Вы уверены, что все протоны действительно одинаковые? Спойлер - НЕТ
Протон - это одна из базовых частиц материи, которую традиционно представляют как комбинацию трёх кварков. Но современная физика показала, что картина куда более сложная. Внутри протона происходят разные процессы, порождающие необычные структуры.
Мы уже беседовали на тему того, что современная наука сделала огромный шаг от того, что протон был простым "мячиком", до сложной системы квантового уровня, которая, вероятнее всего, должна описываться как процесс, а не частица.
Стоит ли при этом удивляться, что у протона обнаружились так называемые "экзотические состояния". Давайте разбираться что это вообще такое и почему оно чрезвычайно интересно для науки?
Начнём с самых основ. Классическая модель протона - это три кварка, удерживаемые вместе сильным взаимодействием. Но в реальности внутри постоянно возникают и исчезают частицы, образуя временные и сложные конфигурации. Многие из них отличаются от той единственной конфигурации, которые мы привыкли видеть в учебниках.
Учёные называют такие структуры экзотическими, потому что они выходят за рамки привычного трёхкваркового состава.
Парадоксально тут и другое - сама стабильность протона и его якобы неспособность распадаться описывается через удачную кварковую конфигурацию. При этом мы уже обсуждали, что одиночных кварков ученым наблюдать пока не приходилось и многие описывают через это и стабильные состояния.
Полезно посмотреть моё видео по теме, оно точно ответит на все вопросы:
Экзотические состояния протона
Итак, экзотическое состояние - это всё тот же протон, но с другим количеством кварков внутри или включающий в состав глюоны, проявляющие свойства. Среди экзотических состояний особенно ярко выделяются:
- Пентакварки - частицы, содержащие четыре кварка и один антикварк.
- Тетракварки - комбинации из двух кварков и двух антикварков.
- Гибридные протоны - это действительно адроны, в которых глюоны внутри не просто «скрепляют» кварки, а участвуют как отдельные активные компоненты, добавляя новые свойства частице.
Эти экзотические частицы долгое время были лишь теоретическими предсказаниями. Но лишь в последние годы учёным удалось обнаружить их в экспериментах.
Как объяснить их существование? Вопрос хороший. Пожалуй пока лишь тем, что мы не понимаем реальное устройство протона.
Внутри протона постоянно появляются и исчезают пары кварков и антикварков (виртуальные частицы). Это похоже на бурлящий океан из частиц и полей, которые не статичны, а постоянно меняются. Такие процессы позволяют формироваться временным экзотическим состояниям, например, пентакваркам (четыре кварка и один антикварк). Эти состояния могут быть короткоживущими, но достаточно стабильными, чтобы их можно было обнаружить в экспериментах.
При столкновениях частиц (например, в коллайдерах) протон может перейти в возбужденное состояние, где кварки и глюоны находятся в необычной конфигурации. Эти возбуждённые состояния часто проявляются как новые частицы - резонансы с определённой массой и временем жизни. Некоторые из них соответствуют экзотическим конфигурациям, которые не вписываются в классическую схему «три кварка». Похоже из этого супа частиц всё и начинается.
Существование экзотических состояний протонов предсказывали различные модели КХД и кварковые модели. Теперь это стало реальностью.
Свойства экзотических состояний
Экзотические состояния протона обычно имеют большую массу по сравнению с обычным протоном, поскольку внутри них присутствует большее количество кварков и глюонов, а также интенсивные взаимодействия между ними создают дополнительную энергию.
Подобные конфигурации нестабильны и существуют очень короткое время.
В экзотических состояниях могут возникать необычные спины, изоспины и другие квантовые характеристики, которые не встречаются у стандартного протона. Такие состояния могут по-разному взаимодействовать с фотонами, мезонами и другими адронами. Иногда их взаимодействие ведёт к появлению новых каналов распада или особых реакций, не характерных для обычных протонов.
Экзотические конфигурации изменяют внутреннее распределение электрического заряда и магнитного момента протона, что может проявляться в измерениях формы и структуры протона при высоких энергиях.
Почему решили, что это всё ещё протоны?
Коллайдер
Логичный вопрос, что если кварковый состав отличается, то почему всё это ещё протон? Это не так-то и сложно. Когда учёные обнаруживают новые частицы или необычные состояния в эксперименте, они анализируют:
- Массу частицы (энергию)
- Время жизни
- Спин и другие квантовые числа
- Продукты распада
Протоны очень хорошо изученные частицы, и их масса и свойства известны с высокой точностью.
Когда в экспериментах видят частицу с массой и квантовыми числами, близкими к протону, и при этом с необычными дополнительными признаками (например, наличием пентакваркового компонента), это даёт основание назвать её «экзотическим состоянием протона».
Также эксперименты используют разные методы, чтобы «заглянуть внутрь» адронов - например, рассеяние электронов на протонах или столкновения в коллайдерах. На основе данных о поведении и взаимодействиях частиц делают выводы о том, что это именно протон (или его экзотическое состояние), а не какая-то другая частица.
Зачем нам это?
Изучение экзотических состояний помогает глубже понять природу сильного взаимодействия - одной из фундаментальных сил, связывающей кварки. Также эти открытия расширяют наше представление о возможных формах материи и сложностях, скрывающихся в микромире.
Картинка на обложку
Кроме того, внутри самого протона могут существовать короткоживущие экзотические конфигурации, которые влияют на его физические свойства - например, массу и спин. Это можно применять на практике для изменения параметров протона.
В 2015 году учёные на Большом адронном коллайдере обнаружили частицы с пятью кварками - пентакварки. Этот экспериментальный успех подтвердил, что квантовый мир намного богаче и разнообразнее, чем казалось ранее.
