تسهم الكواركات الثلاثة التكافؤية للبروتون في الدوران ، لكن كذلك الغلوونات ، الكواركات البحرية ، والتاثيرات ، والزخم الزاوي المداري أيضًا. رصيد الصورة: APS / Alan Stonebraker.

لماذا يدور البروتون؟ تحمل الفيزياء إجابة مفاجئة

من المغري إضافة لفائف الكواركات معًا ، ولكن هذا ليس ما تتفق عليه التجارب!

"يجب أن نعتبره بالأحرى حادثًا يحتوي على الأرض (ومن المفترض أن النظام الشمسي بأكمله) غلبة من الإلكترونات السلبية والبروتونات الإيجابية. من الممكن تمامًا أن يكون الأمر بالنسبة لبعض النجوم. "بول ديراك

يمكنك أن تأخذ أي جسيم في الكون وعزله عن أي شيء آخر ، ومع ذلك هناك بعض الخصائص التي لا يمكن أن تؤخذ بعيدا. هذه هي الخصائص الفيزيائية الجوهرية للجسيم نفسه - خصائص مثل الكتلة أو الشحنة أو الزخم الزاوي - وستظل دائمًا هي نفسها بالنسبة لأي جسيم واحد. بعض الجسيمات أساسية ، مثل الإلكترونات ، وكتلة ، الزخم والزخم الزاوي أمر أساسي ، أيضا. لكن الجسيمات الأخرى هي جزيئات مركبة ، مثل البروتون. في حين أن شحنة البروتون (+1) ترجع إلى مجموع الكواركات الثلاثة التي تتكون منها (كواركتان صاعقتان +2/3 وواحد كوارك لأسفل -1/3) ، فإن قصة زخمها الزاوي كثيرًا أكثر تعقيدا. على الرغم من أنها تدور = نصف جسيم ، تمامًا مثل الإلكترون ، فإن إضافة تدور الكواركات الثلاثة التي تتكون منها معًا ليست كافية.

كان يُعتقد في البداية أن كواركات التكافؤ الثلاثة الموجودة في البروتون ، وهما أعلى للأعلى وواحد لأسفل ، تشكل مغزلها البالغ 1/2. لكن هذه الفكرة البسيطة لم تتوافق مع التجارب. الصورة الائتمان: Arpad هورفاث.

هناك شيئان يساهمان في الزخم الزاوي: الدوران ، وهو الزخم الزاوي المتأصل المتأصل في أي جسيم أساسي ، والزخم الزاوي المداري ، وهو ما تحصل عليه من جسيمين أساسيين أو أكثر يشكّلان جسيمًا مركّبًا. (لا تنخدع: لا توجد في الواقع أي جسيمات تدور فعليًا ، ولكن "تدور" هو الاسم الذي نطلقه على هذه الخاصية من الزخم الزاوي الجوهري.) يحتوي البروتون على كواركتين صعوديتين وواحد كوارك سفلي ، ويتم تثبيتهما معًا بواسطة gluons: جسيمات عديمة الكتلة مشحونة بالألوان تربط بعضها البعض الكواركات الثلاثة معًا. تحتوي كل كوارك على دوران قدره 1/2 ، لذلك قد تظن ببساطة أنه طالما تدور في الاتجاه المعاكس للاثنين الآخرين ، فستحصل على تدور البروتون. حتى ثمانينيات القرن العشرين ، هكذا بالضبط ذهب المنطق القياسي.

يُظهر هيكل البروتون ، المصمم على غرار الحقول المصاحبة له ، أن كواركات التكافؤ الثلاثة وحدها لا يمكنها حساب دوران البروتون ، وبدلاً من ذلك لا تمثل سوى جزء بسيط منه. صورة الائتمان: مختبر بروكهافن الوطني.

مع وجود كورين للأعلى - جزيئين متطابقين - في الحالة الأرضية ، تتوقع أن يمنع مبدأ استبعاد Pauli هاتين الجسيمتين المتماثلتين من احتلال نفس الحالة ، ولذا يجب أن يكون أحدهما 1/2 بينما يكون الآخر -1/2. لذلك ، أنت السبب في أن الكوارك الثالث (الكوارك السفلي) يمنحك تدورًا إجماليًا قدره 1/2. ولكن بعد ذلك جاءت التجارب ، وكانت هناك مفاجأة كبيرة في اللعب: عندما حطمت جزيئات عالية الطاقة في البروتون ، فإن الكواركات الثلاثة الموجودة في الداخل (للأعلى ، لأعلى ولأسفل) ساهمت بنحو 30٪ فقط في دوران البروتون.

البنية الداخلية للبروتون ، مع الكواركات ، الغلونات ، وتدور الكواركات. صورة الائتمان: مختبر بروكهافن الوطني.

هناك ثلاثة أسباب وجيهة لأن هذه المكونات الثلاثة قد لا تتراكم بكل بساطة.

  1. الكواركات ليست حرة ، ولكنها مرتبطة ببعضها البعض داخل هيكل صغير: البروتون. حصر كائن يمكن أن يغير دورانه ، وكل الكواركات الثلاثة محصورة إلى حد كبير.
  2. هناك gluons في الداخل ، وتدور gluons أيضا. يمكن أن تدور gluon بشكل فعال "لف" دوران الكوارك على مدى البروتون ، مما يقلل من آثاره.
  3. وأخيرًا ، هناك تأثيرات كمومية تزيل الكواركات عن بعضها البعض ، وتمنعها من أن تكون في مكان واحد تمامًا مثل الجزيئات وتتطلب تحليلًا أشبه بالموجة. يمكن لهذه الآثار أن تقلل أو تغير من دوران البروتون الكلي.

بمعنى آخر ، أن فقدان 70٪ حقيقي.

مع ظهور تجارب أفضل وحسابات نظرية ، أصبح فهمنا للبروتون أكثر تطوراً ، مع ظهور الغلونات والكواركات البحرية والتفاعلات المدارية. صورة الائتمان: مختبر بروكهافن الوطني.

ربما ، حسب اعتقادك ، أن هذه كانت مجرد كواركات التكافؤ الثلاثة ، وأن ميكانيكا الكم ، من حقل gluon ، يمكن أن تخلق تلقائيًا أزواج كوارك / عتيقة. هذا الجزء صحيح ، ويقدم مساهمات مهمة في كتلة البروتون. ولكن بقدر ما يذهب الزخم الزاوي للبروتون ، فإن هذه "الكواركات البحرية" لا تكاد تذكر.

الفرميونات (الكواركات والغلونات) ، والأزهار المضادة (الأنتيكات والمضادات) ، كلها تدور = 1/2 ، والبوزونات (تدور بشكل صحيح) للنموذج القياسي ، كلها موضحة معًا. الصورة الائتمان: E. سيجل.

ربما ، إذن ، فإن الغلونات ستكون مساهما هاما؟ بعد كل شيء ، فإن النموذج المعياري للجزيئات الأولية مليء بالفرميونات (الكواركات واللبتونات) التي تدور جميعها = 1/2 ، والبوزونات مثل الفوتون ، W-و-Z ، والغلونات ، وكلها تدور 1. (أيضًا ، هناك هيغز ، من اللف المغزلي = 0 ، وإذا كانت الجاذبية الكمية حقيقية ، فإن الجاذبية في اللف المغزلي = 2.) بالنظر إلى كل الغلونات الموجودة داخل البروتون ، ربما تكون مهمة أيضًا؟

من خلال تصادم الجسيمات معًا في الطاقات العالية داخل كاشف متطور ، مثل كاشف Phenix من Brookhaven في RHIC ، فقد قادت الطريق في قياس مساهمات الدوران للغلونات. صورة الائتمان: مختبر بروكهافن الوطني.

هناك طريقتان لاختبار ذلك: من الناحية التجريبية والنظرية. من وجهة نظر تجريبية ، يمكنك اصطدام الجسيمات بعمق داخل البروتون ، وقياس كيفية تفاعل الغلونات. يُنظر إلى الغلونات التي تساهم بشكل كبير في الزخم الكلي للبروتون على أنها تسهم بشكل كبير في الزخم الزاوي للبروتون: حوالي 40٪ ، مع عدم يقين بنسبة٪ 10٪. من خلال إعدادات تجريبية أفضل (والتي تتطلب مصادمًا جديدًا للإلكترون / الأيونات) ، يمكننا البحث عن الغلونات ذات الزخم المنخفض ، وتحقيق دقة أكبر.

عندما يصطدم بروتونان ، فإن الكواركات المكونة لهما فقط هي التي يمكن أن تصطدم ، ولكن كواركات البحر والغلونات وما بعد ذلك ، التفاعلات الميدانية. يمكن للجميع تقديم نظرة ثاقبة تدور المكونات الفردية. صورة الائتمان: CERN / CMS التعاون.

لكن الحسابات النظرية مهمة أيضًا! تطورت تقنية حسابية معروفة باسم Lattice QCD بشكل مطرد خلال العقود القليلة الماضية ، حيث زادت قوة الحواسيب العملاقة بشكل كبير. لقد وصلت Lattice QCD الآن إلى النقطة التي يمكن أن تتنبأ فيها بأن مساهمة الغلوون في دوران البروتون هي 50٪ ، ومرة ​​أخرى مع عدم اليقين في المئة. الأمر الأكثر بروزًا هو أن الحسابات تُظهر أنه - مع هذه المساهمة - لا يكون فحص الغلوون لتدور الكوارك فعالًا ؛ يجب فحص الكواركات من تأثير مختلف.

نظرًا لأن القوة الحسابية وتقنيات Lattice QCD قد تحسنت بمرور الوقت ، فقد تحسنت الدقة التي يمكن بها حساب الكميات المختلفة حول البروتون ، مثل الإسهامات المكونة للدوران. ائتمان الصورة: Laboratoire de Physique de Clermont / ETM Collaboration.

يجب أن يأتي الـ 20٪ الباقي من الزخم الزاوي المداري ، حيث تحيط الغلونات وحتى البايونات الافتراضية بالكواركات الثلاثة ، لأن "الكواركات البحرية" لها مساهمة ضئيلة ، من الناحية التجريبية والنظرية.

يتكون البروتون ، بشكل أكثر اكتمالا ، من كواركات التكافؤ الغزل ، الكواركات البحرية والآثار القديمة ، الغلونات الدائرية ، وكلها تدور بعضها البعض. هذا هو المكان الذي تأتي منه يدور. الصورة الائتمان: تشونغ بو كانغ ، 2012 ، ريكن ، اليابان.

من الرائع والرائع أن تتفق النظرية والتجربة على حد سواء ، ولكن الأهم من ذلك كله هو أن أبسط تفسير لتدور البروتون - ببساطة إضافة الكواركات الثلاثة - يعطيك الإجابة الصحيحة لسبب خاطئ! نظرًا لأن 70٪ من دوران البروتون يأتي من الغلوونات والتفاعلات المدارية ، ومع التجارب وحسابات Lattice QCD التي تعمل على تحسين يدا بيد ، فقد انتهينا أخيرًا من تحديد سبب "بروتون" الدوران بالضبط بالقيمة الدقيقة التي يحتوي عليها.

يقع Starts With A Bang في Forbes ، وقد أعيد نشره على "المتوسط" بفضل أنصار Patreon لدينا. اطلب كتاب إيثان الأول ، "وراء المجرة" ، ثم اطلب كتابه التالي بعنوان "علم التسلخ: علم النجوم" من "ترايكرودز" إلى "وارب درايف"!