14 °C

Три загадки на протона остават век след откриването му

Изминаха 100 години, откакто Ернест Ръдърфорд публикува своите резултати, доказващи съществуването на протона.

Десетилетия наред протонът се смяташе за елементарна частица. Но откакто изследователите започнаха да обстрелват протоните с електрони през 60-те години на миналия век, експериментите разкриха, че протонът има сложна вътрешна структура.

Един век по-късно обаче все още има много загадки около протона - произходът на неговия спин, разпада ли се протонът за дълъг период от време и озадачаващата, макар и на прага на своето разрешаване, стойност на неговия радиус.

Кризата на спина на протона

В един протон има три кварка - 2 горни и един долен кварк и се очаква сумата на спиновете на кварките да е равна на общия спин на протона от ½. Обаче измерванията на спиновете на кварките в експерименти в ЦЕРН с дълбоко нееластично разсейване, показват, че това не е така.

Структурата на протона 2 горни и един долен кварк. 

В този експеримент на ЕМС (European Muon Collaboration) бе установено, че броят на кварките със спин в посоката на спина на протона е почти същия като брой на кварките, чийто спин е в обратна посока. Това означава, че приносът към общия спин на протона от кварките е далеч по-малък от 100%, той е почти нулев (4–24%). Този изненадващ и озадачаващ резултат бе наречен "криза на протонния спин".

Подобни резултати са получени в по-късни експерименти.

Последните изчисления показват, че 50% от протонния спин идват от поляризацията на глуоните - "слепващите" кварките в протона бозони. И ако кварките са материални частици, то глуоните са частици, пренасящи взаимодействието.

Резултатите от експерименти от 2016 г. в RHIC (Колайдер на релативистични тежки йони) показват, че спиновете на глуоните може да имат дори по-голям принос за общия спин на протоните, отколкото кварките. 

Опитите за пълно разрешаване на проблема са една от целите на експериментите в Големия адронен колайдер.

Колко дълго "живее" протонът

Протонът е частица с положителен електричен заряд и маса около 1836 пъти по–голяма от тази на електрона. Протонът се разглежда като стабилен, макар някои теории да предсказват, че е възможен пълен разпад на частицата. 

Според Стандартния модел протоните са стабилни и няма да се разпадат в други частици самостоятелно, защото те са най-лекият и следователно най-ниско енергиен барион. Бета плюс разпадът, при който протонът се превръща в неутрон - не е разлагане на протона, тъй като протонът взаимодейства с други частици в атома.

Когато Ръдърфорд открива протона през 1919 г., единствената друга основна съставка на материята, за която се знаеше, бе електронът. Няма начин протонът да може да се разпадне, без да нарушава симетрията на заряда. Десет години по-късно Херман Уейл предлага първата версия на закона за запазването на барионното число. Дори и след откритията на позитрона и положителните мюони и пиони - всичките по-леки от протона - няма особена причина да се поставя под съмнение стабилността на протона. Както посочва Морис Голдхабер (Maurice Goldhaber) живот на протона, по-малък от 10 16 години, би трябвало да го чувстваме в костите си, защото телата ни ще бъдат смъртоносно радиоактивни. По-късно той казва, че изчезването на протон ще остави ядрото ​​във възбудено състояние, което може да доведе до делене. Наблюдавайки отсъствието на спонтанно делене в 232Th, Голдхабер изчислява живота на свързаните нуклони по-дълъг от 10 20 години, който други изследователи разширяват до 3  ×  10 23 години. Само да напомним, че възрастта на Вселената не надвишава 14 милиадра години.

През 1966 г. Андрей Сахаров изложи условия, които биха могли да доведат до наблюдаваната асиметрия на частиците и античастиците на Вселената. Едно от тях е, че запазването на барионното число е само приблизително и би могло да бъде нарушено по време на фазата на разширяването на ранната Вселена. Около 1974 г., когато се появиха предложения за обединени теории (GUT - Grand Unified Theory). Те не само обединиха силните, слабите и електромагнитните сили, но и тясно свързаха кварки и лептони, позволяващи незапазването на барионното число. 

Експериментът Super-Kamiokande в Япония определи най-високата долна граница за протонния разпад. 

Това дава основание за специални експерименти с разпад на протона - само до 1981 г. това са седем  експеримента, инсталирани дълбоко под земята. 

Въпреки значителните усилия протонният разпад никога не е наблюдаван. Ако той се разпадне през позитрон, периодът на полуразпад на протона е ограничен до 1.67 × 10 34години.

Днес теоретичното развитие на Великите обединителни теории продължава, а също изследването на стабилността на протоните в симбиоза с изследванията на неутриното.

При високи енергии и температури (каквито се предполага, че е имало в допланковата ера), всички взаимодействията стават симетрични, т.е. – уеднаквят се, всички фундаментални физически взаимодействия се сливат. Вселената е в едно единно симетрично състояние и всички взаимодействия са били обединени в една единна изначална суперсила. В теорията за Великото обединение това състояние фигурира като група на симетрия SO(5). След време, с понижението на енергията, Вселената преминава през последователни фазови преходи, при които от обединеното взаимодействие се отцепват отначало гравитационното взаимодействие, след това силното и накрая електрослабото взаимодействие се разпада на слабо и електромагнитно.

Колко голям е протонът?

Експериментите през изминалото десетилетие поставиха под въпрос добре установените измервания на радиуса на протона, фундаментална константа, която характеризира колко се разпростира зарядът на протона в пространството. Това означава според физиците, че има сериозно разминаване в съвременните квантовомеханични теории и предизвика дори необичайни предположения, свързани с нуждата „нова физика”. Но скоро ще бъдат публикувани резултати, които обещават да разрешат загадката с протонния радиус веднъж завинаги.

Протонът, за разлика от популярните изображения, няма твърда физическа граница като топка за тенис. При толкова малки частици не може да става дума за точни размери, затова  радиусът на протона се определя от разстоянието, на което плътността на заряда спада под дадена стойност. А разпределението на заряда му е различно от това на един точков заряд, то приема формата на дипол по отношение на мащаба на взаимодействието и разпределение на заряда експоненциално спада като функция от разстоянието от центъра на протона.

До 2010 г. радиусът на протоните се измерва по два независими метода, чиито резултати се сближават до стойност от около 0.8768 фемтометра (1 fm = 10-15 m).

Единият се основава на спектроскопия, чрез измерване на малките разлики между енергийните нива на електроните обвивки в атома на водорода (отместване на Лемб).

Точните измервания на количеството енергия, необходимо да се прехвърли електрон от една орбитала на друга осигуряват начин да се изчисли радиуса на протона. По този метод експериментите установиха, че средноквадратичният радиус е около 0.8768 ± 0.0069 фемтометра (1 fm = 10-15 m) с приблизително 1% относителна несигурност.

Другият метод е подобен на експериментите на Ръдърфорд, които установяват съществуването на ядрото - електрони се изстрелват към протон и чрез измерване на разсейването на електроните, може да се направи извод за размера на протона. Това дава радиус на протона от около (8.775 ± 0.005) × 10−16 метра. 

Изненадата идва през 2010 г. на конференцията във Франция, посветена на ултрапрецизната физика на простите атомни системи. където са представени за първи път резултатите от експерименти за уточняване на радиуса на заряда на протона. Основната разлика при новия експеримент е, че за първи път се извършва не върху обикновен водород, както досега, а върху екзотични мюонови атоми. Мюонният атом е атом, в който един или няколко електрона са заменени с мюони - свръхтежки „роднини” на електрони, обикновено произвеждани от ускорители. Масата на мюона е около 200 пъти по-голяма от масата на електрона и затова мюонът може да се доближи и дори да навлезе вътре в протона. С помощта на лазери се измерват енергиите на мюонните нива с изключителна точност, много по-висока, отколкото във водородния атом. 

Оказа се, че новият радиус е 0,8414.10-15 метра с точност от 0,0007 фемтометра, т.е. се различава от досега измерените с 4%.

Разликата може да изглежда малка, но тя е установена с много по-голяма прецизност от предишните резултати, затова не може да се пренебрегне. 

Това противоречие, наречено „загадката на протонния радиус”, предизвика безпрецедентно вълнение сред учените, занимаващи се с атомната физика. Неотдавнашните експерименти задълбочат проблема и много експерти вече говорят за „нова физика”.

Новите резултати са заплаха за безупречната репутация на квантовата електродинамика (КЕД), тя вярно служи на човечеството от самото си създаване, доказвайки своята предсказателна сила отново и отново в конкуренция с експериментите. Първи забелязва заплахата Jeff Flowers, един от редакторите на Nature, който отбеляза в списанието, че ако експериментите с високопрецизна спектроскопия на мюоновия водород са верни, то тогава в тях, а не в гигантските колайдери, може да се намери изход от рамките на Стандартния модел.

Графика, показваща наличието на резонанс при честота 49,881.88 гигахерца. Ординатната ос представя реалния брой на регистрираните действия на абсорбция на мюонния водород на излъчванията от лазера. 

Разбира се, причината за несъответствието може да са грешки на експериментаторите, но последващите експерименти на колаборацията CREMA потвърдиха: всичко е наред с експеримента, нещо не е наред с теорията. Първият е проведен през 2013 г. и точността на определяне на радиуса на протона се увеличава почти два пъти, а самата стойност вече е 0.84087 ± 0.00039 фемтометра. През следващите години резултатите показват още по-голямо разминаване с теорията. През 2017 г. Миха Миховилович (Miha Mihovilovic) от Университета в Майнц и колегите му съобщават за интересно ниска стойност от 0.810 (82) fm, а резултатите от експеримента на Proton Radius (pRad) в лабораторията на Джеферсън имат подобен резултат с още по-малка несигурност - радиус на протона от 0.830 (20) fm. 

Към днешна дата са регистрирани повече от сто опита за решаване на тази загадка, но никой от тях не е получил одобрението на физическата общност. Добро или лошо е това? Разбира се, това е добро. В края на краищата физиката винаги се е развивала, когато пред нея са поставени такива загадки. Приятно е усещането, че може би живеем на прага на нова революция в квантовата физика.

Източник: nauka.offnews.bg

Facebook коментари

Коментари в сайта (1)

  • 1
    Ее
    ее
    1 0
    11:54, 18 юни 2019
    физик да си на тези години. Нищо не правиш . Все нещо не е така и накрая се пенсионираш.

Хороскоп за 22.10.2019

Хороскоп за Овен

Овен
Сериозните занимания ще ви донесат полезни за бъдещето дивиденти, за това не отхвърляйте никакви предложения, но преди да се захванете с тях прецизирайте даденостите. На много от вас професионалните изяви ще помогнат на кариерата им, но преди това добре се подгответе. Пътуванията ще са успешни.
22 окт 2019

Хороскоп за Телец

Телец
Твърде енергични сте днес и затова се чудите с какво най-напред да се захванете. Старайте се да не вършите неща, които не са конкретно свързани с работата ви. Моментът не е особено подходящ за разрастване на дейността ви. Възможно е да ви се наложи да пътувате. Не ставайте язвителни, ако събеседникът ви не влезне в тона ви.
22 окт 2019

Хороскоп за Близнаци

Близнаци
Прекалено емоционални сте днес, но не позволявайте на чувствата да пречат на работата ви. Помислете добре върху възможностите си за успех и в случай, че те са минимални, променете тактиката. Бъдете по - оптимистично настроени, защото това, което идва ще ви носи много радост и позитивно развитие.
22 окт 2019

Хороскоп за Рак

Рак
Ще се запознаете с нова информация, която ще внесе повече яснота в работата ви. Отговорно ще вземате решенията си и така ще ги реализирате. Периодът е подходящ както за самостоятелни изяви, така и за екипна работа. Ще получите повече, отколкото сте очаквали, което си е повод за празненство.
22 окт 2019

Хороскоп за Лъв

Лъв
Договореностите ви ще бъдат издържани и в защита на интересите ви, ако се осланя на уменията си да убеждавате и тактично насочвате разговора в изгодна за вас посока. Ще постигнете напредък, не показвайте колебание. Пътуване в чужбина ще ви ангажира с организацията по него, но ще ви достави удоволствие и нови познанства.
22 окт 2019

Хороскоп за Дева

Дева
С творчески подход ще пристъпите към новите си задължения, опитвайки се да ги приведете към познатите вече неща. Не действайте едностранчиво, търсете мнението на хората около вас и ги направете съпричастни на работата си. Ще задълбочите връзката си с някой, който силно ви привлича.
22 окт 2019

Хороскоп за Везни

Везни
Повечето от вас ще посветят времето си на своите делови и бизнес-задачи. Заетостта ще изостри нервите ви, за това бъдете внимателни в общуването си. Понякога една дума казана не на място може да развали договорени вече неща. В любовната сфера ви очакват внимание, обич и новости.
22 окт 2019

Хороскоп за Скорпион

Скорпион
С енергия и добри намерения ще започнете седмицата. От сутринта ще се заемете с онези въпроси, в които сте срещали затруднения. Близостта на човек, когото харесвате ще ви прави по-уверени и сигурни в работата ви. Това се забелязва, но нищо лошо, щом ви въздейства позитивно на мислите и повишава активността ви в добра посока. Приятелски жест на внимание ще ви зарадва.
22 окт 2019

Хороскоп за Стрелец

Стрелец
Ще положите усилия да убедите някого в правотата на доводите си в името на по-добрите резултати. В тази връзка ще правите и промени в организацията, както и ще търсите нови възможности за изяви. Активността ви е видима дори за онези, които с безразличие ще намигнат и отминат.
22 окт 2019

Хороскоп за Козирог

Козирог
Избягвайте да обсъждате личните си дела с професионалните си партньори. Това би ви изложило на риск, давайки им възможност да надникнат в личния ви свят. Влагайки повече фантазия и прилагайки способностите си ще впечатлявате с усета си към хармонията и ще се радвате на постигнатото от вас.
22 окт 2019

Хороскоп за Водолей

Водолей
Ще продължите да работите върху задачите си, като наред с това ще търсите нови форми за изява на способностите си. Запознанства и приятелски сбирки ще разнообразят следобеда и вечерта ви. Романтичната ви връзка с човек от друга среда ще приключи без особени емоции.
22 окт 2019

Хороскоп за Риби

Риби
Ще вземате делови решения, налагащи се от работата ви. Промените в плановете ви ще ви донесат повече отговорности и това няма много да ви се понрави. Разпределете част от задачите си върху другите участници в консумацията на благата. Намерете начини да се разтоварите от напрежението, развлеченията са позволени.
22 окт 2019
Последни новини