dvije igle stave 10 kilometara udaljene tako precizno da se one susretnu na pola puta”, piše CERN u svom opisu LHC.

Kad se zrake sudaraju, njihova kombinirana energija dovoljna je da se rastopi oko 550 kg bakra. LHC stvara oko 600 milijuna sudara u sekundi kada radi punom snagom. Sudari se događaju na četiri točke duž pruge od 27 km. Detektor čestica čeka na svakoj točki kako bi izmjerio sve subatomske čestice koje izbijaju iz sudara. Znanstvenici smatraju da će drugo pokretanje LHC – a otkriti čitav niz novih čestica, iza Higgsova bozona.

Tuneli LHC-a kroz koje prolaze protoni imaju uvjete slične vakuumu- u vanjskog svemira. Kada se dvije zrake sudaraju, sva ta energija upakirana u takav mali prostor vakuuma eksplodira i stvara masu u obliku subatomskih čestica (misli na Einsteinovu poznatu jednadžbu: energija je jednaka masi pomnoženoj s brzinom svjetlosti na kvadrat). Čestice koje izranjaju iz tih sudara postoje samo djelić sekunde, ali to je dovoljno vremena da detektori čestica obavljaju svoje poslove – izmjere položaj, brzinu, naboj, masu i energiju svih subatomskih čestica koje su stvorene.

Sudari su toliko visoke energije da većina čestica koje izbijaju u postojanje ostavljaju iza sebe stazu svjetla pa je moguće utvrditi njihov položaj. Većina detektora također ima snažan magnet koji uzrokuje da čestice putuju na zakrivljenom putu na temelju njihovog  električnog naboja. Fizičari također mogu izračunati masu i energiju čestica na temelju ove zakrivljene staze. Stavite sve zajedno i detektori čestica mogu ponovo stvoriti ono kako sudari izgledaju odmah nakon što se dogode. Slike poput onih od Higgsova bozona zapravo su samo računalne rekreacije staza koje čestice zauzimaju tijekom njihovog vrlo kratkog postojanja. To je gdje imamo nevjerojatne slike poput ove iz nekih od prvih sudara unutar LHC-ovog ALICE detektora čestica:

I ova iz LHC-ovih CMS detektora čestica koja pokazuje više od 100 subatomskih čestica koje su izbijale iz proton – proton sudara:

I legendarna slika Higgs bozona:

Izvor: https://www.businessinsider.com.au/what-happens-inside-a-particle-collider-2015-4

Kako su fizičari otkrili koliko koji atom ima elektrona, protona i neutrona?

S obzirom da znamo da svaki atom da bi bio stabilan mora biti električki neutralan (kako to znamo ti je drugo pitanje), broj elektrona mora biti jednak broju protona.

Dakle, pitanje je stvarno kako znamo koliko protona i koliko elektrona koji atom ima. To je zapravo vrlo zanimljivo pitanje koje datira iz ranih dana (pa čak i ranije) nuklearne fizike i kemije.

Danas se to može učiniti prilično lako sa ionskim (ioni su naelektrisane čestice) akceleratorom (ubrzivaćem čestica) i magnetom(magnetom jer magnet može da pomjera naelektrisane čestice ili one njega mogu da pomjeraju ako se kreću). Sa pravom postavkom, može se dobiti snop mono-energetskih iona iz akceleratora pa ih poslati putem odvajaća za uklanjanje elektrona (tako da ostane samo jezgro atoma), a zatim ih poslati kroz magnet za odvajanje komponenti prema brzinama (koja ovisi o odnosu mase iona i  energije odnosno brzine, jer u zavisnosti od brzine kretanja i njihove mase, naelektrisane čestice se više ili manje odklanjaju u magnetskom polju). Iz magnetskog odklona može se dobiti odnos naboja i mase, a iz tog se može dobiti tačan broj protona u sastavu (količina naboja se očita) i broj neutrona (od broja protona i mase). Ovo je srce masene spektrometrije (iako se može koristiti vrijeme-leta tehnika ili magnetska separacija).

Animacija: Na ovoj animaciji vidimo kako se naelektrisane čestice protoni ili elektroni šalju kroz detektor njihovih brzina i detektor vrste naboja, gdje se pozitivno naelektrisane čestice odklanjaju na jednu stranu, a negativne na drugu). U zavisnosti od brzine kretanja i mase, naelektrisane čestice koje se puštaju s lijeva će se više ili manje odkloniti, a na osnovu tog odklona, možemo odrediti odnos mase i brzine kretanja, a na osnovu tog odnosa možemo odrediti broj protona odnosno elektrona. Izvor:

Dakle, to znači da samo znamo odnos između elemenata, ali ne baš broj od elektrona / protona. Naučnici u cijelom svijetu su se složili da atom vodika (H) ima 1 pozitivnu i 1 negativnu česticu i na osnovu odnosa možemo reći da i drugi  elementi kao što su Na (natrij), imaju X puta više mase nego H i tako bi trebalo da ima x puta više elektrona / protona. U osnovi je to tako, međutim malo je ipak komplikovanije od toga – svaki odnos daje cijeli broj protona. Dakle, proton može biti kompozitna čestica, što u biti jest na dovoljno visokim energijama (brzinama). Ali bez obzira na to koliko podijelite  atom, možete uvijek dobiti cijeli broj jedinica +1 naboja elektrona, što je jedinična količina naboja.

Da rezimiram: Prvo se odredi broj protona na osnovu njihovog nalektrisanja i odnosa mase i brzine koji se dobije na osnovu odklona snopa u magnetskom polju. Na osnovu toga se dobije i broj elektrona, jer je broj elektrona jednak broju protona. Iz broja  protona može se dobiti i broj neutrona. 

Kako su fizičari otkrili koliko koji atom ima elektrona, protona i neutrona?

S obzirom da znamo da svaki atom da bi bio stabilan mora biti električki neutralan (kako to znamo ti je drugo pitanje), broj elektrona mora biti jednak broju protona.

Dakle, pitanje je stvarno kako znamo koliko protona i koliko elektrona koji atom ima. To je zapravo vrlo zanimljivo pitanje koje datira iz ranih dana (pa čak i ranije) nuklearne fizike i kemije.

Danas se to može učiniti prilično lako sa ionskim (ioni su naelektrisane čestice) akceleratorom (ubrzivaćem čestica) i magnetom(magnetom jer magnet može da pomjera naelektrisane čestice ili one njega mogu da pomjeraju ako se kreću). Sa pravom postavkom, može se dobiti snop mono-energetskih iona iz akceleratora pa ih poslati putem odvajaća za uklanjanje elektrona (tako da ostane samo jezgro atoma), a zatim ih poslati kroz magnet za odvajanje komponenti prema brzinama (koja ovisi o odnosu mase iona i  energije odnosno brzine, jer u zavisnosti od brzine kretanja i njihove mase, naelektrisane čestice se više ili manje odklanjaju u magnetskom polju). Iz magnetskog odklona može se dobiti odnos naboja i mase, a iz tog se može dobiti tačan broj protona u sastavu (količina naboja se očita) i broj neutrona (od broja protona i mase). Ovo je srce masene spektrometrije (iako se može koristiti vrijeme-leta tehnika ili magnetska separacija).

Animacija: Na ovoj animaciji vidimo kako se naelektrisane čestice protoni ili elektroni šalju kroz detektor njihovih brzina i detektor vrste naboja, gdje se pozitivno naelektrisane čestice odklanjaju na jednu stranu, a negativne na drugu). U zavisnosti od brzine kretanja i mase, naelektrisane čestice koje se puštaju s lijeva će se više ili manje odkloniti, a na osnovu tog odklona, možemo odrediti odnos mase i brzine kretanja, a na osnovu tog odnosa možemo odrediti broj protona odnosno elektrona. Izvor:

Dakle, to znači da samo znamo odnos između elemenata, ali ne baš broj od elektrona / protona. Naučnici u cijelom svijetu su se složili da atom vodika (H) ima 1 pozitivnu i 1 negativnu česticu i na osnovu odnosa možemo reći da i drugi  elementi kao što su Na (natrij), imaju X puta više mase nego H i tako bi trebalo da ima x puta više elektrona / protona. U osnovi je to tako, međutim malo je ipak komplikovanije od toga – svaki odnos daje cijeli broj protona. Dakle, proton može biti kompozitna čestica, što u biti jest na dovoljno visokim energijama (brzinama). Ali bez obzira na to koliko podijelite  atom, možete uvijek dobiti cijeli broj jedinica +1 naboja elektrona, što je jedinična količina naboja.

Da rezimiram: Prvo se odredi broj protona na osnovu njihovog nalektrisanja i odnosa mase i brzine koji se dobije na osnovu odklona snopa u magnetskom polju. Na osnovu toga se dobije i broj elektrona, jer je broj elektrona jednak broju protona. Iz broja  protona može se dobiti i broj neutrona.