Proton dan neutron: mengerumuni materi dalam

Di pusat setiap atom adalah inti, kumpulan kecil partikel yang disebut proton dan neutron. Dalam artikel ini kita akan mempelajari sifat proton dan neutron, yang terdiri dari partikel yang lebih kecil dalam ukuran - quark, gluon dan antiquark. (Gluon, seperti foton, adalah antipartikel atas kemauannya sendiri). Quark dan gluon, sejauh yang kita tahu, dapat benar-benar dasar (tidak dapat dibagi dan tidak terdiri dari sesuatu yang lebih kecil dalam ukuran). Tapi untuk mereka nanti.

Secara mengejutkan, massa proton dan neutron hampir sama - hingga persentase:

• 0,93827 GeV / s ² di proton,
• 0,93957 GeV / s ² di neutron.

Ini adalah kunci dari sifat mereka - mereka sebenarnya sangat mirip. Ya, ada satu perbedaan yang jelas di antara mereka: proton memiliki muatan listrik positif, dan neutron tidak memiliki muatan (netral, karenanya namanya). Dengan demikian, gaya listrik bekerja pada yang pertama, tetapi tidak pada yang kedua. Sekilas, perbedaan ini tampaknya sangat penting! Namun kenyataannya tidak demikian. Dalam semua pengertian lain, proton dengan neutron hampir kembar. Mereka identik tidak hanya dengan massa, tetapi juga dengan struktur internal.

Karena mereka sangat mirip, dan karena inti terdiri dari partikel-partikel ini, proton dan neutron sering disebut nukleon.

Proton diidentifikasi dan dideskripsikan sekitar 1920 (meskipun mereka ditemukan sebelumnya; inti atom hidrogen hanyalah proton terpisah), dan neutron ditemukan di suatu tempat pada tahun 1933. Fakta bahwa proton dan neutron sangat mirip satu sama lain, mereka segera mengerti. Tetapi mereka tidak tahu bahwa mereka memiliki ukuran terukur yang sebanding dengan ukuran nukleus (sekitar 100.000 kali lebih kecil dari atom dalam jari-jari) sampai tahun 1954. Fakta bahwa mereka terdiri dari quark, antiquark, dan gluon secara bertahap dipahami dari pertengahan 1960-an hingga pertengahan 1970-an. Pada akhir 70-an dan awal 80-an, pemahaman kita tentang proton, neutron, dan apa yang terdiri dari mereka, sebagian besar telah menetap, dan tetap tidak berubah sejak saat itu.

Nukleon jauh lebih sulit digambarkan daripada atom atau nuklei. Bukan untuk mengatakan bahwa atom pada dasarnya sederhana , tetapi setidaknya Anda dapat mengatakan tanpa ragu bahwa atom helium terdiri dari dua elektron yang berada di orbit di sekitar inti helium kecil; dan inti helium adalah kelompok dua neutron dan dua proton yang cukup sederhana. Tetapi dengan nukleon, semuanya tidak begitu sederhana. Saya sudah menulis di artikel " Apa itu proton, dan apa yang ada di dalamnya? " Bahwa atom itu terlihat seperti minuet yang elegan, dan nukleonnya terlihat seperti pesta liar.

Kompleksitas proton dan neutron, tampaknya, sangat ambisius, dan tidak berasal dari pengetahuan fisik yang tidak lengkap. Kami memiliki persamaan yang digunakan untuk menggambarkan quark, antiquark, dan gluon, serta interaksi nuklir kuat yang terjadi di antara mereka. Persamaan ini disebut QCD, dari " quantum chromodynamics ." Keakuratan persamaan dapat diperiksa dengan berbagai cara, termasuk mengukur jumlah partikel yang muncul di Large Hadron Collider. Mengganti persamaan QCD ke dalam komputer dan memulai perhitungan sifat-sifat proton dan neutron dan partikel serupa lainnya (dengan nama umum "hadron"), kami memperoleh prediksi sifat-sifat partikel ini, yang sangat dekat dengan pengamatan yang dibuat di dunia nyata. Oleh karena itu, kami memiliki alasan untuk percaya bahwa persamaan QCD tidak berbohong, dan bahwa pengetahuan kami tentang proton dan neutron didasarkan pada persamaan yang benar. Tetapi hanya memiliki persamaan yang tepat tidak cukup, karena:

• Persamaan sederhana dapat memiliki solusi yang sangat kompleks,
• Terkadang mustahil untuk menggambarkan solusi yang rumit dengan cara yang sederhana.

Sejauh yang dapat kita katakan, ini adalah kasus dengan nukleon: ini adalah solusi kompleks untuk persamaan QCD sederhana, dan tidak mungkin untuk menggambarkannya dengan beberapa kata atau gambar.

Karena kompleksitas internal nukleon, Anda, pembaca, harus membuat pilihan: berapa banyak yang ingin Anda pelajari tentang kompleksitas yang dijelaskan? Tidak peduli seberapa jauh Anda melangkah, kemungkinan besar tidak akan memberi Anda kepuasan: semakin banyak Anda mengetahuinya, semakin dapat dimengerti topiknya bagi Anda, tetapi jawaban akhirnya akan tetap sama - proton dan neutron sangat kompleks. Saya bisa memberi Anda tiga tingkat pemahaman, dengan peningkatan detail; Anda bisa berhenti setelah level apa pun dan beralih ke topik lain, atau Anda bisa menyelam ke yang terakhir. Sehubungan dengan masing-masing tingkat, pertanyaan muncul, jawaban yang sebagian saya dapat berikan di berikutnya, tetapi jawaban baru menimbulkan pertanyaan baru. Pada akhirnya - seperti yang saya lakukan dalam diskusi profesional dengan kolega dan mahasiswa tingkat lanjut - saya hanya dapat merujuk Anda ke data yang diperoleh dalam eksperimen nyata, ke berbagai argumen teoretis yang berpengaruh, dan simulasi komputer.

Tingkat pemahaman pertama

Terbuat dari apakah proton dan neutron?


Fig. 1: versi proton yang terlalu disederhanakan yang hanya terdiri dari dua quark atas dan satu quark lebih rendah, dan neutron hanya terdiri dari dua quark lebih rendah dan satu upper

Untuk menyederhanakan masalah ini, banyak buku, artikel, dan situs web menunjukkan bahwa proton terdiri dari tiga quark (dua atas dan satu lebih rendah) dan menggambar sesuatu seperti nasi. 1. Neutron adalah sama, hanya terdiri dari satu quark atas dan dua bawah. Gambaran sederhana ini menggambarkan apa yang diyakini sebagian cendekiawan, terutama pada 1960-an. Tetapi segera menjadi jelas bahwa sudut pandang ini terlalu disederhanakan sedemikian rupa sehingga tidak lagi benar.

Dari sumber informasi yang lebih canggih, Anda akan belajar bahwa proton terdiri dari tiga kuark (dua atas dan satu bawah) yang disatukan oleh gluon - dan gambar yang mirip dengan Gambar. 2 mungkin muncul di sana. 2, tempat gluon ditarik dalam bentuk pegas atau benang yang menahan quark. Neutron adalah sama, dengan hanya satu quark atas dan dua yang lebih rendah.


Fig. 2: peningkatan ara. 1 karena penekanan pada peran penting interaksi nuklir kuat yang menahan quark dalam proton

Ini bukan cara yang buruk untuk menggambarkan nukleon, karena ini menekankan peran penting dari interaksi nuklir yang kuat, yang memegang quark dalam proton karena gluon (seperti foton, sebuah partikel, yang darinya cahaya dibuat) dihubungkan dengan interaksi elektromagnetik. Tapi ini juga membingungkan, karena itu tidak benar-benar menjelaskan apa lem dan apa yang mereka lakukan.

Ada alasan untuk melanjutkan dan menggambarkan hal-hal seperti yang saya lakukan dalam artikel lain : proton terdiri dari tiga quark (dua atas dan satu lebih rendah), setumpuk gluon dan pegunungan pasangan quark-antiquark (terutama ini adalah quark atas dan bawah, tetapi ada beberapa aneh). Mereka semua terbang bolak-balik dengan kecepatan yang sangat tinggi (mendekati kecepatan cahaya); seluruh rangkaian ini dilakukan oleh interaksi nuklir yang kuat. Saya menunjukkan ini dalam gambar. 3. Neutron kembali sama, tetapi dengan satu kuark atas dan bawah dua; kuark yang berafiliasi ditunjukkan oleh panah.


Fig. 3: gambar proton dan neutron yang lebih realistis, meskipun masih tidak sempurna

Quark, antiquark, dan gluon ini tidak hanya berjalan bolak-balik, tetapi juga saling bertabrakan dan berubah menjadi satu sama lain melalui proses seperti penghancuran partikel (di mana quark dan antiquark dengan jenis yang sama berubah menjadi dua gluon, atau sebaliknya) atau penyerapan dan emisi gluon (di mana quark dan gluon dapat bertabrakan dan menghasilkan quark dan dua gluon, atau sebaliknya).

Apa kesamaan ketiga deskripsi ini:

• Dua quark atas dan quark bawah (ditambah sesuatu yang lain) memiliki proton.
• Satu quark atas dan dua quark bawah (ditambah yang lain) memiliki neutron.
• "Sesuatu yang lain" untuk neutron bertepatan dengan "sesuatu yang lain" untuk proton. Artinya, nukleon "memiliki sesuatu yang lain" yang sama.
• Perbedaan massa kecil antara proton dan neutron muncul karena perbedaan massa antara kuark bawah dan kuark atas.

Dan sejak:

• di kuark atas, muatan listrik adalah 2/3 e (di mana e adalah muatan proton, -e adalah muatan elektron),
• dalam quark lebih rendah, biayanya -1 / 3e,
• gluon memiliki muatan 0,
• setiap quark dan antiquark terkait memiliki total muatan 0 (misalnya, quark anti-rendah memiliki muatan + 1 / 3e, sehingga biaya untuk quark yang lebih rendah dan antiquark yang lebih rendah adalah –1/3 e +1/3 e = 0),

Setiap gambar menghubungkan muatan listrik proton ke akun dua kuark atas dan satu bawah, dan "sesuatu yang lain" menambah muatan 0. Dengan cara yang sama, neutron memiliki muatan nol karena satu kuark atas dan bawah dua:

• total muatan listrik proton adalah 2/3 e + 2/3 e - 1/3 e = e,
• total muatan listrik neutron adalah 2/3 e - 1/3 e - 1/3 e = 0.

Deskripsi ini berbeda sebagai berikut:

• berapa banyak "sesuatu yang lain" di dalam nukleon,
• apa yang dilakukannya di sana
• di mana massa dan energi massa berasal (E = mc ² , energi hadir di sana, bahkan ketika partikel diam) nukleon.

Karena sebagian besar massa atom, dan karena itu dari semua materi biasa, terkandung dalam proton dan neutron, poin terakhir sangat penting untuk pemahaman yang benar tentang sifat kita.

Fig. Gambar 1 menunjukkan bahwa quark mewakili sepertiga nukleon - kira-kira sama dengan proton atau neutron mewakili seperempat nukleus helium atau 1/12 dari nukleus karbon. Jika pola ini benar, quark di nukleon akan bergerak relatif lambat (dengan kecepatan jauh lebih rendah dari cahaya) dengan interaksi yang relatif lemah yang bekerja di antara mereka (meskipun dengan kekuatan yang kuat menahannya di tempat). Massa quark, atas dan bawah, kemudian berada di urutan 0,3 GeV / s ² , sekitar sepertiga dari massa proton. Tapi gambar sederhana ini dan ide-ide yang dipaksakan padanya tidak benar.

Fig. 3. memberikan ide yang sama sekali berbeda dari proton sebagai ketel partikel yang berlarian di dalamnya dengan kecepatan mendekati cahaya. Partikel-partikel ini saling bertabrakan, dan dalam tabrakan ini beberapa di antaranya dimusnahkan, sementara yang lain diciptakan sebagai gantinya. Gluon tidak memiliki massa, massa quark atas adalah urutan 0,004 GeV / s ² , dan yang lebih rendah dari urutan 0,008 GeV / s ² ratusan kali lebih kecil dari proton. Dari mana energi massa proton berasal adalah pertanyaan yang kompleks: sebagian darinya berasal dari energi massa quark dan antiquark, sebagian dari energi gerak quark, antiquark dan gluon, dan sebagian (mungkin positif, mungkin negatif) dari energi yang tersimpan dalam interaksi nuklir yang kuat, menyatukan quark, antiquarks, dan gluon.

Dalam arti tertentu, gbr. 2 mencoba menghilangkan perbedaan antara ara. 1 dan ara. 3. Ini menyederhanakan ara. 3, menghilangkan banyak pasangan quark-antiquark, yang, pada prinsipnya, dapat disebut fana, karena mereka terus-menerus muncul dan menghilang, dan tidak perlu. Tetapi itu memberi kesan bahwa gluon dalam nukleon adalah bagian langsung dari interaksi nuklir kuat yang menahan proton. Dan dia tidak menjelaskan dari mana massa proton berasal.

Dalam gbr. 1 ada kelemahan lain, kecuali untuk kerangka sempit proton dan neutron. Ini tidak menjelaskan beberapa sifat hadron lain, misalnya, pion dan p-meson . Beras memiliki masalah yang sama. 2.

Pembatasan ini mengarah pada fakta bahwa murid-murid saya dan di situs saya, saya memberikan gambar dengan nasi. 3. Tetapi saya ingin memperingatkan bahwa dia juga memiliki banyak batasan, yang akan saya pertimbangkan nanti.

Perlu dicatat bahwa kompleksitas ekstrim dari struktur, gambar yang tersirat. 3, orang akan mengharapkan dari suatu benda yang disatukan oleh kekuatan yang kuat seperti interaksi nuklir yang kuat. Dan satu hal lagi: tiga quark (dua atas dan satu lebih rendah pada proton), yang bukan bagian dari kelompok pasangan quark antiquark, sering disebut "quark valensi", dan pasangan quark antiquark sering disebut "laut pasangan quark". Bahasa seperti itu secara teknis nyaman dalam banyak kasus. Tapi itu memberi kesan yang salah bahwa jika Anda bisa melihat ke dalam proton dan melihat quark tertentu, Anda bisa langsung mengatakan apakah itu bagian dari laut atau valensi. Ini tidak dapat dilakukan, tidak ada cara seperti itu.

Massa proton dan massa neutron

Karena massa proton dan neutron sangat mirip, dan karena proton dan neutron hanya berbeda dalam penggantian kuark atas dengan yang lebih rendah, nampaknya massa mereka diberikan dengan cara yang sama, berasal dari sumber yang sama, dan perbedaannya adalah sedikit perbedaan antara kuark atas dan bawah . Namun ketiga tokoh yang diperlihatkan menunjukkan adanya tiga pandangan yang sangat berbeda tentang asal usul massa proton.

Fig. 1 menunjukkan bahwa quark atas dan bawah hanya membentuk 1/3 dari massa proton dan neutron: dari urutan 0,313 GeV / s ² , atau karena energi yang diperlukan untuk menahan quark di proton. Dan karena perbedaan antara massa proton dan neutron adalah sepersekian persen, perbedaan antara massa quark atas dan bawah juga harus sepersekian persen.

Fig. 2 kurang jelas. Bagian mana dari massa proton yang disebabkan oleh gluon? Tetapi, pada prinsipnya, ini mengikuti dari gambar bahwa sebagian besar massa proton masih berasal dari massa quark, seperti pada Gambar. 1.

Fig. Gambar 3 merefleksikan pendekatan yang lebih halus tentang bagaimana massa proton sebenarnya muncul (seperti kita dapat memeriksa langsung melalui perhitungan komputer dari proton, dan tidak secara langsung menggunakan metode matematika lainnya). Ini sangat berbeda dari ide-ide yang disajikan pada Gambar. 1 dan 2, dan ternyata tidak sesederhana itu.

Untuk memahami bagaimana ini bekerja, seseorang harus berpikir tidak dalam hal massa proton m, tetapi dalam hal energi massanya E = mc ² , energi yang terkait dengan massa. Pertanyaan konseptual yang benar bukanlah "dari mana datangnya massa proton m", setelah itu Anda dapat menghitung E dengan mengalikan m dengan c ² , tetapi sebaliknya: "dari mana energi massa proton E berasal", setelah itu Anda dapat menghitung massa m, membagi E dengan c ² .

Berguna untuk mengklasifikasikan kontribusi ke energi massa proton menjadi tiga kelompok:

A) Energi massa (energi istirahat) dari quark dan antiquark yang terkandung di dalamnya (lem, partikel tanpa massa, tidak memberikan kontribusi).
B) Energi gerak (energi kinetik) dari quark, antiquarks dan gluon.
C) Energi interaksi (energi ikat atau energi potensial) disimpan dalam interaksi nuklir yang kuat (lebih tepatnya, di bidang gluon) yang menahan proton.

Fig. 3 menunjukkan bahwa partikel-partikel di dalam proton bergerak dengan kecepatan tinggi, dan penuh dengan gluon tanpa massa, sehingga kontribusi B) lebih besar dari A). Biasanya, dalam kebanyakan sistem fisik, B) dan C) dapat dibandingkan, sedangkan C) seringkali negatif. Jadi energi massa proton (dan neutron) terutama diperoleh dari kombinasi B) dan C), dan A) menyumbang sebagian kecil. Oleh karena itu, massa proton dan neutron muncul terutama bukan karena massa partikel yang terkandung di dalamnya, tetapi karena energi gerak partikel-partikel ini dan energi interaksi mereka yang terkait dengan medan gluon yang menghasilkan gaya yang menahan proton. Dalam kebanyakan sistem lain yang kita tahu, keseimbangan energi didistribusikan secara berbeda. Misalnya, dalam atom dan tata surya A) mendominasi, dan B) dan C) jauh lebih kecil, dan sebanding dalam besarnya.

Kesimpulannya, kami menunjukkan bahwa:

• Fig. 1 menunjukkan bahwa energi massa proton berasal dari kontribusi A).
• Fig. 2 mengasumsikan bahwa kontribusi A) dan B) penting, dan B) membuat sedikit bagiannya.
• Fig. 3 menyatakan bahwa B) dan C) penting, dan kontribusi A) tidak signifikan.

Kita tahu ara itu. 3. Untuk memverifikasinya, kita dapat melakukan simulasi komputer, dan, yang lebih penting, berkat berbagai argumen teoretis yang meyakinkan, kita tahu bahwa jika massa quark atas dan bawah adalah nol (dan yang lainnya tetap seperti itu), massa proton secara praktis tidak akan akan berubah. Jadi, tampaknya, massa quark tidak dapat memberikan kontribusi penting bagi massa proton.

Jika pic. 3 tidak berbohong, massa quark dan antiquark sangat kecil. Seperti apa mereka sebenarnya? Massa kuark atas (serta antiquark) tidak melebihi 0,005 GeV / s ² , yang jauh lebih kecil dari 0,313 GeV / s ² , yang mengikuti dari Gambar. 1. (massa kuark atas sulit diukur, dan nilai ini berubah karena efek yang halus, sehingga dapat jauh lebih kecil dari 0,005 GeV / s ² ). Massa kuark bawah adalah sekitar 0,004 GeV / s ² lebih dari massa yang atas. Ini berarti bahwa massa quark atau antiquark tidak melebihi satu persen dari massa proton.

Harap dicatat bahwa ini berarti (bertentangan dengan Gambar. 1) bahwa rasio massa kuark bawah ke atas tidak mendekati kesatuan! Massa kuark bawah setidaknya dua kali massa atas. Alasan mengapa massa neutron dan proton sangat mirip bukan karena massa quark atas dan bawah serupa, tetapi karena massa quark atas dan bawah sangat kecil - dan perbedaan di antara mereka kecil, relatif terhadap massa proton dan neutron. Ingatlah bahwa untuk mengubah proton menjadi neutron, Anda hanya perlu mengganti salah satu quark atasnya dengan yang lebih rendah (Gbr. 3). Penggantian ini cukup untuk membuat neutron sedikit lebih berat dari proton, dan mengubah muatannya dari + e ke 0.

Ngomong-ngomong, fakta bahwa berbagai partikel di dalam proton saling bertabrakan, dan terus-menerus muncul dan menghilang, tidak memengaruhi hal-hal yang sedang kita diskusikan - energi disimpan dalam tabrakan apa pun. Energi massa dan energi gerak quark dan gluon dapat berubah, serta energi interaksi mereka, tetapi energi total proton tidak berubah, meskipun semua yang ada di dalamnya terus berubah. Jadi massa proton tetap konstan, meskipun ada pusaran internal.

Pada titik ini, Anda dapat menghentikan dan menyerap informasi yang diterima. Luar biasa! Hampir semua massa yang terkandung dalam materi biasa berasal dari massa nukleon dalam atom. Dan sebagian besar massa ini berasal dari kekacauan yang melekat pada proton dan neutron - dari energi gerak quark, gluon dan antiquark dalam nukleon, dan dari energi karya interaksi nuklir kuat yang menjaga nukleon di seluruh negara. Ya: planet kita, tubuh kita, napas kita adalah hasil dari kesunyian yang begitu tenang, dan, sampai saat ini, keramaian yang tak terbayangkan.