Proton'un gizemli iç dünyası
Yazar: Chen Xurong Araştırmacı, Modern Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
Giriş
Eski zamanlardan beri, insanlar evren hakkında her zaman büyük bir merak duymuşlardır, örneğin: Evrenimiz neden yapılmıştır?
Modern bilim, evrendeki maddenin kabaca üç türe ayrılabileceğine inanıyor: sıradan görünür madde, karanlık madde ve karanlık enerji. Gökyüzündeki yıldızlar da dahil olmak üzere gözlerimizin gördüğü her şey, sıradan görünür maddelerdir. Sıradan görünür maddenin kütlesi, tüm evrenin kütlesinin yaklaşık% 5'ini oluşturur ve kütlenin% 99'undan fazlasına yaklaşık 1.080 proton ve nötron katkıda bulunan "temel parçacıklardan" oluşur.
Nükleon, çekirdeği oluşturan protonlar ve nötronlar için kullanılan ortak terimdir. Çekirdeklerin kalitesi nasıl ortaya çıkıyor?
1964'te İngiliz fizikçi Higgs, Higgs alanının varlığını önerdi ve Higgs bozonunun (Higgs bozonu) varlığını tahmin etti. Higgs mekanizmasında, Higgs alanı, kendiliğinden simetri kırılmasına neden olur ve temel parçacıklar, Higgs alanıyla birleşme nedeniyle kütle kazanır. Higgs parçacığı, kendi kendine etkileşim yoluyla kütle elde eden Higgs alanının alan nicemleme uyarımıdır. Higgs bozonunun var olduğu doğrulanırsa, Higgs alanının da var olması gerekir ve Higgs mekanizması da doğrulanır. 2012'de CERN, "Tanrı parçacığı" denen Higgs bozonunun keşfini duyurdu. Higgs, bu keşif için 2013 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
Higgs mekanizması tarafından üretilen kuarkın kütlesi çok küçüktür, örneğin, yukarı ve aşağı kuarkın kütlesi yalnızca birkaç MeV'dir. Yani iki yukarı ve bir aşağı kuark içeren bir protonun kütlesi yaklaşık bir düzine MeV'dir. Bununla birlikte, protonun gerçek kütlesinin yaklaşık 938 MeV olduğunu biliyoruz. Higgs mekanizmasının ürettiği kuark kütlesi dışında, proton kütlesi esas olarak göreli kuark-gluon etkileşimi tarafından üretilir. Kalite bileşimi nasıl doğru bir şekilde belirlenir?
Cevap şu: önce protonun iç yapısını bulmanız gerekiyor.
Şekil: Protonun kütlesi yaklaşık 938 MeV iken, Higgs mekanizması tarafından üretilen kuark kütlesi yaklaşık 10 MeV'dir.
Proton iç yapısı
Amerikalı fizikçi Murray Gell-Mann'ın kuark modeline göre, protonun içinde "kuarklar" adı verilen üç temel parçacık daha var. Gellman, bu model için 1969 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
Artık protonların kuarklar ve gluonlardan oluştuğunu ve gluonların kuarkları tutkal gibi birbirine yapıştırdığını biliyoruz. Çok kısa bir süre içinde, gluon bir çift pozitif ve negatif kuarka ayrılabilir. Benzer şekilde, bu kuarklar ve antikuarklar da gluonlar halinde toplanabilir.
Şekil: Proton iç yapısı: Değerlik kuarkı, deniz kuarkı ve gluon
Bu sadece kaba bir resim ve çözülmesi gereken daha temel sorular var: protonların dönüşü ve kütlesi nereden geliyor?
Bilim adamları şimdi spin, kütle ve diğer nükleer özelliklerin, içindeki kuarklar ve gluonlar arasındaki karmaşık etkileşimlerden kaynaklandığına inanıyor. Ancak bunun nasıl olduğunu tam olarak bilmiyoruz. Kuarklar ve gluonlar arasındaki etkileşim, "Kuantum Kromodinamiği" (QCD) adlı bir teori ile tanımlanır.
Kuantum kromodinamiği
Güçlü etkileşimi tam olarak tanımlayan teori, parçacık fiziğinin "standart modelinin" temel teorisinin bir parçası olan kuantum kromodinamiğidir. "Standart model", yerçekimi dışında evrendeki bilinen etkileşim kuvvetlerini tanımlar. Amerikalı fizikçiler David Gross, David Politzer ve Frank Wilczek, 1973'te bu teorinin önemli bir özelliğini keşfettikleri için 2004 Nobel Ödülü'nü kazandı - "Asimptotik Özgürlük" Fizik Ödülü.
QCD'nin asimptotik olarak serbest doğası, yüksek enerjili pertürbasyon bölgesinde çözmemize izin verir, ancak şu anda pertürbatif olmayan bölgede QCD'yi doğrudan çözmek mümkün değildir.
Daha sonra keşfetmek için yüksek enerjili çarpışma deneyini kullanacağız.
Elektron sondası
Protonların yarıçapı atomlarınkinden yaklaşık 100.000 kat daha küçüktür ve kuarkların ve gluonların ölçekleri protonlarınkinden birkaç kat daha küçüktür. Öte yandan, nükleonların doğası, kuarkların ve gluonların kolektif davranışı, yani birçok kuark-gluonun çok garip ve karmaşık etkileşimler yoluyla genel etkisi tarafından belirlenir. Bu, protonların yapısını ve özelliklerini tam olarak anlamamızı zorlaştırır.
Çok hassas sondalara ihtiyacımız var.
Optik mikroskobun doğumundan bu yana bilim adamları, optik mikroskop aracılığıyla bakteri ve diğer küçük organizmaların dinamiklerini gözlemlediler. Fizik deneylerine de benzer yöntemler uygulanmıştır. 20. yüzyılın ilk yarısında, fizikçiler atomları X-ışını kırınımı yoluyla gördü. Elli yıl önce, fizikçiler kuarkları ilk kez elektronların ve protonların çarpıştığı bir deneyde "görmüşler". Bu tespit sürecine "Derin Esnek Olmayan Saçılma" (Derin Esnek Olmayan Saçılma, DIS) adı verilir.
DIS, iç yapısını incelemek için protonları veya atom çekirdeklerini bombardıman etmek için yüksek hızlı elektron ışınları kullanan gelişmiş bir teknolojidir. Kuantum mekaniğindeki dalga boyu ve enerji arasındaki ilişkiye göre, çarpışma sürecinin enerjisi ne kadar yüksekse, sanal fotonun dalga boyu o kadar kısa ve prob ölçeği o kadar küçük olur. Sonda protonun kendisinden çok daha küçükse, bilim adamları protonun içindeki daha küçük parçacıkları "görebilirler", bu da protonun iç yapısını "görebilecekleri" anlamına gelir. Örneğin, bir protonun onda biri ölçeğinde bilim adamları değerlik kuarkını görebilirler; enerji ne kadar yüksek olursa olsun, ölçek protonun yüzde biri olduğunda deniz kuarkı net bir şekilde görülebilir; ölçek protonun binde biri ise Birinin altında gluonları görebilirsiniz.
Şekil: Elektron-proton esnek olmayan saçılması
İlk DIS deneyi ilk olarak Alman Elektron Senkrotron Enstitüsü'nün (DESY) hadron-elektron toroidi HERA'sında gerçekleşti. Bilim adamları, elektronlar ve protonlar arasındaki çarpışmalar üzerine deneyler yaparlar. HERA fabrikası Almanya'nın Hamburg şehrinde bulunmaktadır ve 1992 ile 2007 yılları arasında faaliyettedir. Deneysel sonuçlar çekirdeğin yapısını anlamamızı teşvik etse de, yine de "dönüş krizini" çözmedi. Dahası, HERA cihazında ağır iyon demeti olmadığı için çekirdekteki kuarkların ve gluonların davranışını incelemek imkansızdır.
Resim: Hadron-Electron Ring Accelerator HERA, Hamburg, Almanya'da bulunmaktadır.
Tıpkı insan vücudunu üç boyutlu görüntülemede CT kullanan doktorlar gibi, kuarklar ve gluon dünyasının fiziksel sorunlarını derinlemesine anlamak için, protonların, yani elektron iyon çarpıştırıcısının iç yapısını ve hareket yasalarını gözlemlemek için bir süper mikroskoba ihtiyacımız var.
Elektron iyon çarpıştırıcısı
Elektron İyon Çarpıştırıcısı (EIC), protonları ve daha ağır çekirdekleri, iç yapısı olmayan elektronlarla bombardıman ederek, nükleonların ve çekirdeklerin iç kuark ve gluon yapısını ve bunların arasında bulunan büyük ölçekli bir parçacık hızlandırıcıdır. Etkileşim. EIC çarpıştırıcısının bir avantajı, enerjisinin nispeten yüksek olmasıdır, böylelikle protonun iç yapısı daha net görülebilir: protonun kendisinin yapısı, yüzde yüz ile on binde bir ölçeğinde.
"Süper çok boyutlu elektron mikroskobu" olarak kabul edilen EIC, kuarklar ve gluonlarla tasvir edilen çekirdeğin iç dünyasının ilk yüksek çözünürlüklü, üç boyutlu görüntüsünü elde etmemizi ve nihayetinde yeni görünür evren anlayışımızı oluşturmamızı sağlayacaktır. Evrenin derinliklerindeki gizem açığa çıkacak.
Bir elektron iyon çarpıştırıcısı inşa etmek
Bilim adamları yeni bir plan öneriyorlar: bir elektron iyon çarpıştırıcısı inşa etmek.
EIC'nin inşası, uluslararası yüksek enerjili nükleer fizik topluluğundaki en öncelikli araştırma projelerinden biridir. Şu anda, uluslararası nükleer fizik topluluğu temelde bir fikir birliğine varmıştır: EIC, çekirdeklerdeki nükleon, kuark ve gluon dağılımını incelemek için en etkili cihazdır. Hem Amerika Birleşik Devletleri hem de Avrupa, yüksek enerjili elektron iyon çarpıştırıcılar yapmayı planlıyor.
2018'de yayınlanan "ABD Elektron İyon Çarpıştırıcısının Bilimsel Değerlendirme Raporu", elektron iyon çarpıştırıcısının bilimdeki önemine açıkça işaret ediyordu: "Nükleonların kütlesinin nasıl üretildiği gibi önemli bilimsel konular, oldukça polarize bir elektron ve iyon ışını gerektirir. Akışlı EIC, bu EIC yeterince yüksek parlaklığa ve yeterli ve ayarlanabilir kütle merkezi enerjisine sahip olmalıdır. Böyle bir EIC cihazı dünyada benzersiz bir cihaz olacaktır. "
Çin'de, bilim adamları ayrıca bir Çin elektron iyon çarpıştırıcısı inşa etmek için bir plan önerdiler.
Çin'in 2050'deki büyük bilimsel kurulumlarının geliştirme yol haritasına dayanarak, ilk olarak Çin Bilimler Akademisi Modern Fizik Enstitüsü tarafından yüksek akımlı ağır iyon hızlandırıcıyı (2018'in sonunda Huizhou, Guangdong Eyaleti'nde inşaata başlayan HIAF) uygulamak için 2012'de önerildi. Buna dayanarak, hem elektron ışını akımı hem de proton / ağır iyon ışını akımı polarize olacak şekilde Çin'de bir Çin Elektron İyon Çarpıştırıcısı (EicC) inşa etmek için yeni bir elektron ışını eklenir.
Resim: EicC cihaz tasarım çizimi
EicC teknik raporu çevrimiçi olarak "Nükleer Teknoloji" de yayınlandı
Probun boyutu, çarpıştırıcının enerjisi ile belirlenir. EicC'nin prob boyutu, deniz kuarklarını incelemek için en iyi alan olan bir protonun yaklaşık yüzde biri ile binde biri arasındadır. EicC'nin tamamlanmasının ardından, deniz kuark enerjisi bölgesinde çalışan dünyanın ilk polarize elektron iyon çarpıştırıcısı olacak.
EicC'nin ana fiziksel hedefleri arasında, deniz kuarklarının tek boyutlu ve üç boyutlu yapısının kesin ölçümü, atom çekirdeğinin yapısı ve özellikleri, kendine özgü hadron durumları ve proton kütlesinin kökeni gibi temel temel bilimsel konuların incelenmesi yer alır. Daha geniş ve daha derin fiziksel hedeflerin önerilmeye devam edeceğine inanıyorum.
Çin EicC ile Amerikan EIC arasındaki temel farklar nelerdir?
Enerji ve fiziksel hedefler farklıdır. EicC enerjisi, çalışan ABD Jefferson Laboratuvarı (JLab) tesisi ile gelecekteki yüksek enerjili EIC arasındaki boş alanda yer almaktadır. Üç aygıtın fiziksel hedefleri birbirini tamamlar: EicC esas olarak deniz kuarklarının yapısını incelerken, Amerika Birleşik Devletleri EIC, gluon fiziği çalışmasına odaklanır ve şu anda faaliyette olan Jefferson Laboratuvarı, esas olarak değerlik kuarklarının yapısını inceler.
Şekil: EIC, maddenin yapısının incelenmesini değerlik kuarklarından deniz kuarkları ve gluonların seviyesine doğru ilerletir
Görünüm
Elektron iyon çarpıştırıcısı şu anda dünyada bilim adamlarının QCD teorisini tam olarak anlamaları için veri sağlayabilen, üzerinde düşünülen tek deneysel cihazdır. Bununla birlikte, elektron iyon çarpıştırıcısının yapımı, hızlandırıcılar ve dedektörler gibi teknolojiler için büyük zorluklar ortaya çıkarmaktadır ve bu zorlukların, hızlandırıcı biliminin gelişimini teşvik etmesi beklenmektedir. Bu sadece nükleer fiziğe fayda sağlamakla kalmayacak, aynı zamanda gelecekteki tıp, malzeme bilimi ve çip endüstrilerinin gelişimini de destekleyecektir.
Elektron iyon çarpıştırıcısının yapımı ve çalışması, nükleer fizik araştırmalarında yeni bir çağ başlatacak. Çok sayıda gencin nükleer madde yapısının ön saflarını araştıran bu temel araştırmaya yatırım yapmasını bekliyoruz.
Teşekkürler: Çin Polarize Elektron İyon Çarpıştırıcısı Çalışma Grubu uzmanlarına, özellikle de Nanjing Üniversitesi'nden Profesör Fan Wang'a bu makale için çok sayıda değerli yorum ve öneride bulunduğu için teşekkür ederim.
ana referans:
1. "Çin Polarize Elektron İyon Çarpıştırıcısı Programı", 2020.
2. Elektron İyon Çarpıştırıcısı: Yeni QCD Sınırı Hepimizi bağlayan yapıştırıcıyı anlamak, arXiv: 1212.1701.
3. Ulusal Bilimler Akademisi "ABD Elektron İyon Çarpıştırıcısının Bilimsel Değerlendirme Raporu"
Kaynak: Modern Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
Editör: Kobayashi Midori
Görüntülemek için başlığa tıklayın
1. Fizik yasaları size şunu söylüyor: İtiraf çok büyük bir kayıp olabilir ve ayrıldıktan sonra kan kazanmanız gerekir
2. Şok! Dün diktiğiniz süpürge NASA'yı gerçekten endişelendirdi
3. Alkol ve 84 dezenfektan birlikte kullanılabilir mi?
4. Tek kullanımlık tıbbi maskeler nasıl yapılır? Nasıl dezenfekte edilir?
5. Matematik eğlencelidir Bu dev takım, matematik ve fen alanlarında bir grup doktorla birlikte sahayı taradı.
6. "Sıcaklık ölçme tabancası" sıcaklığınızı nasıl ölçer?
7. 0 derece su ile 100 derece su karıştırılarak 50 derece su elde edilebilir mi?
8. İnsanlar neden öpüşmeyi sever?
9. Virüs nereden geliyor?
10. İlk görüşte aşk güvenilir midir?
