Protonul, ca o mare de quarcuri și anti-quarcuri
Credit: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation
Ceea ce orice persoană educată știe este că materia este formată din molecule, care la rândul lor sunt formate din atomi. Atomii sunt alcătuiți din nucleu (adică protoni și neutroni), precum și electroni situați în exteriorul nucleului. Protonii și neutronii nu sunt particule elementare, ci sunt formate din quarcuri.
Protonii sunt particule cu sarcină electrică pozitivă. Explicația obișnuită cu privire la structura unui proton este aceea că acesta este alcătuit din trei quarcuri de două tipuri (două quarcuri up și un quarc down). Dar fizicienii descriu astăzi protonul ca fiind de o complexitate extraordinară, care are puține legături cu explicația „clasică” referitoare la cele trei quarcuri.
Într-un articol recent publicat pe site-ul Quanta este prezentată o scurtă istoriei a evoluției înțelegerii protonului și a multiplelor aspecte neclarificate încă. Iată principalele idei:
• cercetările din ultimele decenii au evidențiat o structură a protonului care merge mult dincolo de cea „clasică”, una care este dificil de surprins în cuvinte.
• protonul este un obiect cuantic ce prezintă diverse fațete, în funcție de modul în care este stabilit experimentul. Abia începem să înțelegem întregul sistem al protonului într-o manieră unificată.
• un studiu din august 2022 care a analizat o cantitate enormă de date a descoperit că protonul conține particule, quarcuri charm, care sunt mai mari decât protonul!
• primele dovezi cu privire la structura complexă a protonului au fost obținute în urma unor experimente din 1967 efectuate la Linear Accelerator Center, SUA, care au arătat că modul în care fasciculele de electroni erau împrăștiate de protoni depindeau de energia electronilor, indicând existența componentelor pe care le numim quarcuri. Aceste experimente, care au sugerat că fiecare quarc deține o treime din momentul cinetic ale protonului, au confirmat o teorie a fizicienilor Murray Gell-Mann și George Zweig, care în 1964 au propus ipoteza conform căreia protonul este format din trei quarcuri, două de tip „up”, care au sarcina +2/3, și unul „down”, cu sarcina de -1/3, în total, la nivelul protonului, rezultând sarcina +1.
• în funcție de tipurile de quarcuri cu care intră în coliziune electronii pe timpul experimentelor, vom obține imagini diferite ale structurii interne a protonului, ca în imaginile de mai jos:
• o primă problemă cu imaginea simplificată (un proton = 3 quarcuri) are legătură cu spinul protonului (citește și: Ce este spinul particulelor). Pur și simplu adăugând spinul celor trei quarcuri nu ajungem la spinul protonului. O altă problemă a apărut când s-a constatat că masa celor trei quarcuri constituie doar 1% din masa totală a protonului!
• în cadrul unor experimente din perioada 1992-2007 efectuate la HERA (Hadron-Electron Ring Accelerator), Germania, s-a observat că electronii erau împrăștiați și de quarcuri cu impuls foarte mic, precum și de anti-quarcuri. Aceste observații au confirmat o teorie (cromodinamica cuantică) dezvoltată în anii '70 ai secolului trecut care prezicea existența unei forțe nucleare tari care ține împreună quarcurile, forță care este mediată de particule numite gluoni. Fiecare quarc și gluon are o „culoare”, denumită roșu, verde și albastru (nicio legătură cu aceste culori în fapt). Conform acestei teorii, gluonii obțin energie din vid (particule virtuale), iar în urma obținerii acestei energii suplimentare se transformă într-un quarc și un antiquarc ce se anihilează reciproc instantaneu. Avem de-a face, așadar, cu o „mare” de gluoni, quarcuri și anti-quarcuri în interiorul protonului.
• recent o echipă condusă de fizicianul Juan Rojo de la Institutul Național pentru fizică subatomică din Țările de Jos a analizat peste 5.000 de imagini obținute de-a lungul a 50 de ani, folosind inteligența artificială pentru a observa mișcarea quarcurilor și gluonilor. Această analiză a dus la un rezultat surprinzător: în anumite cazuri coliziunile electronilor au purtat amprenta unor quarcuri și anti-quarcuri charm, care sunt particule mult mai grele decât protonul în sine. Deși, în cadrul coliziunilor, electronii întâlnesc de regulă cele tipuri „clasice” de quarcuri, din când în când se lovesc de alte tipuri de quarcuri, precum cele charm.
• Fizicienii de la Laboratorul Național Brookhaven speră să ajute la clarificarea structurii protonului prin intermediul unui nou accelerator de particule, Electron-Ion Collider, care va deveni operațional după anul 2030. Aceștia speră să obțină prima imagine 3D a structurii protonului.
Citiți și:
• Câte quarcuri sunt într-un proton?
• Particulele elementare (unde trecem în revistă toate particulele cunoscute)
• Teoria modelului standard
Sursa: Quanta magazine
