А, я знаю этого!

Что находится в протоне?

Протон действительно состоит из возбуждений в квантовых полях (что-то вроде локализованных волн). Помните это. Всякий раз, когда вы слышите любое другое описание состава протона, это всего лишь некоторое приближение поведения квантовых полей в терминах чего-то, с чем люди, вероятно, более знакомы. Нам нужно это сделать, потому что квантовые поля ведут себя очень неинтуитивно, поэтому, если вы не работаете с полным математическим аппаратом КХД (что сложно), вам нужно сделать какую-то упрощенную модель для использования в качестве аналогии.

Одна из наиболее запутанных вещей, связанных с возбуждениями квантового поля, заключается в том, что они реагируют по-разному в зависимости от того, как за ними наблюдают. Точнее говоря, единственный способ измерить свойства возбуждения в квантовом поле — заставить его взаимодействовать с другим возбуждением и посмотреть, как возбуждения влияют друг на друга. Или, говоря языком частиц, вы должны столкнуть частицу с другой частицей («зонд») и посмотреть, что получится. В зависимости от заряда, энергии, импульса и других свойств зонда можно получить различные результаты.

Люди делали это десятилетиями, и они обобщили результаты в несколько общих выводов. Например, при медленном столкновении с очень малой энергией протон ведет себя как одиночная точечная частица. Если мы придадим частицам немного больше энергии, протон будет больше похож на каплю с тремя точками внутри — это одна из причин, почему часто говорят, что протон состоит из трех кварков. (Между прочим, причина, по которой вы видите изображения, подобные тому, что вы нашли в Википедии, заключается в том, что в течение долгого времени люди сталкивались с протонами при промежуточных энергиях, где они, по-видимому, ведут себя как группа из трех кварков.) Если мы дадим сталкивающимся частицам даже все больше и больше энергии, протон будет казаться все более плотным слиянием всех видов частиц: кварков, антикварков, глюонов, фотонов, электронов и всего остального.партоны (потому что они являются частью протона).

На следующей диаграмме показаны репрезентативные примеры эффективныхсостав протона при различных видах столкновений. Вертикальная ось в основном соответствует энергии столкновения, а горизонтальная ось соответствует «разрешающей способности» падающей («зондовой») частицы. (Разрешающая способность в основном представляет собой поперечный импульс, но я не могу объяснить, как работает эта связь, не вдаваясь в квантовую механику более подробно, чем я считаю необходимым.) Содержимое каждого круга примерно представляет собой образец «моментального снимка» того, как протон ведет себя при столкновении при соответствующей энергии и разрешающей способности. Точные числа, расположение и цвета точек не имеют значения (кроме точки в левом нижнем углу), просто обратите внимание, как они становятся больше или меньше и более или менее многочисленными по мере перемещения по графику.

Так, например, если вы столкнетесь с протоном пучком высокоэнергетических зондов (вверху), имеющих слабую разрешающую способность (слева), он будет вести себя как плотный кластер партонов (кварков, глюонов и т. д.), каждый из которых достаточно большой. Или, если вы ударите по протону пучком низкоэнергетических зондов (внизу) с высокой разрешающей способностью (справа), он будет вести себя как разреженное скопление партонов, каждый из которых мал. Если вы поразите его лучом зондов с низкой энергией (внизу) и низкой разрешающей способностью (слева), он будет вести себя как совокупность трех частиц.

Физики описывают этот явно меняющийся состав, используя функции распределения партонов (PDF), часто обозначаемые как$f(x, Q^2)$. При некоторых не слишком сумасшедших предположениях,$f(x, Q^2)$можно интерпретировать как плотность вероятности взаимодействия зонда с партоном определенного типа с определенным количеством импульса. Визуально,$f(x, Q^2)$связано с числом частиц в окружности при соответствующем$(x,Q)$точка на сюжете (хотя опять же, точные числа выбраны не для точного отражения реальности). Для получения дополнительной информации о дистрибутивах партона я бы отослал вас к этому моему ответу и упомянутым в нем ресурсам, а также к этому .

Что за серая область?

На предыдущем изображении я отобразил каждый снимок протона как набор партонов (кварков, глюонов и т. д.), равномерно распределенных внутри круга, как будто у протона есть определенный край и вне этого края нет ничего. Но на самом деле это не так. Квантовые поля, из которых состоит протон, постепенно исчезают до нуля по мере удаления от центра, придавая протону размытый край. Таким образом, (несколько) более точный образец снимка будет выглядеть примерно так:

Обратите внимание, что точек больше возле центра протона и меньше по мере продвижения к краю; это отражает тот факт, что зонд, который попадает в мертвую точку протона, с большей вероятностью будет взаимодействовать, чем зонд, который попадает в нее вблизи края.

Обычные партонные распределения, о которых я упоминал выше,$f(x, Q^2)$, являются частью упрощенной модели, в которой мы игнорируем этот факт и делаем вид, что партоны равномерно распределены по всему пространству. Но мы можем создать более сложную модель, учитывающую тот факт, что партоны слипаются к центру протона . В такой модели вместо обычных партонных распределений вы получаете более сложные функции, называемые партонными распределениями, зависящими от прицельного параметра , и обозначаемые$f(x, Q^2, b)$, куда$b$- радиальное расстояние от центра, на которое попадает зонд - прицельный параметр.

Были проведены некоторые теоретические исследования, показывающие, что эти партонные распределения, зависящие от прицельного параметра, постепенно уменьшаются по мере увеличения радиуса. Например, см. рисунок 5 в этой статье ( arXiv ) или рисунок 7 в этом ( arXiv ):

Здесь$N(y)$- это величина, связанная с партонными распределениями (в частности, это амплитуда рассеяния цветового диполя), которая как бы «конденсирует» множество различных партонных распределений в одну величину. (Грандиозное упрощение, но для этого достаточно.) Затем вы можете определить пространственную протяженность протона как область, в которой$N(y)$превышает, скажем, 5% от его максимального значения. Или 10%. Или 50%. Точное число несколько произвольно, но суть в том, что какое бы число вы ни выбрали, вы получите круг, охватывающий область, в которой функция распределения партонов велика, примерно так:

Примерно это представляет серый кружок на изображении из Википедии. Это область размером порядка$1\text{ fm}$(это примерно$5\text{ GeV}^{-1}$в натуральных единицах ), где вероятность рассеяния падающей частицы (зонда) на протоне относительно значительна. Эквивалентно, это область, в которой партонные распределения велики, а также область, в которой квантовые поля, составляющие протон, сильно отличаются от нуля.

Как вы можете догадаться, все это довольно неточно. Вы можете дать более строгое определение размера протона, используя сечение рассеяния . Вы также можете получить определение без использования рассеяния, используя радиус заряда , который можно измерить или рассчитать с помощью различных других методов. Я не буду вдаваться в них, так как подробности будут материалом для целого отдельного вопроса, но результаты всех этих методов выходят в радиусе чуть меньше$1\text{ fm}$.

Между прочим, это утверждение о том, что протон на 99% состоит из пустого пространства, вероятно, ложно, если использовать любое разумное определение. Возможно, вы имеете в виду атомы , в которых объем, в котором квантовое поле электрона имеет заметное значение, намного больше, чем размер самого электрона, каким бы он ни был. Люди иногда упрощают это, говоря, что атом состоит из большой доли пустого пространства. Но вы не можете сделать то же самое с протоном, учитывая большое количество частиц в нем и силу их взаимодействия.

На иллюстрации не показана подчеркнутая физическая реальность. Протон состоит из 3 кварков , а именно$uud$, но он также состоит, как указал Джинави , из виртуальных кварков и антикварков , которые постоянно создаются и уничтожаются с помощью сильного взаимодействия, опосредованного глюонами, описанного в квантовой хромодинамике (КХД).

Серая сфера на сайте Википедии показывает область, где кварки образуют протон, другими словами, если волновая функция показывает вероятность обнаружения частицы в области пространства, то эта сфера показывает вероятность того, что вы можете найти существенные кварки, составляющие протон.

Вы не можете рассматривать протон просто как три кварка (называемых валентными кварками, потому что они определяют квантовые числа), потому что виртуальные кварки и антикварки постоянно создаются и уничтожаются сильным взаимодействием. Так что протон больше похож на кварковое море . Фактически этот процесс дает большую часть массы протона (валентные кварки составляют всего 2% массы).

Это что-то вроде этого:

Линии, соединяющие кварки, — это глюоны (частицы-носители сил сильного взаимодействия).

На вопрос, который вы задаете, был дан ответ с точки зрения популяризированного описания.

Реальная физическая картина непроста и во многом зависит от ряда экспериментальных измерений многими экспериментами. Если вы посмотрите на рисунок 9.18 ссылки , то увидите, что состав протона изменяется в соответствии с передачей импульса от зондирующей частицы.

Вопреки утверждению, что это в основном пустое пространство, это не так. Частицы, исследующие протон, не проходят сквозь него невредимыми, они взаимодействуют с составляющими его кварками и глюонами, и, таким образом, мы получаем партонные функции на рисунке. Причина, по которой она не является в основном пустой, заключается в том, что Квантовая Хромодинамика, в отличие от других сил, не уменьшается с расстоянием, а увеличивается, таким образом, составляющие тесно связаны.

Таким образом, ответ на вопрос «что находится внутри протона» таков: «это зависит от того, как вы смотрите на него». Извне он имеет квантовые числа, присвоенные ему тремя валентными кварками.

Настоящая проблема здесь в том, что когда вещи становятся очень, очень маленькими, они ведут себя не так, как мир, который мы видим вокруг себя. Это может сделать многое из того, что происходит в этом странном мире, довольно трудным для понимания.

Схема вводит в заблуждение. Протоны на самом деле не круглые серые шарики, а кварки не совсем маленькие сферы, которые находятся внутри них. На субатомном уровне правит квантовая механика .

Одним из странных выводов квантовой механики является то, что действительно крошечные вещи на самом деле не занимают ни одного места. Взгляните на свою руку. Это там, верно? В одном, единственном месте. Если его сжать в кулак, он занимает меньше места, а если растянуть, то больше. Но всегда в одном месте.

На самом деле крошечные вещи так не работают. Вместо этого они занимают много точек в пространстве одновременно. Обычно мы рисуем диаграммы, на которых реальное положение крошечных предметов представлено в виде облаков: они находятся во многих местах одновременно.

Кварки тоже такие. Их удерживают вместе невероятно сильные силы, но они также пытаются уйти друг от друга. Например, когда вы в машине с родителями в долгой поездке. Что делать в долгой поездке с родителями? Я ерзаю. Я не могу сказать вам, где я буду - на переднем сиденье, на заднем сиденье - потому что я постоянно перемещаюсь. Но ты знаешь, что я где-то внутри машины, даже если ты не можешь мне сказать, где именно.

То же самое и с кварками, с одной особенностью: они действительно находятся во многих разных местах одновременно. Что мы знаем, так это то, что они, скорее всего, остаются в пределах границы: в данном случае, серого круга протона.

Что касается 99% пустого пространства, то реальная цифра намного выше. Очень малона самом деле «состоит» из материи (мы обычно называем материеподобные частицы «адронами»). Так почему же мы не проваливаемся все время? Почему мой ноутбук не проскальзывает через мой стол, если в основном ничего? Ну, потому что силы между этими крошечными частицами огромны по сравнению с их размером (и, что более важно, по сравнению с их массой). Это позволяет им оставаться на сбалансированном расстоянии друг от друга и не позволяет чему-либо еще приближаться к ним слишком близко или падать «между» частицами. Когда вы ловите мяч, частицы в вашей руке и частицы в мяче даже близко не соприкасаются, потому что силы между частицами очень сильны. Вместо этого мяч «отталкивается» от вашей руки. Это отталкивание уравновешивается силой тяжести мяча.

TL;DR: Диаграмма делает все возможное, чтобы объяснить, как все работает на очень-очень мелком масштабе. К сожалению, это очень обманчиво. «Пространство между» частицами — это а) не совсем пространство, а «облака точек» возможных положений частиц (есть полный рот), и б) это силы между частицами, а не сами частицы, которые останавливают «пустое пространство» в пространстве. протон из того, что вы действительно можете пройти.

Как указывалось в некоторых ответах, «серый шар», показанный на картинке, сам по себе не является физическим объектом. Это больше связано с классическим представлением о субатомных частицах как о твердом объекте, хотя на самом деле они таковыми не являются. Это представление среднего радиуса частицы.

Когда вы проводите эксперимент по обнаружению протона, у вас есть определенная вероятность найти его внутри серой области, но также и небольшая вероятность обнаружить его снаружи. Поэтому лучшим способом показать это было бы изобразить шар более светлым оттенком серого по мере удаления от центра частицы. Это дало бы лучшее представление о том, что частица не является твердым телом с определенными краями. По мере удаления от ожидаемого положения (центр серой зоны) вероятность обнаружить протон становится все меньше и меньше.

Дело в том, что это не изображение протона; это схематическое изображение. Вы можете видеть это как диаграмму Эйлера, которая говорит, что в протоне у вас есть 3 валентных кварка и несколько глюонов.

Кстати, точные составляющие протона до сих пор остаются открытым вопросом.