Каковы экспериментальные доказательства того, что нуклоны состоят из трех кварков?

Каковы экспериментальные доказательства того, что нуклоны состоят из трех кварков?

Некоторыми вескими доказательствами кварковой модели протона и нейтрона, не указанными в другом ответе, являются магнитный момент протона и магнитный момент нейтрона , которые согласуются с кварковой моделью и несовместимы с магнитным момент, который предсказывается квантовой электродинамикой в ​​модели точечных частиц.

Какой смысл говорить, что нуклоны состоят из кварков, если внутри них есть еще и глюоны?

Причины, по которым это делается, называются в области научной коммуникации « детской ложью ».

Сложные темы часто изначально преподаются таким образом, чтобы упростить реальность, чтобы развить ключевые моменты.

Акцент на кварковом составе нуклонов при игнорировании вклада глюонов позволяет объяснить многие ключевые выводы кварк-глюонной модели, в том числе:

• Заряд всех адронов

• Бета-распад

• Список всех возможных барионов и всех возможных псевдоскалярных и векторных мезонов

• Полный список фермионов Стандартной модели

• Магнитный момент адронов

• Глубокое неупругое рассеяние адронов

• Формула для спина адрона

Существование глюонов как составной части не нужно подробно объяснять, чтобы получить эти результаты.

Кроме того, в то время как содержание валентных кварков в адроне специфично для определенного вида адронов, содержание глюонов в адроне бесполезно для таксономии адронов.

Обратите внимание, что исходная модель кварка SU(3) была полностью математической (Восьмеричный путь) и блестяще объясняла наблюдаемые спектры барионов и мезонов. Причудливо названные кварки не предназначались для представления реальных объектов.

Согласно ответу @Geoffrey, это было глубокое неупругое рассеяние:

$$e^-+p \rightarrow e^-+X$$

часто пишут:

$$e(p, X)e'$$

чтобы указать, что начальные (известные) состояния представляют собой электрон, сталкивающийся с протоном, а конечное состояние - это обнаруженный электрон и необнаруженный мусор ($X$). Это называется инклюзивным глубоконеупругим рассеянием.

Первоначально это было сделано в SLAC с электронным пучком, мишенью из жидкого водорода и тремя спектрометрами, не причудливо названными спектрометрами на 1,6 ГэВ, 8 ГэВ и 20 ГэВ.

Спектрометры позволяли точно определять импульс рассеянного электрона (лабораторная система, да) и угол рассеяния.

При хорошо определенной энергии пучка (4 импульса$k_{\mu}$) и рассеянный электрон (4-импульсный$k'_{\mu}$), взаимодействие может быть проанализировано с точки зрения обмена одним виртуальным фотоном с 4 импульсами:

$$q_{\mu} = k_{\mu} - k'_{\mu}$$

и его инвариантная масса:

$$Q^2 = -||q^2|| = 4EE'\sin^2{\theta/2}$$

где последнее выражение выполняется в лаборатории для энергий, намного превышающих$m_ec^2$.

Обратите внимание, что шкала длины, определяемая событием рассеяния, равна$\hbar c /\sqrt{Q^2}$.

Энергия, передаваемая мишени, также была важным параметром:

$$\nu = q_0 = E-E'$$

Из этих двух переменных можно сконструировать нечто, называемое Бьоркеном.$x$:

$$x = \frac{Q^2}{2M_p\nu}$$

и это переменная, которая предоставила ключевое доказательство того, что кварки реальны и что в протоне их 3.

Обратите внимание, что$0 <x \le 1$, и он представляет собой долю импульса протона, переносимого столкнувшимся Партоном (то есть тем, что находится внутри протона). Сечение рассеяния имеет широкий пик около$x = \frac 1 3$, указывающий на то, что поражено, несет около одной трети импульса протона. Это интерпретируется как протон, являющийся примерно (очень грубо) мешком из 3 невзаимодействующих частиц. (Конечно, они взаимодействуют, образуя связанный протон, но анализ проводится на так называемом световом конусе, в котором рассеяние происходит в течение времени, намного более короткого, чем любое взаимодействие: протон выглядит как мешок из трех свободных валентностей. кварки плюс морские кварки и глюоны).

Поведение рассеяния (при правильном анализе с помощью «структурных функций») показало очень небольшую зависимость от$Q^2$— то есть он не зависел от масштаба, указывая на то, что партоны точечны: на самом деле они были кварками.

С тех пор более сложные эксперименты только подтверждали кварковую модель. Есть полуинклюзивные эксперименты, например:

$$e(p, X)e\pi$$

где рассеянный электрон регистрируется в совпадении с некоторой частью конечного состояния (в данном случае пиона). Такого рода реакции позволяют изучать «адронизацию» или то, как пораженный кварк (с цветом) превращается в адрон с цветным синглетом. Можно также выделить странное море, глядя на совпадающие каоны.

В SLAC и DESY были проведены эксперименты по поляризованному рассеянию (с поляризованным лучом и мишенью):

$$\vec e^{\pm}(\vec p, X)e^{\pm}$$

подтверждая природу спина 1/2 кварков. Наконец, есть эксклюзивные эксперименты (где все известно), такие как:

$$\gamma(D, n)p$$

при высокой энергии, которая показывает через размерное масштабирование, что дейтрон, нейтрон и протон ведут себя как мешок из 6 точечных частиц, превращающийся в 2 мешка из 3 точечных частиц (подтверждая кварковую модель).

Обратите внимание, что существуют различные приемы (объединение нескольких измерений), которые позволяют разделить структурные функции на валентные кварки, морские кварки и глюоны. Тот факт, что внутри протона находится бесконечное количество морских кварков, на самом деле не влияет на тот факт, что протоны содержат 3 валентных кварка. Да, КХД сильна, так что большая часть фактической массы нуклона приходится на энергию связи — все еще можно с уверенностью сказать, что в протоне 3 кварка. Морские кварки — это всего лишь квантовые флуктуации.

Точно так же в КЭД внутри атома водорода есть электрон-позитронные пары (см. лэмбовский сдвиг), но мы все же можем описать атом водорода как связанные протон и электрон, обсуждая, из чего он сделан. Конечно, при точных расчетах в КЭД (или любых расчетах в КХД) приходится обращать внимание на «морские» объекты.

Процесс, впервые использованный для определения внутренней структуры протона и нейтрона, называется глубоконеупругим рассеянием . По сути, вы попадаете в целевой адрон с достаточной энергией, чтобы длина волны зондирующей частицы была достаточно короткой, чтобы разглядеть детали внутренней структуры протона или нейтрона.

Вы правы, ставя под сомнение идею о том, что протон «состоит из трех кварков», когда внутри также есть глюоны. Глюоны, конечно, являются частицами, переносящими взаимодействие, которые опосредуют сильное взаимодействие и удерживают кварки связанными друг с другом, но поскольку глюоны сами несут цветовой заряд, их взаимодействие сильно нелинейно. В результате большая часть массы протона создается за счет энергии взаимодействия глюонов .

Когда я учился в университете, сидя на своем динозавре, один из моих профессоров упомянул, что работал над системой поляризации нейтронов на ускорителе частиц в Чок-Ривер.

Я должен был спросить, как вы поляризовали нейтральную частицу с помощью магнита, все еще думая в терминах классических частиц и зарядов. Он объяснил, что, поскольку существует внутренняя кварковая структура, даже несмотря на то, что снаружи она выглядит нейтральной, асимметрии достаточно, чтобы с ней можно было работать.

Только намного позже я прочитал, как они на самом деле работают, конечно, есть сложности, но основы есть.

По второй части вашего вопроса:

(Виртуальные) глюоны являются частью нуклонов в том же смысле, в каком (виртуальные) фотоны являются частью атома в целом. О них не нужно говорить, потому что они подразумеваются в сильном и электромагнитном взаимодействии соответственно, и в отличие от электронов, протонов и кварков, они несчетны - то есть атом протия всегда имеет один электрон и один протон, сделанные из трех кварков, но нет даже сколько-нибудь значимого количества виртуальных фотонов и глюонов. Не думайте о виртуальных частицах как о том, что «это мог быть настоящий глюон, но им не является» — они являются возбуждениями в соответствующем квантовом поле, которые не подчиняются правилам для частиц в этом поле.

Не пытайтесь слишком усердно находить ответ «да-нет» на что-либо в физике — большинство ответов больше похоже на «Да, но…». Во всем, что вы узнаете о чем-либо, могут быть сотни подразумеваемых условий (одна веская причина, по которой вам нужно медленно строить на прочном фундаменте, а не просто переходить к какой-то случайной интересной теме физики) — например, складываются ли относительные скорости аддитивно? Да (пока мы говорим, например, о машинах на дороге). Нет (если вы говорите, например, о частицах высокой энергии, попадающих в атмосферу Земли). Это существует, вероятно, в каждом отдельном вопросе по физике, поэтому всегда подразумевается «, но ...» - нет необходимости тщательно напоминать людям об этом, кроме их введения в науку в целом.

Для первой части я бы просто добавил к уже существующим отличным ответам: три кварка, конечно, не единственное объяснение. Другой взгляд на проблему заключается в том, что (например) протон состоит из тысяч кварков и антикварков, которые постоянно создаются и аннигилируют, и если вы сложите их все в любой данный момент, вы получите на три кварка больше, чем антикварки. За исключением их энергии (которая вносит вклад в массу протона как системы), они почти полностью компенсируются, за исключением трех «лишних» кварков. Есть много способов взглянуть на эту картину — некоторые считают «отменяющие» кварки реальными частицами, некоторые считают их виртуальными частицами, а некоторые видят взаимодействие между виртуальными кварками и глюонами. Разумеется,

Приведенные выше цитаты ссылаются на глубоконеупругое рассеяние как на свидетельство того, что нуклоны состоят из трех точечных составляющих. Они предполагают, что это должны быть «кварки» — фермионы, несущие цветовой заряд. К сожалению, учитывая фундаментальные свойства кварков, теория КХД не способна вычислить какие-либо свойства нуклонов, кроме их электрического заряда. Спросите физика-теоретика, почему это так, и он ответит: «Потому что эта теория математически неразрешима». Так что в более широком смысле составляющие нуклоны являются «кварками» только по политическому консенсусу.

Выход из кроличьей норы — это выход из любого препятствия в теоретической физике: отбросьте предположение, что фермионы — это фундаментальные частицы. Исследуйте модели, которые предполагают, что они имеют дискретную структуру.