В течение почти всего XX века протоны воспринимались физиками как надёжный фундаментом материи, о котором известно достаточно много. Учёные были уверены, что эти частицы стабильны и неизменны, а их свойства описаны предельно точно. Но с развитием квантовой физики и появлением всё более сложных экспериментов привычная картина начала рушиться. Вместе с ней поплыло и представление о правильном понимании строения всего вещества стандартной моделью.
Так что же изменилось и заставило усомниться в существующих взглядах на проблему? Ведь сегодня протон выглядит не как «кирпичик Вселенной», а как некоторая сложная квантовая система, полная самых разных парадоксов. И это не плохо. Такой взгляд, напротив, демонстрирует более глубокое осознание проблемы учёными.
Давайте обсудим основные противоречия в теории, которые сделали протон непонятным и сложным.
Живёт ли протон вечно?
Классическая модель утверждала, что протоны не распадаются вовсе. В 1980-х годах японский эксперимент Kamiokande попытался зарегистрировать распад протона по косвенным признакам, но не нашёл его. Аппроксимация исследования показала, что даже на дистанции в миллиарды миллиардов лет протон сохраняет стабильность.
Вместо долгожданного распада протона учёные получили нечто другое. Детектор случайно зарегистрировал нейтрино от сверхновой SN 1987A. Это открытие принесло проекту мировую известность, а учёный Масатоси Косиба позже получил за это Нобелевскую премию. Но ирония заключалась в том, что исходная цель (поймать распад протона) так и не была достигнута.
На основании этих данных нижняя граница времени жизни протона составила > 10³⁴ лет и это в триллионы раз больше возраста Вселенной. Мы могли бы расслабиться и забыть об идее распада как про страшный сон. Ведь сроки его жизни столь высоки.
Однако новые теории Великого объединения предсказывают, что протон всё же может распадаться. Вот только процесс настолько медленный, что его пока просто невозможно зафиксировать и измерить. Всё же это не синоним вечности. Тем не менее, с точки зрения стандартного подхода протон может считаться стабильным.
Внутренний мир протона
Внутри протона скрыта не пустота, а целый квантовый «океан». Первоначальная модель из трёх кварков (два u и один d) оказалась слишком упрощённой.
В 2008 году на коллайдере HERA (DESY, Германия) подтвердили, что протон содержит внутри «море» спонтанно возникающих пар частиц и античастиц. Глюоны, открытые в экспериментах на SLAC ещё в 1979 году, оказались не менее важными, чем сами кварки. Именно они «склеивают» частицы внутри протона. Получается, что внутри самого протона существует целый неизведанный мир. Он и остаётся неизученным сейчас, но точно влияет на свойства самого протона.
Это подтвердилось ещё и тем, что фактически масса кварков внутри протона составляет лишь ~1% массы протона. Всё остальное это энергия сильного взаимодействия. Этот результат блестяще подтверждает формулу Эйнштейна: E=mc². Ну а заодно показывает нам, что протон устроен сложнее, чем это хотелось бы современным учёным. Тут нет никаких теорий заговора и домыслов — в современных изданиях структуру протона и правда рисуют не как три мячика внутри одного большого, а как множество шариков и пружинок внутри одного мячика.
Спиновый кризис протона
В 1987 году на CERN (эксперимент EMC) учёные впервые измерили вклад кварков в спин протона. Ожидалось, что кварки должны полностью объяснить вращение частицы, но оказалось, что они дают лишь ~30%.
Остальное, как выяснилось в последующих экспериментах на RHIC (США), вносят глюоны и, вероятно, квантовые колебания «моря» внутри протона. Этот феномен до сих пор известен как «спиновый кризис протона». По сути он заключается в том, что не получается выполнить простое сложение всех моментов в один так, чтобы цифры совпадали. Это чрезвычайно не логично и подразумевает, что природа частицы понимается не совсем верно.
Парадокс радиуса протона
В 2010 году в Швейцарии, в институте PSI (Paul Scherrer Institute), провели эксперимент с мюонным водородом — системой, где электрон заменили более тяжёлым мюоном. Результат потряс научное сообщество. Измеренный радиус протона оказался на 4% меньше общепринятого значения. Этот эффект получил название «протонная головоломка» и до сих пор не имеет однозначного объяснения.
Ожидания ученых предполагали, что цифры, которые мы имеем для простого атома, где вокруг ядра располагаются электроны, и для мюония должны коррелировать. Но оказалось, что если ядро окружено электронами, то радиус один, а если мюоном — другой. Это совершенно не логично, если рассматривать протон как обычную частицу в той форме, как предполагала всегда стандартная модель.
Протон как процесс, а не объект
Обозначенные открытия перевернули представления о протоне с ног на голову. Сегодня физики описывают его не как статичный изученный объект, а как динамическую квантовую систему, в которой энергия и частицы непрерывно рождаются и исчезают.
Протон — это не просто «шарик», а процесс. Процесс измерения и взаимодействия некоторой квантовой системы с окружающим миром. Похоже он и порождает то, что мы видим как частицу. Впрочем, эту логику полезно постоянно держать в голове, когда мы беседуем о частицах того или иного типа.
С радостью приглашаю вас посмотреть мои научно-популярные видео на канале.
Источник: habr.com
