Согласно стандартной модели атом состоит из ядра и электронов, распределенных вокруг него. Само ядро атома тоже, как матрёшка, включает в свою конструкцию протоны и нейтроны. Среди этих (и многих других) частиц, протоны занимали долгое время особое место.
Физики полагали, что в субатомном хаосе эта частица является эталоном стабильности и обладает хорошо описанной схемой. Так долгое время считалось, что протон не распадается подобно другим частицам. Но современный взгляд на проблему предпочитает использовать уже другую формулировку - время жизни протона теперь приравнивается ко времени существования Вселенной. И эта логика отличается от описываемой ранее.
⚠️ Моё видео по теме можно посмотреть здесь
На сегодняшний день учёные действительно не зафиксировали ни одного достоверного случая распада протона. Однако в теоретических моделях за пределами Стандартной модели, таких как некоторые версии теорий Великого объединения (GUT), распад протона всё же допускается. В этих теориях он может превращаться, например, в позитрон и нейтрино, нарушая закон сохранения барионного числа. Поиск таких редчайших событий продолжается в подземных детекторах, вроде японского Super-Kamiokande, где тонны чистейшей воды ожидают всплеска света от гипотетического распада.
Более глубокие современные исследования заставляют нас усомниться не только в ограниченном сроке жизни этой частицы, но и в его основных свойствах.
Протон долгое время считали маленьким положительно заряженным шариком, чётко определённым по размеру и массе. Но чем глубже учёные заглядывали внутрь него, тем яснее становилось: протон вовсе не так прост, как казалось.
Внутри протона целый суп
Первый удар по привычной картине мира пришёл с открытием кварков - фундаментальных частиц, из которых состоят протоны и нейтроны. Идея о том, что протон - это не элементарная частица, а сложная система из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), связанных между собой мощной силой, названной сильным ядерным взаимодействием, уже сама по себе перевернула представления о микромире. Однако дальнейшие исследования показали, что даже это представление чересчур наивно.
На самом деле, внутри протона происходит нечто куда более сложное. Вместо трёх «шариков», сидящих внутри, физики обнаружили динамичный, хаотичный вихрь - так называемый квантовый адронный суп. Здесь наряду с основными, «валентными» кварками постоянно вспыхивают и исчезают пары кварк–антикварк. Эти частицы не существуют долго, рождаются из энергии глюонов и тут же аннигилируют, но их вклад в структуру и массу протона огромен.
Особую роль в этом кипящем котле играют глюоны или переносчики сильного взаимодействия. Они не просто связывают кварки вместе, но и взаимодействуют между собой, образуя сложнейшую сеть, похожую на клубок пружин. В отличие от фотонов, которые не влияют друг на друга, глюоны могут создавать новые глюоны. Это делает расчёты внутри протона невероятно сложными и требует применения численного моделирования на суперкомпьютерах, основанного на так называемой квантовой хромодинамике (КХД).
Более того, масса протона почти полностью рождается не из массы его составляющих кварков, а из энергии взаимодействия между ними. Суммарная масса трёх валентных кварков составляет менее 1% от массы протона. Остальное - это энергия движения, глюонные поля и море виртуальных частиц, согласно знаменитой формуле Эйнштейна. То есть большая часть массы протона — это по сути энергия, «вспененная» в замкнутом объёме.
Это открытие стало не просто корректировкой прежних моделей, а настоящей революцией в понимании материи.
Спин протона
Дальше стало ещё страннее. Казалось бы, если протон состоит из трёх кварков, каждый из которых обладает спином или квантовым аналогом вращения, то и суммарный спин протона должен просто складываться из этих трёх значений. Однако в конце 1980-х годов серия экспериментов, начатых в лаборатории CERN (в частности, знаменитый EMC-эксперимент), поставила под сомнение это интуитивное представление. Оказалось, что вклад спинов кварков в полный спин протона составляет лишь около 30%, а по некоторым оценкам и вовсе меньше.
Это открытие стало настоящим шоком для физиков и получило название «кризис спина протона». Если спины кварков не объясняют вращение протона, то откуда оно вообще берётся?
Ответ оказался глубже, чем можно было ожидать. Оставшаяся часть спина, как показали теоретические модели и дополнительные измерения, возникает не из самих частиц, а из их движения. Часть спина - это вклад орбитального движения кварков внутри протона, подобно тому как электроны вращаются вокруг ядра в атоме. Но ещё более важную роль играют глюоны - переносчики сильного взаимодействия, которые тоже обладают спином и, как оказалось, могут передавать свой «внутренний момент» всей системе. В добавление к этому, квантовые эффекты, возникающие из взаимодействий между частицами в адронном «супе», также способны вносить вклад в суммарный спин.
Головоломка радиуса
А затем разразилась ещё одна неожиданная загадка - так называемая «головоломка радиуса протона». До 2010 года казалось, что размер протона, а точнее его зарядовый радиус - это хорошо измеренная и устоявшаяся величина. Стандартные эксперименты, основанные на рассеянии электронов на протонах и спектроскопии обычного водорода, давали значение примерно 0,88 фемтометра (одна квадриллионная доля метра).
Однако в 2010 году физики решили провести более точные измерения с использованием мюония - атома, в котором вместо электрона вокруг протона вращается мюон, частица, похожая на электрон, но в 200 раз тяжелее. Благодаря большей массе, мюон движется ближе к протону, чувствительнее к его размеру, и, следовательно, позволяет более точно «прощупать» структуру ядра.
Результат потряс научное сообщество: новое значение радиуса оказалось примерно на 4% меньше, то есть около 0,84 фемтометра. Это вроде бы мелочь, но для точных наук, вроде квантовой электродинамики (КЭД), такое расхождение как трещина в идеально гладком зеркале. Возникло острое противоречие: либо что-то не так с методами измерения, либо наше понимание фундаментальных взаимодействий на малых расстояниях требует пересмотра.
С тех пор было проведено множество дополнительных экспериментов с обычным и мюонным водородом, а также пересмотрены старые данные. Некоторые более поздние измерения начали подтверждать «мюонное» значение, но единый, всеобъемлющий ответ до сих пор не найден. Эта головоломка остаётся открытой, подталкивая физиков либо к поиску новых тонкостей в расчётах КЭД, либо, что гораздо захватывающе, к возможности существования новой физики, проявляющей себя там, где мы уже чувствовали себя уверенно.
Теперь физики смотрят на протон не как на «частицу-шарик», а как на динамичную квантовую систему, где действуют законы сильного взаимодействия, а привычные представления о размере и форме теряют смысл.
Протон оказался скорее «процессом», чем объектом: он постоянно изменяется, а его свойства проявляются только при измерении. Это выглядит как сундук с неизвестным для нас содержимым.
Почитайте подборку на моём канале:
Не забывайте ставить лайки 👍 и подписываться на канал ✔️, если материал понравился! Так вы увидите больше интересных статей, а моему каналу это поможет развиваться