Протон — основа материи, фундамент химических элементов и наш собственный биологический код. Без него не существовало бы ни звезд, ни планет, ни жизни. Но чем больше ученые изучают эту частицу, тем яснее понимают: протон хранит секреты, способные изменить физику. От его размеров до вечности существования — вот пять загадок, которые не дают покоя исследователям.
В 1919 году Эрнест Резерфорд доказал: протон — строительный блок атомных ядер. С тех пор прошло больше века, но частица, составляющая 86% массы видимой материи Вселенной, до сих пор удивляет. Протон изучают в коллайдерах, моделируют в суперкомпьютерах, но ключевые вопросы остаются без ответа. Почему? Протон — не просто три кварка в «мешке» из глюонов. Это квантовый хаос, где частицы рождаются и исчезают за триллионные доли секунды. Каждый эксперимент открывает новые слои сложности, а старые теории рассыпаются, как карточные домики.
1. Из чего состоит протон?
Классическая модель описывает протон как тройку кварков: два верхних (up) и один нижний (down), связанных глюонами — переносчиками сильного взаимодействия. Однако в 1960-х физики обнаружили, что вокруг этих трех «валентных» кварков бурлит квантовое море виртуальных частиц: глюонов, кварков и антикварков, возникающих и исчезающих за мгновения.
Глюоны не только скрепляют кварки, но и составляют 90% массы протона благодаря энергии своего движения. При столкновениях в Большом адронном коллайдере (LHC) чаще сталкиваются именно глюоны, а не кварки. Но на этом странности не заканчиваются. Эксперименты при высоких энергиях показали: глюоны могут распадаться на пары кварк-антикварк, включая тяжелые strange и charm-кварки.
Charm-кварк особенно загадочен: его масса на 35% превышает массу всего протона. Как частица тяжелее протона может существовать внутри него? Ответ — квантовые поля. Charm-кварк оставляет в протоне «эхо» — кратковременное возмущение поля, а не полноценную частицу. В 2022 году группа Хуана Рохо из Свободного университета Амстердама, используя машинное обучение и данные экспериментов, заявила: протоны содержат «внутренний чарм» — постоянный след charm-кварков. Данные LHCb намекали на это, но статистическая значимость (менее 5 сигм) не позволила сделать окончательный вывод. Если подтвердится, это изменит интерпретацию всех экспериментов на LHC, где фон из charm-кварков может маскировать новые частицы.
2. Какой размер у протона?
Долгое время радиус протона считали равным 0,88 фемтометра (1 фемтометр = 10⁻¹⁵ метра). Но в 2010 году эксперимент с мюонным водородом в Институте Пауля Шеррера (Швейцария) сократил его до 0,84 фемтометра. Разница в 0,04 фемтометра вызвала кризис: либо ошибка в методах, либо пробел в Стандартной модели.
Ранние измерения использовали два подхода:
- Рассеяние электронов: электроны «обстреливали» протоны, анализируя углы отскока.
- Квантовые переходы в водороде: изучали энергетические уровни электрона на орбите протона.
Оба метода давали 0,88 фемтометра. Но мюоны, в 200 раз тяжелее электронов, вращаются ближе к протону, усиливая чувствительность измерений. В мюонном водороде протон казался меньше. К 2019 году усовершенствованные эксперименты с электронами и обычным водородом подтвердили меньший радиус. В 2023 году физики из Боннского университета и Технического университета Дармштадта пересмотрели старые данные рассеяния, также получив 0,84 фемтометра.
Однако загадка осталась: почему первоначальные результаты противоречили новым данным? Возможно, в ранних экспериментах не учли квантовые эффекты или существует неизвестная физика, влияющая на взаимодействие частиц.
3. Насколько протон эластичен?
Электрическая и магнитная поляризуемость протона — его способность деформироваться в полях — ключ к пониманию внутренней структуры. Согласно Стандартной модели, при увеличении масштаба протон должен становиться жестче, как апельсин с твердыми косточками. Но в 2000 году эксперимент в Майнце (Германия) выявил аномалию: на определенных масштабах протон внезапно «растягивался».
В 2022 году физики из Лаборатории Джефферсона (США) повторили эксперимент, обстреливая жидкий водород электронами. Когда электрон пролетал мимо протона, возникал фотон, деформирующий протон. Измеряя отскок частиц, ученые подтвердили аномальную эластичность, но эффект оказался вдвое слабее, чем в Майнце. Статистическая значимость пока недостаточна, чтобы исключить случайность.
Если аномалия реальна, это укажет на неизвестные аспекты сильного взаимодействия. Например, глюоны могут формировать временные структуры, повышающие гибкость протона. Такие открытия помогут понять природу нейтронных звезд, где плотность материи в триллионы раз выше, чем в атомах.
4. Как часто протоны сталкиваются в ядре?
Сильное взаимодействие связывает протоны и нейтроны в ядрах, но его поведение на сверхмалых расстояниях остается загадкой. В крупных ядрах (углерод, свинец) протоны сталкиваются лишь в 3% случаев — чаще взаимодействуя с нейтронами. Но в 2022 году эксперимент с гелием-3 (два протона + нейтрон) и тритием (протон + два нейтрона) в Лаборатории Джефферсона дал шокирующий результат: 20% столкновений происходили между протонами.
Ученые обстреливали изотопы электронами, наблюдая за отскоком частиц. В легких ядрах протоны менее плотно упакованы, что, возможно, меняет динамику сильного взаимодействия. Если сила между протонами становится более отталкивающей на малых расстояниях, это объяснит аномалию. Открытие повлияет на модели нейтронных звезд, где аналогичные условия могут вызывать нестабильность.
5. Вечен ли протон?
Нейтроны живут около 15 минут, но за всю историю наблюдений ни один протон не распался. Эксперименты в подземных детекторах (например, Super-Kamiokande в Японии) установили: срок жизни протона превышает 10³⁴ лет — в триллион триллионов раз больше возраста Вселенной.
Однако теории Великого объединения (GUT), объединяющие электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, предсказывают распад протонов. В 1980-х детекторы под озером Эри (США) и в шахте Хида (Япония) искали вспышки света от распадов, но не нашли ничего. В 1996 году Super-Kamiokande с 50 000 тонн воды продолжил поиски — безрезультатно.
В 2027 году заработает Hyper-Kamiokande с резервуаром в 260 000 тонн воды. Он повысит чувствительность в 10 раз, что может подтвердить GUT. Но в апреле 2023 года теоретики Астрид Эйххорн и Шоурия Рай показали: квантовая гравитация продлевает жизнь протона до 10³⁵ лет, вне зоны досягаемости Hyper-K. Если распад все же обнаружат, это поставит под вопрос современные подходы к объединению гравитации и квантовой физики.
Post Scriptum
Протон — не просто кирпичик мироздания. Это дверь в неизведанное: от квантовой пены в его недрах до законов, управляющих временем и пространством. Каждая разгаданная тайна приближает нас к новой физике, где объединятся силы природы, а Вселенная предстанет в ином свете. Исследования продолжаются — и кто знает, какие сюрпризы ждут нас за горизонтом.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» (5336 6902 0053 5906), либо через Дзен по ссылке.
