Q протона: Структура нуклона

Структура нуклона

Структура нуклона

Исторически первым указанием на сложную внутреннюю структуру протона и
нейтрона явились результаты измерения их магнитных моментов. Измеренные значения
магнитных моментов

 μ_p
=2.79275_N,
 μ_n
= -1.91348_N,
где μ_N
= e/(2m_pc) —
ядерный магнетон,

отличались от соответствующих предсказаний, ожидавшихся для
точечных дираковских частиц —

 μ_p
= μ_N,
 μ_n
= 0.

    Для исследования структуры нуклона использовались
электронные пучки с энергией вплоть до 20 ГэВ. Для изучения распределения заряда
и магнитного момента в протоне обычно используют мишени из жидкого водорода и
измеряют сечение упругого рассеяния электронов. Т.к. не существует нейтронных
мишеней, для исследования нейтронов используют мишени из дейтерия. При этом
необходимо отделить эффекты обусловленные протонами. Поэтому нейтронные данные
получать труднее и они имеют бОльшие по сравнению с протонами погрешности.

    Пространственные распределения зарядов и токов в протоне
исследуют измеряя упругое распределение электронов на протоне. Диаграмма
Фейнмана для упругого рассеяния электронов на протоне показана на рис.1.
    Основной механизм реакции — однофотонный обмен, т.к.
константа электромагнитного взаимодействия мала (α = 1/137),
однофотонный механизм описывает процесс упругого рассеяния с точностью ~1%.
    При однофотонном механизме виртуальный фотон переносит 4-х
импульс q

q = p — p‘ = P — P‘,

где p ≡ pⁱ
= (ε, ) и p‘ ≡ p‘ ⁱ
= (ε‘, ‘) —
4-х импульсы падающего и рассеянного электронов,
P ≡ Pⁱ = (E, )
и P‘ ≡ P‘ ⁱ
= (E‘,
‘) — 4-х
импульсы протона в начальном и конечном состоянии.
    Упругое рассеяние означает, что протон остается в основном
состоянии. Поэтому переданная энергия
и переданный импульс
определяются соотношениями

= ε
— ε‘
= E‘ — E,
= p — ‘ = ‘
— P

и передаются нуклону как целому объекту. Квадрат переданного 4-х
импульса q²
определяется соотношением

q²  =  ²
— ²-Q² < 0.

    В случае упругого рассеяния релятивистского
электрона на точечной бесспиновой частицы массы m на угол θ энергия ε‘ и квадрат 4-х
импульса рассеянного электрона Q² определяются соотношениями

Q² = 4‘
sin²/2.

Сечение рассеяния определяется формулой Мотта

    Упругое рассеяние электрона на точечной частице со спином
1/2 и  дираковским магнитным моментом описывается соотношением

т. е. магнитное взаимодействие приводит к дополнительному возрастанию сечения
под большими углами.
    Нуклон обладает магнитным моментом, отличным от дираковских
значений, поэтому формулы (1,2) следует обобщить. Пространственное распределение
электрического заряда и магнитного момента в протоне описывается с помощью двух
форм-факторов G_E и G_M.
    Упругое рассеяние электронов на нуклоне в этом случае
описывается формулой Розенблата.

где

q — четырехимпульс, который электрон передает нуклону, m — масса нуклона,
— угол рассеяния электрона, G_E(q²) и G_M(q²)
— электрический и магнитный форм-факторы соответственно.
    Для электрических и магнитных форм-фактров получены следующие
экспериментальные зависимости от квадрата переданного импульса гамма-кванта.

где q₀² = 0.71 ГэВ²/c².
    Если бы протон был точечной частицей, то его электрический
форм-фактор имел постоянное значение. Из экспериментов следует, что форм-фактор
зависит от переданного импульса как ~1/q⁴, что указывает на конечные
размеры протона.
    При нулевом переданном 4-х импульсе

G_E(0) = Q/e (Q — электрический заряд нуклона),
G_M(0) = μ/μ_N
(μ —
магнитный момент нуклона, μ_N
— ядерный магнетон).

    Для протона и нейтрона G_E(0) и G_M(0)
имеют следующие значения

(0) = 1,(0) = 0, = 2.79, = -1. 91.

    В результате подгонки форм-факторов к
экспериментальным данным были получены данные о размерах протона и нейтрона,
распределении в них электрического заряда и магнитных моментах
    Для радиусов распределения электрического заряда  и
магнитного момента протона получены следующие значения

Радиус распределения магнитного момента нейтрона

Т.е. все три величины в пределах ошибок измерений практически
совпадают. Радиус распределения электрического заряда нейтрона

Отличие величины <r²_E>^1/2_n
от нуля означает, что заряд нейтрона только после усреднения по всему объему
нейтрона равен нулю.

• Протон лишен четкой границы. Плотность заряда в протоне плавно убывает по
  закону

где ρ(0) = 3 е/Фм³, a = 0.23 Фм.

• Среднее от квадрата радиуса протона
  

  (5)

• Размер протона соответственно ~0. 8 Фм. Размер нейтрона приблизительно
  такой же.
• В нейтроне центральная часть (r < 0.7 Фм) заряжена положительно,
  периферийная часть — отрицательно.

Т.е. нейтрон «намагничен» — имеет магнитный момент. Усредненный
по объему электрический заряд нейтрона равен нулю.
    Полученные экспериментальные данные по структуре нуклона
свидетельствуют о том, что нуклон имеет сложную внутреннюю структуру. По
современным представлениям он состоит из кварков, взаимодействующих посредством
обмена квантами сильного взаимодействия — глюонами.
    Форм-факторы других адронов 
π, K,
нельзя измерить непосредственно. Их извлекают из более сложного анализа сечений
упругого рассеяния электронов, нуклонов и
π-мезонов на нуклоне. Из этих данных
следует, что адроны не являются точечными частицами, их размеры сравнимы с
размерами нуклона.
    В частности данные по распределению электрического заряда
π и K-мезонов
получены из анализа углового распределения электронов, образующихся при
рассеянии π и
K-мезонов на атомах водорода. В случае π и K-мезонов магнитный формфактор равен
нулю, т.к. у этих частиц нулевые спины. Q² зависимость электрического
формфактора имеет вид

G_E(Q²) = (1 + Q²/a²ћ²)^-1,
a² = 6/<r²>.

    Отсюда

<r²>_π = 0.44 + 0.02 Фм²,   
(<r²>_π)^1/2 = 0.67 + 0.02 Фм;
<r²>_K = 0.34 + 0.05 Фм²,    
(<r²>_K)^1/2 = 0.58 +
0.04 Фм

    Различие в Q² зависимости электрических
формфакторов нуклонов и π и K-мезонов определяется их внутренней структурой.
Известно, что протон  и нейтрон состоят из трех кварков p(uud) и n(udd), в
то время как π и K-мезоны из кварка и антикварка. Различие в радиусах π и
K-мезонов определяется массами составляющих их кварков. С увеличением массы
кварка радиус взаимодействия уменьшается.

Последнее обновление
22.09.15.

«Фотографируя» протон

Пятница, 31 мая 2019

В последнее время вышло несколько новых экспериментальных работ, посвященных исследованиям структуры и свойств протона. Так эксперимент BESIII с высокой точностью измерил формфактор этой частицы в области промежуточных энергий, а ученые из Лаборатории им.  Томаса Джефферсона (США) определили с высокой точностью слабый заряд протона. Исследованием протона занимаются и физики НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ.

В начале ХХ века английский физик Эрнест Резерфорд, облучая тонкие фольги альфа-частицами, установил, что вещество в атоме распределено неравномерно. Весь положительный заряд электрически нейтральных атомов сосредоточен в малой области – в атомном ядре. Открытие Резерфордом же ядерных превращений (ядерных реакций) утвердило физиков в мысли, что ядра – это составные объекты. Одна составляющая, легчайшее из ядер – ядро атома водорода (протон, др.-греч. πρῶτος — первый, основной) была более-менее очевидна. Вторая оставалось некоторое время неизвестной, до того момента, когда в 30-х годах прошлого века Джеймс Чедвик (ученик Э. Резерфорда) открыл нейтрон – нейтральный партнер протона. С момента открытия и по сегодняшний день изучение свойств этих важнейших для нас частиц (ведь подавляющая часть массы видимой материи заключена в них) находится в центре внимания физиков всего мира.

Опыты по рассеянию частиц на протонах долгое время указывали на то, что это точечная частица, до того момента, как в 50-х годах Роберт Хофштадтер, проводя эксперименты по рассеянию электронов на протонах, показал что протон – частица протяженная, имеющая некоторое пространственное распределение заряда. Структура протона (при энергиях вплоть до нескольких гигаэлектронвольт) описывается при помощи двух функций – электрического и магнитного форм-факторов: G_E(q²) и G_M(q²). Эти функции определяют, как протоны взаимодействуют с фотонами – квантами электромагнитного излучения (q – это импульс фотона). Фактически они отражают распределение заряда в протоне, и следовательно, точные измерения G_E(q²) и G_M(q²) позволяют узнать, как выглядит протон, «сфотографировать» его.

Примером такого «фотографирования» протона может служить новая работа международного эксперимента BESIII, проводящегося в Китае (среди участников эксперимента есть и представитель НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ). В своей работе экспериментаторы использовали тот факт, что процесс рассеяния электрона на протоне напрямую связан с процессом рождения пары протон-антипротон в аннигиляции электрона и позитрона, которые должны быть разогнаны до энергий порядка нескольких ГэВ. Действительно, фейнмановские диаграммы, описывающие эти два процесса, эквивалентны с точностью до поворота (см. рисунок 1), а значит их можно рассматривать как различные каналы протекания одной и той же реакции (так называемая кроссинг-симметрия, при которой в формулах переставляются только кинематические попеременные). Физики BESIII смогли измерить сечение процесса (его вероятность) при разных энергиях взаимодействующих частиц, измерить G_E и G_M с беспрецедентной точностью в доступном им диапазоне энергий реакции (см. рисунок 2).

Что же будет, если увеличивать энергию электронов, а значит импульс фотонов, которыми экспериментаторы сканируют протон? Оказывается, тогда можно будет увидеть составные части протона – кварки! На рисунке 3 показана обложка майского номера научно-популярного журнала «CERN Courier», в котором вышла большая статья, посвященная перспективам исследований протона. При увеличении энергии электронов, которыми бомбардируются протоны, в структуре протонов начинают проявляться три рассеивающих центра – валентные кварки, т.е. рассеяние идет на них, а не на протоне как на целом (так называемое глубоко-неупругое рассеяние, ГНР). Если еще больше увеличить энергию электронов, то число рассеивающих центров будет расти, так как свой вклад начнут давать так называемые морские кварки – пары частица-античастица, рождающиеся в протоне на очень короткое время. Их распределение описывается структурными функциями F₁(x,q²) и F₂(x,q²), где x – это доля импульса протона, которую несёт кварк. При переходе от ГНР к упругому взаимодействию электронов с протонами структурные функции плавно переходят в форм-факторы, т.е. электрон видит не отдельную часть протона, а взаимодействует с разными его частями (см. формулы на рисунке 4).

Когда с протоном взаимодействует электрон, то переносчиком взаимодействия является фотон. А можно ли «сфотографировать» протон, используя переносчики других взаимодействий? Да, можно! Именно этим занимаются физики, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК). В столкновениях протонов на БАК фактически происходит взаимодействие составных частей протонов – кварков и глюонов (частиц переносчиков сильного взаимодействия). В отличии от фотонов – переносчиков электромагнитного взаимодействия, глюоны могут взаимодействовать друг с другом, что усложняет наблюдаемую картину. Исследуя такие соударения, физики могут уточнить структурные функции протона. Впрочем, на БАК можно и «фотографировать» частицы, исследуя ультрапериферические взаимодействия (см. заметку «Эксперимент ALICE измерил рождение чармония в ультрапериферических столкновениях ядер свинца»).

Другой частицей для исследования протонов может являться нейтрино, участвующее только в слабом взаимодействии, частицами-переносчиками которого являются тяжелые бозоны W^± и Z⁰. Кварки тоже могут участвовать в слабом взаимодействии, и, следовательно, они видимы для нейтрино. Если идет обмен W^± бозоном, то кварк меняет свой аромат – превращается в кварк другого типа (например, u → d). Если же нейтрино и кварк обмениваются электрически нейтральным бозоном Z⁰, то аромат не меняется и процесс похож на обмен фотоном. При малых энергиях рассеяния электронов на протоне процесс описывается формулой Резерфорда и зависит от электрического заряда протона, при рассеянии нейтрино малых энергий можно ввести так называемый слабый заряд протона (Q^p_weak) – величину, характеризующую интенсивность взаимодействия частицы с Z⁰ (как электрический заряд частицы характеризует интенсивность её взаимодействия с фотоном). Q^p_weak определяется через связь Z⁰ с входящими в состав протона валентными кварками и может быть определен в экспериментах по рассеянию продольно-поляризованных электронов на неполяризованной водородной мишени. При этом процессе выделяется рассеяние, нарушающее так называемую P-четность (если бы не было слабого взаимодействия, то не было бы и P-нарушающих процессов). Недавно в журнале Nature вышла статья, в которой ученые из Лаборатории им.  Томаса Джефферсона определили слабый заряд протона таким методом (Q^p_weak = 0.0719 ± 0.0045). Полученное значение Q^p_weak находится в замечательном согласии с предсказаниями Стандартной модели физики элементарных частиц. Это измерение накладывает сильные ограничения на наличие новых фундаментальных P-нарушающих лептонных взаимодействий на масштабах энергии несколько тысяч гигаэлектронвольт.

Исследованием свойств протона занимаются и физики Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ. Они принимают участие в работе всех больших экспериментов на БАК, одним из направлений работы которых является изучение структурных функций протона, входят в состав эксперимента HERMES, вместе с немецкими коллегами принимают участие в подготовке эксперимента по изучению зарядового радиуса протона в электрон-протонном рассеянии.

ЧАСТЬ 1 и 2 Сборка Proton Pack Q-pack, напечатанная на 3D-принтере

Etsy больше не поддерживает старые версии вашего веб-браузера, чтобы обеспечить безопасность пользовательских данных. Пожалуйста, обновите до последней версии.

Воспользуйтесь всеми преимуществами нашего сайта, включив JavaScript.

Нажмите, чтобы увеличить

891 продаж
|

5 из 5 звезд

За последние 6 месяцев объем продаж этого товара был высоким.

€11,90

Загрузка

Включен НДС

Внесен в список 9 декабря 2022 г.

428 избранных

Сообщить об этом элементе в Etsy

Выберите причину… С моим заказом возникла проблемаОн использует мою интеллектуальную собственность без разрешенияЯ не думаю, что это соответствует политике EtsyВыберите причину…

Первое, что вы должны сделать, это связаться с продавцом напрямую.

Если вы уже это сделали, ваш товар не прибыл или не соответствует описанию, вы можете сообщить об этом Etsy, открыв кейс.

Сообщить о проблеме с заказом

Мы очень серьезно относимся к вопросам интеллектуальной собственности, но многие из этих проблем могут быть решены непосредственно заинтересованными сторонами. Мы рекомендуем связаться с продавцом напрямую, чтобы уважительно поделиться своими проблемами.

Если вы хотите подать заявление о нарушении прав, вам необходимо выполнить процедуру, описанную в нашей Политике в отношении авторских прав и интеллектуальной собственности.

Посмотрите, как мы определяем ручную работу, винтаж и расходные материалы

Посмотреть список запрещенных предметов и материалов

Ознакомьтесь с нашей политикой в ​​отношении контента для взрослых

Товар на продажу…

не ручной работы

не винтаж (20+ лет)

не ремесленные принадлежности

запрещены или используют запрещенные материалы

неправильно помечен как содержимое для взрослых

Пожалуйста, выберите причину

Расскажите нам больше о том, как этот элемент нарушает наши правила. Расскажите нам больше о том, как этот элемент нарушает наши правила.

Протоны и нейтроны

Распад нейтрона — хороший пример наблюдений, которые привели к открытию нейтрино. Анализ энергетики распада может быть использован для иллюстрации дилемм, с которыми столкнулись первые исследователи этого процесса.

На данный момент мы предполагаем (ошибочно), что в распаде участвуют только протон и электрон как продукты. Тогда выход энергии Q будет разделен между протоном и электроном. Электрон получит большую часть кинетической энергии и будет релятивистским, а протон нерелятивистским. Энергетический баланс тогда

В системе покоя нейтрона для сохранения импульса требуется

и pc _{электрон} можно выразить через кинетическую энергию электрона

Энергетический баланс становится равным

.

Когда вы подставляете числа для этого значения Q, вы видите, что член KE _e ² пренебрежимо мал, поэтому можно рассчитать требуемую кинетическую энергию электрона. Требуемая кинетическая энергия электрона для этой схемы двухчастичного распада равна

Обратите внимание, что максимальная кинетическая энергия отталкивающегося протона составляет всего около 0,4 кэВ, поэтому энергии отдачи других ядер, испустивших бета-частицы, очень малы по сравнению с энергиями электронов.

Аналогичным образом, импульс электрона для этого двухчастичного распада ограничен значением

Импульс и энергия двухчастичного распада ограничены этими значениями, но это а не то, как ведет себя природа. Наблюдаемые распределения импульса и энергии для электрона показаны ниже.

Тот факт, что электроны, образовавшиеся при распаде нейтрона, имели непрерывное распределение энергии и импульса, был ясным признаком того, что наряду с электроном и протоном испускалась другая частица. Это должна была быть нейтральная частица, и в некоторых случаях распада она несла почти всю энергию и импульс распада. Это не было бы столь экстраординарным, если бы не тот факт, что когда электрон имел максимальную кинетическую энергию, он составлял всех энергия Q, доступная для распада. Таким образом, не осталось энергии, чтобы объяснить энергию массы другой испущенной частицы. Первые экспериментаторы столкнулись с дилеммой частицы, которая могла нести почти всю энергию и импульс распада, но не имела ни заряда, ни массы!

Таинственная частица была названа нейтрино, но прошло двадцать пять лет, прежде чем Коуэн и Рейнс сделали однозначное экспериментальное наблюдение нейтрино. Нынешнее понимание распада нейтрона

Этот распад иллюстрирует некоторые законы сохранения, управляющие распадом частиц. Протон в продукте удовлетворяет закону сохранения барионного числа, но появление электрона без сопровождения нарушило бы закон сохранения лептонного числа.