Proton - najbardziej skomplikowana rzecz, jaką znamy. Tym bardziej inny, im bardziej mu się przyglądamy
Wewnętrzna dynamika protonów jest skomplikowana, ponieważ zachodzi w nim bez liku procesów, począwszy od wymiany gluonów przez kwarki oraz oddziaływania z różnymi polami i stanami energii próżni. Wszystko to sprawia, że masa protonu, choć w różnych zestawieniach jej wartość jest podawana, w rzeczywistości jest jedynie przybliżeniem w granicach błędu do 4 proc. Niezależnie od tych niedokładności, przyjmuje się, że protony mają masę około 1836 razy większą niż elektrony, wynoszącą około 1,67×10–27 kilograma. Masa protonu, pomimo że wciąż jest przedmiotem kolejnych przybliżeń, stanowi jedną ze stałych fizycznych.
Nie można także mówić o tym, że znamy definitywnie jego rozmiar i kształt. Przyjęta międzynarodowo wartość promienia ładunku protonu wynosi 0,8768 fm. Wartość ta oparta jest na pomiarach z udziałem protonu i elektronu oraz badaniach poziomów energetycznych atomów wodoru i deuteru.
Jednak w 2010 roku Randolf Pohl z Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka i współpracownicy poinformowali, że dokonali wyjątkowo precyzyjnego pomiaru wielkości protonu (2), czyli dodatnio naładowanego bloku jądra atomowego. Dokonali tego przy użyciu specjalnych atomów wodoru, w których elektron, który normalnie orbituje wokół protonu, został zastąpiony mionem, cząstką identyczną z elektronem, ale 207 razy cięższą. Wynik był zastanawiający. Zespół Pohla stwierdził, że protony okrążane przez mion mają 0,84 femtometra w promieniu, 4 proc. mniej niż w zwykłym wodorze, według średniej z ponad dwóch tuzinów wcześniejszych pomiarów. Oznaczałoby to, gdyby się potwierdziło, że protony kurczą się w obecności mionów, czyli występują nieznane fizyczne oddziaływania między protonami.
W styczniu 2013 roku opublikowano uaktualnioną wartość promienia ładunku protonu do 0,84087 fm. Precyzja została poprawiona 1,7 razy, co zwiększyło rozbieżności do przyjętego modelu. Korekta CODATA z 2014 roku nieznacznie zmniejszyła zalecaną wartość promienia protonu (obliczoną wyłącznie przy użyciu pomiarów elektronowych) do 0,8751 fm, ale wciąż pozostawia to rozbieżność na poziomie 5,6.
W 2019 r. w "Science" zespół fizyków pod kierownictwem Erica Hesselsa z Uniwersytetu York w Toronto opisał operację ponownego mierzenia protonu w zwykłym, "elektronowym" wodorze. Ustalono wartość 0,833 femtometra, co w granicach błędu 0,01, daje wynik dokładnie odpowiadający wartości Pohla. Oba pomiary są bardziej precyzyjne niż wcześniejsze próby i sugerują, że rozmiar protonu nie zmienia się pod wpływem takich czynników jak miony zamiast elektronów wokół jądra. Uznano raczej stare pomiary z wykorzystaniem wodoru elektronowego za błędne. Przez długi czas fizykom z pomiarów i obliczeń wychodziła wartość 0,877 femtometra (jeden fm to 100 kwintylionowych części metra). Warto dodać, że po drodze, w 2017 r. niemieccy fizycy na podstawie swoich pomiarów wyliczyli promień protonu na 0,83 fm i jak uznawano, z dokładnością do błędu pomiarowego, zgadzałoby się to z wartością 0,84 fm wyliczoną w 2010 roku na podstawie promieniowania egzotycznego "wodoru mionowego".
By nie było za prosto, w tym samym 2019 roku, inny zespół naukowców tworzących PRad w Jefferson Lab w Wirginii w USA, ponownie sprawdził wyniki pomiarów, wykorzystując nowy eksperyment rozpraszania protonów-elektronów. Naukowcy uzyskali wynik - 0,831 femtometra. Autorzy badań w pracy na ten temat, opublikowanej w "Nature", nie uważają, że problem został już w pełni rozwiązany.
Być może pomogą inne metody pomiaru. Już w 2013 roku "Scientific American" opisał nową metodę pomiaru rozmiaru protonu, która wykorzystuje neutrino zamiast ładunku elektrycznego. Neutrina to bardzo słabo oddziałujące cząstki, które mogą przenikać przez materię i dostarczać informacji o strukturze protonu.
Przeprowadzone w ostatnim okresie eksperymenty wykazały, że wewnątrz jądra atomu protony, jak też sąsiadujące z nimi neutrony wydają się znacznie większe, niż powinny być. Fizycy stworzyli dwie konkurujące ze sobą teorie, które próbują wyjaśnić to zjawisko, a zwolennicy każdej z nich są przekonani, że druga jest błędna. Zjawisko polegające na tym, że protony i neutrony wewnątrz ciężkich jąder zachowują się tak, jakby były znacznie większe niż wtedy, gdy znajdują się poza jądrami, naukowcy nazywają efektem EMC, od European Muon Collaboration, grupy badawczej, która przypadkowo je odkryła. Gwałci ono znane teorie fizyki jądrowej.
Badacze przypuszczają, że kwarki składające się na nukleony oddziałują na inne kwarki w innych protonach i neutronach i rozbijają ściany oddzielające cząstki. Kwarki tworzące jeden proton zaczynają zajmować tę samą przestrzeń co kwarki z innego protonu. To powoduje, że protony (lub neutrony) rozciągają się i rozmywają. Rosną znacząco, ale jedynie przez bardzo krótki okres. Nie wszyscy fizycy zgadzają się z takim opisem zjawiska.
Problem określenia promienia dla jądra atomowego (protonu) jest podobny do problemu promienia atomu, w tym sensie, że ani atomy, ani ich jądra nie mają określonych granic. Jednakże, dla interpretacji eksperymentów rozpraszania elektronów, jądro może być modelowane jako kula o dodatnim ładunku. Ponieważ nie ma zdefiniowanej granicy jądra, elektrony "widzą" pewien zakres przekrojów, dla których można przyjąć średnią.
Masa, rozmiar czy ładunek to nie jedynie parametry, które można w przypadku protonu mierzyć i te pomiary mają daleko idące konsekwencje dla fizyki. W artykule opublikowanym na stronie scitechdaily. com w październiku 2022 roku przedstawione zostały wyniki badań nad strukturą protonu. Struktura protonu ulega deformacji pod wpływem zewnętrznych pól elektrycznych i magnetycznych. Zjawisko to nazywa się polaryzowalnością. Polaryzowalność elektryczna i magnetyczna to miary sztywności protonu przeciwstawiającej się deformacji wywołanej przez pola. Mierząc te wielkości, naukowcy mogą dowiedzieć się więcej o wewnętrznej budowie protonu i porównać ją z teoretycznymi opisami oddziaływania promieniowania gamma z protonami. Fizycy nazywają ten proces rozpraszaniem Comptona na protonach.
Badania nad rozpraszaniem Comptona na protonach zostały przeprowadzone przez międzynarodową grupę naukowców z NNPDF (Neural Network Parton Distribution Functions) przy użyciu źródła wysokoenergetycznych promieni gamma HIGS (High Intensity Gamma Ray Source) w Triangle Universities Nuclear Laboratory w USA. Naukowcy wykorzystali uczenie maszynowe i analizę danych z eksperymentów fizyki cząstek z ostatnich 35 lat. Zbadali, jak wiązki promieni gamma o różnej polaryzacji rozpraszają się na protonach w ciekłym wodorze i jak często pojawiają się kwarki uroczone. Wyniki pokazały, że polaryzowalność elektryczna i magnetyczna protonu są znacznie większe niż wcześniej sądzono. Oznacza to, że proton jest mniej sztywny, niż się spodziewano i łatwiej ulega deformacji pod wpływem pól.
Rozpada się czy nie rozpada samorzutnie?
Definicyjnie mówimy, że proton to trwała cząstka subatomowa z grupy barionów o ładunku +1. Protony wraz z neutronami tworzą kategorię nukleonów (3), składników jąder atomowych. Liczba protonów w jądrze danego atomu jest równa jego liczbie atomowej, będącej podstawą uporządkowania pierwiastków w układzie okresowym. Są głównym elementem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Proton, według Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych, jest cząstką złożoną, zaliczaną do hadronów, a ściślej ich podrodziny, zwanej barionami, zbudowaną według standardowej definicji z trzech kwarków - dwóch kwarków górnych "u" i jednego kwarka dolnego "d" związanych silnym oddziaływaniem jądrowym przenoszonym przez gluony.
Nie do końca jest wyjaśniona kwestia czasu życia protonu. Według najnowszych wyników eksperymentalnych, jeżeli rozpad protonu następuje, to średni czas życia tej cząstki jest dłuższy niż 2,1·1029 lat. Zgodnie z Modelem Standardowym proton, jako najlżejszy barion, nie może się samorzutnie rozpaść. Niezweryfikowane eksperymentalnie teorie wielkiej unifikacji generalnie przewidują rozpad protonu, zaś czas życia tej cząstki to minimum 1·1036 lat. Proton może ulec przemianie, na przykład w procesie wychwytu elektronu. Ten proces nie zachodzi samorzutnie, lecz w wyniku dostarczenia dodatkowej energii. Jest odwracalny. Na przykład w rozpadzie beta neutron zamienia się w proton. Wolne neutrony rozpadają się spontanicznie (czas życia około 15 minut), tworząc protony.
Antyproton, cząstka elementarna będąca antycząstką protonu, różni się od niego odwrotnym ładunkiem elektrycznym, momentem magnetycznym i liczbą barionową. Ma tę samą masę i czas życia. Oddziaływanie protonu z antyprotonem powoduje ich anihilację. W odpowiednich warunkach przed anihilacją mogą utworzyć protonium, egzotyczny atom zbudowany z protonu i antyprotonu, które krążą wokół siebie. Antyprotony występują również w naturze. Odnajdywane są w promieniowaniu kosmicznym docierającym do Ziemi oraz w Pasach Van Allena. Przypuszcza się, że większość tych antyprotonów ma pochodzenie wtórne, czyli powstają w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego z materią międzygwiezdną.
Jak gwiazda z układem planetarnym
Przez większą część XIX wieku uważano, że atomy są najmniejszym i najbardziej podstawowym budulcem wszelkiej materii, ale gdy wiek ten zbliżał się do końca, zaczęło przybywać dowodów na to, że atomy w rzeczywistości składają się z mniejszych cząstek. Naukowcy zaczęli eksperymentować z promieniami anodowymi i katodowymi, czyli dodatnio i ujemnie naładowanymi wiązkami wytwarzanymi przez gazowe lampy wyładowcze.
W 1897 roku J.J. Thomson odkrył, że promienie katodowe to strumienie elektrycznie ujemnych cząstek subatomowych, zwanych elektronami, które były uwalniane z atomów w rurze wyładowczej. Konsekwentnie zaczęto uważać, iż promienie anodowe muszą być strumieniami jonów, które są dodatnio naładowanymi atomami. Jony wodoru zostały eksperymentalnie rozpoznane w promieniach anodowych w 1898 roku przez niemieckiego fizyka Wilhelma Wiena.
Pierwsza hipoteza budowy atomów przewidywała więc ujemnie naładowane elektrony rozsiane po amorficznie rozłożonej masie ładunku dodatniego. Nazwano ją modelem budyniu śliwkowego, a elektrony uczyniono analogicznymi do śliwek osadzonych w cieście. Brytyjski fizyk Ernest Rutherford miał poważne wątpliwości co do sensu tego modelu.
W latach 1909–1911 Hans Geiger i Ernest Marsden, pod okiem Rutherforda na uniwersytecie w Manchesterze wyemitowali cząstki alfa, czyli to, co dziś znamy jako jądra helu, w kierunku błony ze złotej folii. Gdyby model budyniu śliwkowego był zgodny z rzeczywistością, cząstki alfa powinny były po prostu przelatywać prostymi torami pomiędzy atomami złota lub zostać odchylone w niewielkim stopniu. Geiger i Marsden odkryli, że cząstki alfa były jednak często odchylane pod dużymi kątami, a nawet odbijały się w przeciwnym kierunku. Mogło to zachodzić jedynie wtedy, gdy w centrum atomu znajdował się skoncentrowany ładunek elektryczny, a nie był on rozłożony w całej objętości jak w modelu budyniu. To przekonało Rutherforda, że atomy zbudowane są z niewielkiego gęstego jądra ładunku dodatnim, otoczonego pustą przestrzenią oraz elektronami krążącymi wokół jądra w pewnej odległości.
Model ten, choć uproszczony, bo nie uwzględnia kwantowego zachowania elektronów, nazywany jest modelem Bohra od nazwiska Nielsa Bohra, który wraz z Rutherfordem złożył wszystkie elementy do w całościową teorię budowy atomu, nazywaną niekiedy modelem planetarnym, gdyż elektrony miały krążyć w nich na podobieństwo orbit wokół ciał niebieskich (4).
W 1920 roku Rutherford doszedł do wniosku, że jądra wodoru muszą być podstawowym budulcem wszystkich jąder atomowych, ponieważ wodór jest najlżejszym pierwiastkiem. Jądro wodoru nazwał protonem, za greckim słowem znaczącym "pierwszy", ponieważ Rutherford postrzegał te cząstki jako pierwszy/pierwotny/podstawowy budulec wszystkich atomów. Dziś wiemy, że protony (i neutrony) są utworzone z jeszcze mniejszych cząstek, kwarków, i że jądro atomu jest zbudowane z protonów i neutronów (z wyjątkiem podstawowej formy wodoru, która nie ma neutronów).
Protony mają dodatni ładunek elektryczny równy ładunkowi elektronu, ale z przeciwnym znakiem. Ładunek protonu jest jedną z podstawowych stałych fizycznych i wynosi około 1,6×10–19 kulomba. Jest on dokładnie równy i przeciwny ładunkowi elektronu, który wynosi - 1,602192×10–19 kulomba. Ponieważ ich ładunki są równe i ponieważ drugi współmieszkaniec jądra atomowego, neutron, jest neutralny, to tak długo, jak liczba protonów i elektronów jest w atomie równa, ich ładunki się znoszą i atomy są elektrycznie neutralne. Usunięcie elektronu z otoczenia atomu zaburza równowagę pomiędzy ładunkami elektronów i protonów, a atom staje się dodatnio naładowany - jest jonem.
Tworzą w kosmosie, leczą na Ziemi
Protony wypełniają przestrzeń kosmiczną, ujawniając swoją obecność w różnych sytuacjach. Mogą być częścią atomów lub jonów w materii międzygwiazdowej lub planetarnych atmosferach. Mogą też być emitowane przez Słońce i inne gwiazdy jako promieniowanie kosmiczne lub wiatr słoneczny. Protony mogą też tworzyć jądra cięższych pierwiastków w procesach syntezy jądrowej w gwiazdach lub w supernowych.
Wolne protony występują na Ziemi sporadycznie. np. podczas burz mogą zostać wytworzone protony energiach do kilkudziesięciu megaelektronowoltów. Przy odpowiednio niskich temperaturach i energiach kinetycznych swobodne protony będą wiązać się z elektronami. Charakter takich związanych protonów nie zmienia się jednak i pozostają one protonami.
Szybki proton poruszający się w materii będzie zwalniał z powodu oddziaływań z elektronami i jądrami, aż zostanie wychwycony przez chmurę elektronową atomu. W efekcie powstaje atom protonowany, który jest związkiem chemicznym wodoru. W próżni, gdy obecne są wolne elektrony, wolny proton może "przechwycić" pojedynczy wolny elektron, stając się neutralnym atomem wodoru. Takie "wolne atomy wodoru" mają tendencję do reagowania chemicznego z wieloma innymi rodzajami atomów nawet przy niskich energiach. Kiedy wolne atomy wodoru reagują ze sobą, tworzą neutralne cząsteczki wodoru (H2), które są naj-bardziej powszechnym składnikiem obłoków molekularnych w przestrzeni międzygwiezdnej.
Mgławice gwiazdotwórcze wypełnione gazem wodorowym w przestrzeni kosmicznej są często określane jako regiony H-II. Oznacza to, że wodór został zjonizowany przez światło ultrafioletowe pochodzące od znajdujących się okolicy młodych gwiazd (H-I to neutralny wodór atomowy; H-II jest zjonizowany). Energia fotonu ultrafioletowego, który wodór pochłania, jest wystarczająca, aby wybić elektron. Ponieważ atom wodoru składa się z jednego protonu i jednego elektronu, utrata elektronu pozostawia tylko proton. Kiedy proton w mgławicy odzyskuje elektron, emituje foton światła o charakterystycznej długości fali 656,3 nanometra, co jest zjawiskiem znanym jako emisja H-II.
Energia, która przejawia się jako światło i ciepło Słońca, jest generowana poprzez mechanizm, w którym znów kluczową rolę odgrywają protony, a nazywane jest to łańcuchem proton-proton (5). W jądrze Słońca temperatura osiąga 15 milionów stopni Celsjusza, co wystarcza do przeprowadzenia fuzji termojądrowej. W tych wysokich temperaturach wszystkie atomy ulegają jonizacji, a ponieważ Słońce składa się głównie z wodoru, oznacza to, że jego jądro jest wypełnione protonami. W łańcuchu proton-proton dwa protony spotykające się w takich warunkach w centrum Słońca mogą się połączyć, wydzielając przy tym neutrino i dodatnio naładowany pozyton (który jest antymateryjnym odpowiednikiem elektronu).
Utrata dodatniego ładunku zmienia jeden z protonów w neutron, a razem proton i neutron tworzą deuter (izotop wodoru). Jądro deuteru może następnie połączyć się z innym protonem, tworząc hel-3 (zbudowany z dwóch protonów i neutronu) i emitując w tym procesie energię, która w końcu dociera do powierzchni Słońca w postaci promieniowania, które widzimy jako światło i odczuwamy jako ciepło. Tymczasem jądro helu-3 może następnie połączyć się z innym jądrem helu-3 powstałym w tym samym procesie, tworząc hel-4 (2 protony, 2 neutrony) i emitując dwa inne protony. Te inne protony mogą następnie utworzyć więcej helu-3 i tak dalej w reakcji łańcuchowej, uwalniając więcej energii w tym procesie. Słońce zawiera wystarczająco dużo jąder wodoru, czyli protonów, aby kontynuować tę reakcję przez pięć miliardów lat.
Wiatr słoneczny, który jest strumieniem naładowanych cząstek odchodzących od atmosfery Słońca, zawiera liczne protony, elektrony i różne jądra atomowe. Kiedy wiatr słoneczny zderza się z atmosferą planety, takiej jak ziemska, protony i elektrony przemieszczają się po liniach pola magnetycznego w dół, w kierunku biegunów planety, oddziałując i jonizując atomy i cząsteczki w atmosferze. Te atomy i cząsteczki następnie świecą, tworząc zorze polarne.
Czasami Słońce wybucha w postaci rozbłysku słonecznego, często skutkującego uwolnieniem koronalnego wyrzutu masy. Te gwałtowne erupcje słoneczne mogą przyspieszać protony do wysokich energii. Owe "słoneczne cząstki energetyczne" są rozpędzane do prędkości bliskiej prędkości światła i stanowią zagrożenie radiacyjne m.in. dla astronautów i pasażerów samolotów na dużych wysokościach.
W Układzie Słonecznym występują również wysokoenergetyczne protony (i cząstki alfa) pochodzące spoza naszego Układu Słonecznego. Promieniowanie kosmiczne, które tworzą, ma wysoka energię, ale pochodzenie jego składników, w tym "kosmicznych protonów", pozostaje zagadką. Najwyraźniej są one przyspieszane przez potężne pola magnetyczne, a głównymi podejrzanymi są aktywne jądra galaktyk i okolice czarnych dziur. Mogą to być także pozostałości po supernowych i wytwory rejonów formowania się gwiazd.
Protony i ich badania to kluczowa rzecz dla nauki i technologii. Zderzając je i analizując na różne sposoby, poznajemy tajemnice budowy atomu i jądra atomowego oraz oddziaływań między cząstkami. Używa się ich jako "czynnika roboczego" w akceleratorach cząstek, choćby w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) i innych. Protony są tam zderzane ze sobą lub z innymi cząstkami przy bardzo wysokich energiach. Protony są też wykorzystywane do leczenia niektórych chorób nowotworowych za pomocą terapii, która polega na napromieniowywaniu guzów wiązką protonów (6).
Ocean kwarków, antykwarków i gluonów
Nauczyciele fizyki w szkole średniej opisują je jako bezbarwne kulki, mające po jednej jednostce dodatniego ładunku elektrycznego, punkty odniesienia dla ujemnie naładowanych elektronów, które brzęczą wokół nich. Studenci uczelni wyższych dowiadują się, że kula jest w rzeczywistości wiązką trzech cząstek elementarnych zwanych kwarkami. Dekady badań w dziedzinie fizyki ujawniły znacznie głębszą prawdę, skomplikowaną i, co tu kryć, momentami przeczącą naszej intuicji. Ta mała, dodatnio naładowana cząstka w sercu atomu to obiekt o niewypowiedzianej złożoności, który zmienia swój wygląd w zależności od tego, jak się go bada, np. naukowcy odkryli niedawno, że proton może czasami zawierać kwarki i antykwarki, kolosalne cząstki, z których każda jest cięższa od samego protonu. Jak to pojąć?
"Proton to najbardziej skomplikowana rzecz, jaką można sobie wyobrazić", pisze w jednej z niedawnych publikacji Mike Williams, fizyk z Massachusetts Institute of Technology. "Trudno wręcz sobie wyobrazić, jak bardzo jest skomplikowany".
Proton jest obiektem mechaniki kwantowej, który (podobnie zresztą jak elektron) istnieje jako chmura prawdopodobieństwa, dopóki eksperyment nie zmusi go do przyjęcia konkretnego stanu. Jego formy, cechy i parametry różnią się drastycznie w zależności od tego, jak badacze skonfigurują swój eksperyment. Wciąż ujawniane są kolejne tajemnice tej cząstki elementarnej. Opublikowana w sierpniu 2022 r. analiza danych wykazała, że proton zawiera ślady cząstek zwanych kwarkami powabnymi, które są… cięższe niż sam proton.
Pierwsze dowody na to, że proton składa się z wielu elementów, przyszły w 1967 roku z akceleratora SLAC na Uniwersytecie Stanforda. Odkrycie to potwierdzało wcześniejszą teorię Murraya Gell-Manna i George’a Zweiga, którzy w 1964 roku stwierdzili, że proton składa się z trzech kwarków. Po tym odkryciu, za które w 1990 roku przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, badania protonu nasiliły się. Fizycy przeprowadzili setki eksperymentów. Używając elektronów o wyższych energiach, odkrywają coraz subtelniejsze cechy budowy i natury protonu. Mierząc energię i trajektorię każdego odbitego w zderzeniu elektronu, badacze określają, rozmiar, ładunek i moment pędu kwarków składowych.
Model Gell-Manna i Zweiga to eleganckie ujęcie zawartości protonu. Przewiduje dwa kwarki górne o ładunkach elektrycznych +(2/3) każdy i jeden kwark dolny o ładunku -(1/3), co daje całkowity ładunek protonu równy +1. Pięknie się to składa, ale elegancja kończy się, gdy przechodzimy do kwestii spinu protonu, który jest połówkowy. Podobną wartość ma spin każdego z jego kwarków składowych: górnych i dolnych. Fizycy początkowo przypuszczali, że połówkowe wartości dwóch kwarków górnych minus kwark dolny muszą być równe połowie jednostki dla całego protonu. Jednak w 1988 roku zespół European Muon Collaboration doniósł, że spiny kwarków sumują się do wartości znacznie mniejszej niż połowa. I to nie koniec zamieszania. Masy dwóch kwarków górnych i jednego kwarku dolnego stanowią tylko około 1 proc. całkowitej masy protonu. Nie pozostawało więc nic innego niż przyznanie, że wewnątrz protonu jest znacznie więcej czegoś (?) niż trzy kwarki.
Wyniki eksperymentów w Akceleratorze Hadronów-Elektronów (HERA), który pracował w Hamburgu w latach 1992–2007, uderzając w protony elektronami z grubsza tysiąc razy mocniej niż SLAC, potwierdziły nową, znacznie bardziej złożoną, niż model Gell-Manna i Zweiga, teorię budowy protonu. Była to opracowana w latach 70. XX wieku kwantowa teoria "oddziaływania silnego" między kwarkami. Teoria ta przewiduje, że kwarki połączone są cząstkami przenoszącymi owo oddziaływanie, zwanymi gluonami. Każdy kwark i każdy gluon ma jeden z trzech rodzajów ładunku ("koloru"), oznaczanego jako czerwony, zielony i niebieski. Te naładowane kolorowo cząstki w naturalny sposób tworzą zgrupowanie, w której kolory składników sumują się do neutralnej (w sensie ładunku kolorowego) bieli, co w sumie daje "kolorowo neutralny" proton. Ta kolorowa teoria stała się znana jako chromodynamika kwantowa, czyli QCD. Frank Wilczek, David Gross i David Politzer skompletowali teorię QCD w 1973 roku i 31 lat później otrzymali za nią Nagrodę Nobla.
Zgodnie z QCD, gluony mogą odbierać chwilowe skoki energii. Dzięki tej energii gluon rozpada się na kwark i antykwark, zaś każdy z nich niesie ze sobą drobny ułamek pędu, zanim para anihiluje i znika. To właśnie ów ocean ulotnych gluonów, kwarków i antykwarków odkryły eksperymenty HERA. Uczeni znaleźli w nich również wskazówki dotyczące tego, jak wyglądałby proton w potężniejszych zderzaczach. Gdy fizycy dostosowali HERA do poszukiwania kwarków o niższej energii, te kwarki, pochodzące od gluonów, pojawiały się w coraz większej liczbie. Wyniki sugerowały, że w zderzeniach o wyższych energiach proton pojawi się jako chmura złożona prawie w całości z gluonów.
Ale zwycięstwo nowej teorii oznaczało gorzką pigułkę do przełknięcia. Chociaż QCD zgrabnie opisała szalony taniec krótko żyjących kwarków i gluonów, teoria jest bezużyteczna, gdy trzeba dokładnie opisać trzy trwałe kwarki rejestrowane w SLAC. Ponadto przewidywania QCD są klarowne tylko, gdy oddziaływanie silne jest, hm… nie za bardzo silne. A oddziaływanie to słabnie tylko wtedy, gdy kwarki są bardzo blisko siebie, tak jak w krótkotrwałych parach kwark-antykwark. W przypadku łagodniejszych zderzeń, takich jak w SLAC, gdzie proton zachowuje się jak trzy kwarki, które wzajemnie utrzymują większy dystans, kwarki te oddziałują na siebie na tyle silnie, że obliczenia QCD stają się niemożliwe. Zatem znów trzeba zadać pytanie - o co w tym chodzi? Który proton jest "tym prawdziwym", ten pełen kipiącej różnorodności krótko żyjących ingrediencji i jednak wciąż ten trójkwarkowy ze stabilnym układem wewnętrznym.
Powabny dziwoląg
Eksperymentatorzy, na których spadł ciężar wyjaśnienia tych sprzeczności, wzięli się do pracy i w ostatnich latach zaskakują nowinkami, jeśli chodzi strukturę protonu. Ostatnio zespół kierowany przez Juana Rojo z Narodowego Instytutu Fizyki Subatomowej w Holandii i Uniwersytetu VU w Amsterdamie po przeanalizowaniu ponad pięciu tysięcy zdjęć protonu wykonanych w ciągu ostatniego półwiecza, wykorzystując uczenie maszynowe do wnioskowania o ruchach kwarków i gluonów wewnątrz protonu, wychwycił rozmycie tła, które umknęło poprzednim badaczom. W stosunkowo łagodnych zderzeniach, które ledwo co rozrywają proton, większość pędu była zamknięta w zwykłych trzech kwarkach - dwóch górnych i dolnym. Jednak niewielka ilość pędu pochodziła z kwarka powabnego i jego antykwarka, masywnych cząstek, z których każda przewyższa masą cały proton o ponad jedną trzecią.
Wyniki Rojo i współpracowników sugerują, że kwarki powabne mają w strukturze protonu relatywnie trwałą obecność, co czyni je wykrywalnymi w łagodniejszych zderzeniach. W takich zderzeniach proton pojawia się jako kwantowa mieszanina, lub superpozycja, wielu stanów. Elektron zwykle natrafia na trzy lekkie kwarki. Ale czasami napotka rzadszą "cząsteczkę" złożoną z pięciu kwarków ("pentakwarki"), takich jak kwark górny, dolny i powabny, zgrupowane po jednej stronie oraz kwark górny i antykwark powabny po drugiej.
Międzynarodowa grupa naukowców, do której należy Rojo, NNPDF (Neural Network Parton Distribution Functions) zbadała, jak wiązki cząstek o wysokiej energii rozpraszają się na protonach i jak często pojawiają się kwarki powabne. Ich wyniki jeszcze bardziej niezwykłymi czyni odkrycie, że chociaż ten smak kwarka (powabny) jest półtora raza masywniejszy niż sam proton, to gdy jest on składnikiem protonu, kwark ten stanowi jedynie około połowy masy kompozycji nazywanej protonem. To konsekwencja egzotyki mechaniki kwantowej, która wymaga myślenia o strukturze cząstki i o tym, co można w niej znaleźć, jako o obszarze pradopodobieństwa.
"W przyrodzie występuje sześć rodzajów [smaków] kwarków, trzy są lżejsze od protonu [kwarki górne, dolne i dziwne], a trzy cięższe [kwarki powabne, niskie-piękne i wysokie-prawdziwe]", wyjaśnia w podcaście Nature Briefing Stefano Forte, lider zespołu NNPDF Collaboration i profesor fizyki teoretycznej na uniwersytecie w Mediolanie. "Można by pomyśleć, że tylko lżejsze kwarki trafiają do wewnątrz protonu, ale w rzeczywistości prawa fizyki kwantowej pozwalają również na to, aby cięższe kwarki znajdowały się wewnątrz protonu".
Kwarki powabne mogą zmieniać sposób oddziaływania protonów z innymi cząstkami i polami sił. Mogą też mieć znaczenie dla astrofizyki i kosmologii, ponieważ wpływają na procesy jądrowe zachodzące w gwiazdach i we wczesnym Wszechświecie.
Kiedy protony zwane promieniami kosmicznymi przylatują tu z kosmosu i uderzają w protony w ziemskiej atmosferze, kwarki powabne wyskakujące w odpowiednim momencie obsypują Ziemię bardzo energetycznymi neutrinami, wyliczyli naukowcy w 2021 roku. Mogłyby one zmylić obserwatorów poszukujących wysokoenergetycznych neutrin pochodzących z całego kosmosu.
Zespół Rojo planuje kontynuować badania protonu, poszukując braku równowagi pomiędzy kwarkami i antykwarkami. Cięższe składniki, takie jak kwark górny, mogą pojawić się jeszcze rzadziej i trudniej je wykryć.
Eksperymenty nowej generacji będą poszukiwać jeszcze bardziej nieznanych cech. Fizycy z Brookhaven National Laboratory mają nadzieję, że w latach 30. uda się uruchomić Zderzacz Elektronowo-Jonowy i kontynuować prace nad HERA, wykonując zdjęcia o wyższej rozdzielczości, które pozwolą na pierwsze trójwymiarowe rekonstrukcje protonu. EIC użyje również wirujących elektronów do stworzenia szczegółowych map spinów wewnętrznych kwarków i gluonów, tak jak SLAC i HERA mapowały ich momenty pędu. Powinno to pomóc badaczom w ostatecznym ustaleniu natury spinu protonu oraz w odpowiedzi na inne fundamentalne pytania dotyczące tej zaskakującej cząstki, która stanowi większość naszego codziennego świata.
Czas sięgnąć po neutrina
W ostatnich latach kolejne badania i eksperymenty przynoszą nową wiedzę o cząstce, która wydawała nam się tak dobrze znana. Cztery lata temu fizycy z MIT po raz pierwszy obliczyli rozkład ciśnienia wewnątrz protonu. Znaleźli oni wysokociśnieniowe "jądro" protonu, które w najbardziej intensywnym punkcie generuje większe ciśnienia niż te, które występują wewnątrz gwiazdy neutronowej. Ciśnienie wypycha wnętrze protonu, zaś otaczający jądro obszar wpycha do wewnątrz. Konkurencyjne ciśnienia działają stabilizująco na ogólną strukturę protonu. Wyniki fizyków, opublikowane w "Physical Review Letters", to pierwszy przypadek, w którym naukowcy po raz pierwszy obliczyli rozkład ciśnienia protonu, biorąc pod uwagę wkład zarówno kwarków, jak i gluonów.
Zamiast mierzyć ciśnienie protonu za pomocą akceleratorów cząstek, postanowili uwzględnić rolę gluonów, wykorzystując superkomputery do obliczania interakcji pomiędzy kwarkami i gluonami, które przyczyniają się do ciśnienia protonu. "Wewnątrz protonu znajduje się bąbelkowa próżnia kwantowa par kwarków i antykwarków, jak również gluonów, pojawiających się i znikających", mówi Phiala Shanahan, adiunkt fizyki w MIT. "Nasze obliczenia obejmują wszystkie te dynamiczne wahania".
W tym celu zespół zastosował technikę znaną w fizyce jako siatka QCD, czyli będącą wykorzystaniem chromodynamiki kwantowej. Obliczenia te wykorzystują czterowymiarową strukturę, czyli sieć punktów do reprezentacji trzech wymiarów przestrzeni i czasu. Badacze obliczyli ciśnienie wewnątrz protonu za pomocą równań chromodynamiki kwantowej zdefiniowanych na siatce. Zespół spędził osiemnaście miesięcy, uruchamiając różne konfiguracje kwarków i gluonów przez kilka różne superkomputery, a następnie wyznaczył średnie ciśnienie w każdym punkcie od środka protonu, na zewnątrz do jego krawędzi. "Po raz pierwszy przyjrzeliśmy się wkładowi gluonu w rozkład ciśnienia i widzimy, że w stosunku do poprzednich wyników rozkład ciśnienia rozciąga się dalej od środka protonu”, mówi Shanahan. Innymi słowy, wydaje się, że najwyższe ciśnienie w protonie wynosi około 1035 paskali, czyli 10 razy więcej niż w przypadku gwiazdy neutronowej. Otaczający obszar niskiego ciśnienia rozciąga się dalej, niż wcześniej szacowano.
Potwierdzenie tych nowych obliczeń będzie wymagało znacznie potężniejszych detektorów, takich jak wspomniany Zderzacz Elektronowo-Jonowy, który fizycy zamierzają wykorzystać do badania wewnętrznych struktur protonów i neutronów, bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek wcześniej, w tym gluonów.
W 2017 r. fizykom pracującym z wykorzystaniem akceleratora cząsteczek elementarnych w Ośrodku im. Thomasa Jeffersona (Jefferson Lab) w USA, udało się po raz pierwszy w historii zmierzyć tzw. słaby ładunek protonu. Według publikacji w czasopiśmie "Physical Review Letters" udało im się także dokonać pomiarów słabego ładunku neutronu oraz kwarka górnego i dolnego. Wspomniany ładunek słaby wynika z oddziaływań słabych, które należą do grupy czterech podstawowych oddziaływań fizycznych we Wszechświecie.
Poza słabymi są, oczywiście, oddziaływania silne, o których była mowa, elektromagnetyczne i grawitacyjne. Ładunek słaby protonu oznaczany jest QPW, przy czym literka "w" odpowiada angielskiemu wyrazowi "weak" - słaby. Naukowcy zaznaczają, że ich pomiar w eksperymencie, który nazwali Q-weak, ma charakter pierwszego przybliżenia i będzie precyzowany w miarę analizy pozostałych danych. Cieszą się jednak, że już pierwsze dane potwierdzają przewidywania fizycznego Modelu Standardowego, który jest główną podstawą teoretyczną współczesnej fizyki.
W artykule opublikowanym w "Nature" 1 lutego 2023 roku naukowcy z międzynarodowej współpracy MINERvA przedstawili nowy sposób badania struktury protonów za pomocą neutrin, nazywanych niekiedy "cząstkami-duchami". Bardzo trudno je wykrywać i badać. Nie mają ładunku elektrycznego i prawie nie mają masy. Rzadko oddziałują z atomami, dlatego mogą przenikać przez materię bez przeszkód. Badania zostały przeprowadzone w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) w USA, gdzie odbywał się eksperyment MINERvA. Jest to eksperyment fizyki cząstek, który ma na celu zbadanie oddziaływań neutrin z różnymi materiałami. Naukowcy po raz pierwszy w historii użyli w nim wiązki neutrin o wysokiej energii, w celu zbadania, jak neutrina rozpraszają się na protonach w jądrach atomowych.
Aby badać strukturę protonów za pomocą neutrin, naukowcy muszą uderzać w nie wiązką innych cząstek i mierzyć kąty i energie rozproszenia. Dotychczas używano do tego wiązek elektronów lub fotonów (kwantów światła). Jednak te cząstki mają ładunek elektryczny i oddziałują nie tylko z protonami, ale też z elektronami w atomach. To utrudnia interpretację wyników. Neutrina natomiast nie mają ładunku elektrycznego i prawie nie oddziałują z elektronami. Dlatego można założyć, że będą służyć wyłącznie do interakcji z protonami w jądrach atomowych. Dodatkowo naukowcy z MINERvA opracowali nową technikę analizy danych z eksperymentu z neutrino, która pozwala im wyodrębnić sygnał od protonów od szumu od innych cząstek.
Wstępne wyniki pokazały, że rozproszenie neutrin na protonach zachodzi inaczej niż rozpraszenie elektronów lub fotonów. To sugeruje, że neutrina widzą inną strukturę protonów. Naukowcy spekulują, że może to być spowodowane tym, że neutrino oddziałują ze wszystkimi trzema kwarkami w protonie równomiernie, gdy elektrony i fotony oddziałują głównie z kwarkiem górnym.
Nie jest zatem wykluczone, że dzięki temu nowemu, "neutrinowemu" spojrzeniu na proton zobaczymy go znów inaczej i dowiemy się o "pierwszym" zupełnie nowych rzeczy. Czy ten obraz protonu będzie tym wreszcie "najprawdziwszym", to już inna kwestia, na którą niestety odpowiedź mechaniki kwantowej może być znów niezbyt oczywista i niezgodna z intuicją.
Mirosław Usidus
