Что можно сказать о массе нейтрона

Что можно сказать о массе нейтрона

Расчёт массы нейтрона докажет Вам о существовании нейтрино. Как? Сейчас узнаете. Почему-то один из основных законов природы выпал из «современной» науки и его не изучают. Это — закон взаимодействия частиц в микромире. Ведь по значимости закон взаимодействия частиц в микромире идёт сразу за законом сохранения массы и энергии. В чём его суть и как такое могло случиться? Если частицы микромира соединяются, то излучается обменная частица (фотон или нейтрино). И наоборот. Если частицы микромира разъединяются, то это может произойти только лишь при поглощении строго такой же обменной частицы. По такому принципу происходят все процессы в микромире, связанные с частицами вещества (протонами, электронами, атомами и молекулами). Масса излучилась в виде фотонов и нейтрино. Масса никуда не делась, так как и фотоны, и нейтрино обладают массой, как положено всем материальным частицам. Ведь на вопрос сколько материи? Ответ дать может только её количественная характеристика — масса. Масса не может быть ни инерционной, ни гравитационной, ни массой «покоя». Это извращённое понимание природы. Объектов без массы не существует — это будут только фантазии или больное воображение. Эффект излучения или поглощения обменной частицы называют дефект массы или энергией связи. Что такое дефект массы — энергия связи, и какую роль в процессах, протекающих в микромире, он играет? Начну с того, что в 1811 г. итальянский физик и химик А.Авогадро (1776 — 1856 г.) открыл закон связи грамм-моля газа с его объёмом. Оказалось, что в грамм-моле любого газа находится одинаковое число молекул. Затем нашли это число и назвали его в честь Авогадро. С того момента стало возможным определять плотность и массу газа. Поэтому массу атомов водорода и массу атомов гелия можно рассчитать через грамм-моль химического элемента и число Авогадро. Ещё можно определить массу заряженных частиц электронов, протонов и ионов, анализируя их движение в магнитном поле. Атомную массу химического элемента можно определить различными способами, например, масс-спектрометром. Но массу нейтрона и нейтрино этими способами не определить. Нейтроны и нейтрино — это не газ и не заряженные частицы. Их массу можно только оценить. Дальнейшие исследования показали, что образование новых химических элементов связано с дефектом массы. Например, в звёздах из четырёх атомов водорода образуется один атом гелия. Интересно, что нам про это рассказывает «современная» наука? Рассмотрим пример из учебника, где численные значения масс элементарных частиц электрона, протона и нейтрона взяты из справочника. «. Исследования показали, что масса атомного ядра всегда меньше суммы масс отдельно взятых протонов до того, как эти частицы образуют ядро. Например, в ядре гелия объединяются два протона и два нейтрона. Массы одного протона и одного нейтрона соответственно равны 1,00728 и 1,00867 , а масса всех четырех частиц составляет Вычитая из этой суммы массу ядра гелия, равную 4,00152 , получим Величину называют дефектом массы атомных ядер или энергией связи. Дефект массы представляет собой сумму масс излученных нейтрино и масс излученных фотонов . Если , то . «. Пример, взятый из учебника, жульнический. Данного обмана не заметить нельзя. Это никакая не ошибка. Это преднамеренное запутывание физики элементарных частиц. В чём же обман? Сейчас увидите. Речь сначала идёт о четырёх атомов водорода, а это четыре протона, из которых образуется гелий. А, когда необходим расчёт, нам подсовывают два протона и два нейтрона. Зачем всех дурачить? Ведь наша задача узнать, где находится нейтрино и, соответственно, массу нейтрона, так как массу нейтрона по другому не определить? Но, чтобы нас обмануть, нам подсовывают массу нейтрона, в котором якобы уже «сидит» нейтрино. Но обман можно проверить. А теперь рассмотрим вопрос. Правильно ли производились расчёты при термоядерном синтезе ядер атомов гелия из ядер атомов водорода? Нет, неправильно. А в чём ошибка? Исходными частицами при образовании ядра гелия являются не два протона и два нейтрона ( ), а четыре протона и два электрона ( ). Почему? При образовании звезды исходным материалом является водород. Справка. «. Нейтрон образоваться из одного протона и одного электрона в обычной звезде не может. Такой процесс возможен только в нейтронных звёздах. Самая первая термоядерная реакция в звёздах — это образование ядра дейтерия из двух протонов и одного электрона. Так как протоны между собой сблизиться не могут, то событие образования ядра дейтерия следующее. На критическом расстоянии (расстоянии соизмеримым с размерами самих частиц) друг от друга должны оказаться два протона, а между ними должен вклиниться электрон , где — это излученные массы фотона и нейтрино. В ядре образованного дейтерия электрон по очереди обращается вокруг двух протонов. Нейтроны же могут появиться только при распаде ядер новых более сложных нуклидов. «. Так как исходными частицами являются ядра водорода (протоны), то это совершенно меняет ситуацию. Почему? Для этого произведём новый расчёт. Численные значения масс протона и электрона возьмём из справочника. Итак, теперь исходными частицами для образования ядра гелия будут четыре протона и два электрона = . . Теперь каков будет дефект массы в новом расчёте? Вычтем из этой суммы массу ядра гелия, равную 4,00152 а.е.м, получим О чём говорит нам этот дефект массы ? Этот расчёт показал, что 2 протона и 2 электрона превратились в 2 нейтрона в ядре гелия, при этом излучились частицы с массой . Получается, что при взаимодействии протона и электрона излучается нейтрино и фотон, образуя нейтрон, но масса нейтрона, естественно, меньше суммы масс исходных частиц на массу энергии связи. Значит, нейтрино в нейтроне нет. Нейтрино было в составе протона и излучилось. Поэтому формула распада нейтрона , а формула синтеза . ПРИМЕЧАНИЕ. Данная масса почти в 52 раза больше массы одного электрона . Исходя из этого можно дать приблизительную оценку массы одного нейтрино и одного нейтрона. При оценке надо учесть, что нейтрино и фотонов в этой массе ( ) будет 2 пары, так как образуются 2 нейтрона. Эти нейтрино и фотоны будут иметь максимальную массу. При образовании последующих нуклонов (трития) массы фотонов и нейтрино будут уменьшаться. Поэтому средняя масса одного нейтрино при образовании гелия будет . Это в 26 раз больше массы одного электрона ( ). Масса фотона (ультрафиолетового диапазона) много меньше массы электрона и массой излученного фотона можно пренебречь. Масса нейтрона равна массе протона минус нейтрино и плюс масса электрона. Тогда Масса протона Масса нейтрона Как видно, масса нейтрона меньше массы протона. А в справочниках всё наоборот, масса нейтрона равна 1,00867 . В справочниках ещё многое придётся пересмотреть и заменить. Теперь обман вскрыт. Итак, расчёты показали, что масса нейтрона меньше суммарной массы протона и электрона. А как может быть по-другому, если нейтрино излучилось при термоядерном синтезе. Это сейчас подтвердит ещё и бета-распад, регистрируемый в «нейтринных телескопах». Бета-распад может происходить как внутри ядра химического элемента, так и вне него. Сначала рассмотрим бета-распад внутри ядра химического элемента. Нейтрино — частица, не поддающаяся прямой регистрации. Для подтверждения этого процесса существуют нейтринные телескопы (раздел 17, глава 1). Как они действуют? Нейтрино строго равное энергии связи протона и электрона, попадает в нейтрон ядра хлора. Протон в составе нейтрона поглощает нейтрино и отпускает электрон . Масса протона увеличивается на массу нейтрино. Таким образом, массы протонов в разных случаях, разные. Перечисленные примеры подтверждают вывод о закономерности взаимодействий частиц в микромире. А теперь рассмотрим бета-распад вне ядра химического элемента. Если бета-распад происходит вне ядра химического элемента, то в таком случае нет никаких доказательств, что излучилось антинейтрино . Формула ошибочная. Такая формула противоречит: — основному закону взаимодействия частиц (при синтезе частиц излучается частица с массой, а при распаде частиц такая же частица поглощается, но ни в коем случае не наоборот); — регистрации нейтрино в нейтринных телескопах; — расчёту дефекта масс, произведённому для четырех атомов водорода. Доказательств формулы нет. Модель распада нейтрона следует считать просто фальшивой, так как масса нейтрона меньше массы протона и электрона на величину массы нейтрино. Формула распада нейтрона как внутри, так и вне ядра химического элемента одна: . Если это происходит вне ядра химического элемента, то в течение 15 мин нейтрон поглотит нейтрино с достаточной для этого процесса энергией и распадётся. Нейтрон довольно устойчивая конструкция и распадается только при поглощении нейтрино определённой энергии. Такое нейтрино обязательно появится в данном сечении взаимодействия в течение 15 мин. Этот факт характеризует среду пространства о наличии в ней нейтрино разных энергий. Найдена ошибка в модели распада нейтрона. Масса нейтрона, приведённая в справочнике, ошибочна. Исправление этой ошибки поменяет всю «современную» физику элементарных частиц, так как нейтрино играет важную и особую роль в строении вещества. Об этом в разделе 17 первой главы. Факт того, что при излучении энергии связи (дефекта массы) частица и её объём становится более компактным, чем исходный, является закономерностью. Это относится для всех процессов, происходящих в микромире. Например. Эта закономерность подтверждается вторым постулатом Н.Бора. При переходе электрона с орбиты на орбиту излучается или поглощается фотон. При переходе с верхнего уровня на нижний фотон излучается, при переходе с нижнего на верхний — поглощается. В эту закономерность входят экзотермические и эндотермические реакции при образовании химических соединений. При термоядерном синтезе образуются новые более сложные химические элементы и при этом обязательно излучаются обменные частицы — нейтрино и фотоны. Атомы вновь образованных химических элементов более компактны, чем сумма объёмов атомов, из которых они образовались. Эндотермических реакций при синтезе новых химических элементов не бывает (в справочниках всё придуманное и необоснованное необходимо убрать или исправить). Вот эта закономерность: Чтобы частицам (протон, электрон, ядра химических элементов, а также молекулы и атомы между собой) соединиться или ещё более сблизиться на какое-то устойчивое расстояние, одному из компонентов нужно излучить обменную частицу (нейтрино или фотон) и, наоборот, чтобы разъединиться или ослабить взаимодействие, нужно поглотить соответствующую обменную частицу. В справочниках даны массы протона и электрона. Но протоны и электроны всё время то поглощают, то излучают обменные частицы. Таким образом, постоянной массы у них нет. То есть для каждого конкретного случая массы электрона и протона будут разные. Справка. «. Электроны и протоны не имеют постоянной массы. Они при определённых условиях, то поглощают эфир, фотоны и нейтрино, то излучают фотоны и нейтрино. И поэтому в разных условиях у них разная масса. Например. При плавлении и кипении веществ протоны поглощают фотоны (скрытая теплота плавления и кипения) и увеличивают свою массу (об этом в разделе 26, глава 1). То есть протоны в ядре химического элемента имеют разную массу, в зависимости от агрегатного состояния вещества, а энергия и масса этой связи легко рассчитывается. Масса электрона увеличивается при поглощении фотона и переходе на более скоростную и более удаленную от ядра орбиту. В свободном состоянии массы электронов и протонов увеличиваются ещё в зависимости от скорости (эти процессы описаны в разделе 25, глава 1). И это ещё не все случаи непостоянства масс зарядов протона и электрона. Таким образом, численные значения масс электрона и протона, приведённые в справочнике, никак не могут подойти для разных условий. «. Необходимо как можно скорее исправить вопиющую ошибку в физике с моделью распада нейтрона, исправить в справочниках численное значение массы нейтрона и поместить на достойное место один из основных законов природы — закон взаимодействия частиц в микромире. Как это произошло случайно или сделано умышленно? Конечно, умышленно. Чтобы увидеть ошибку необходимо уметь думать. А думать запрещено. Чтобы Вы не думали, Вас заставляют заучивать готовую утверждённую программу образования. ПРИМЕЧАНИЕ. Раз мы сделали оценку массы нейтрино, то теперь можно сделать оценку скорости нейтрино. Так как нейтрино осуществляют подвижность молекул газа, то основанием для этой оценки будет соизмеримость инерции нейтрино и молекул газа. Наш расчёт был сделан для нейтрино с самой большой массой . Инерцией для молекул воспользуемся из опыта Штерна. Масса атома серебра , а средняя скорость молекул серебра 580 м/с. Расчётная скорость получается . Таким образом, оценка скорости нейтрино показала, что она , что значительно меньше скорости фотонов (света) . После того как я предложил методику расчёта масс и скоростей нейтрино, появилась возможность произвести более точную оценку скорости нейтрино. Пока можно только сказать, что скорость нейтрино много меньше скорости света, а масса наоборот много больше масс фотонов. Прочитав статью, возникнет много вопросов. Ответы на все эти вопросы находятся в книге 7 издания «Эволюционный круговорот материи во Вселенной». Используемые источники 1. Николаев С.А. «Эволюционный круговорот материи во Вселенной», 8-ое издание, СПб, 2014 г., 320 с.

• Комментарии: 2, последний от 10/03/2018.
• © Copyright Николаев Семен Александрович (&#78&#105&#107&#111&#108&#97&#101&#118&#95&#83&#101&#109&#101&#110&#54&#48&#64&#109&#97&#105&#108&#46&#114&#117)
• Размещен: 07/10/2016, изменен: 07/10/2016. 15k. Статистика.
• Статья: Естествознание

Стабильность нейтрона в атомном ядре

Факт, ставящий в тупик многих из тех, кто впервые изучает природу обычной материи – то, что в ядре любого атома тяжелее водорода содержатся как протоны, так и нейтроны, но при этом нейтроны распадаются (дезинтегрируются в другие частицы) в среднем за 15 минут! Как же могут ядра углерода, кислорода, азота, кремния быть настолько стабильными, если нейтроны, из которых они состоят, не могут выживать сами по себе?

Ответ на этот вопрос оказывается очень простым после того, как вы поймёте, как работает энергия: это чистая бухгалтерия. Но понять энергию вовсе не просто. Для начала нужно прочесть статью о видах энергии. А до этого необходимо ознакомиться со статьёй об энергии, импульсе и массе. Эти концепции нужно представлять перед тем, как понять ответ на заданный вопрос.

Если вы прочли статью об энергии взаимодействия, вы знаете, что атом водорода состоит из протона и электрона, которые, из-за отрицательной энергии связи, неспособны убежать друг от друга – они заперты внутри атома. Отрицательная энергия связи происходит из отрицательной энергии взаимодействия, частично сбалансированной положительной энергией движения электрона (и немного – протона). Энергия взаимодействия происходит из воздействия электрона на электрическое поле близ протона (и наоборот).

В этой статье я объясню, почему нейтрон стабилен в следующем по простоте ядре атома: дейтроне, ядре «тяжёлого водорода» или «дейтерия». Дейтрон состоит из одного нейтрона и одного протона – в принципе просто, и не слишком отличается от атома водорода с одним электроном и одним протоном. Поняв, почему нейтрон стабилен в дейтроне, вы поймёте основной принцип, по которому нейтроны могут быть стабильны внутри всех стабильных ядер. Суть в следующем: энергия взаимодействия протонов и нейтронов отрицательная, и достаточно большая, поэтому в некоторых ядрах распад нейтрона привёл бы к росту энергии системы (состоящей остатков ядра после его распада и всех испущенных при распаде частиц), что нарушило бы закон сохранения энергии. Поскольку энергия должна сохраняться, распад невозможен.

Не буду описывать взаимодействие нейтрона с протоном, поскольку за это отвечает сильное взаимодействие, гораздо более сложное, чем электрическое (и магнитное) взаимодействия между протоном и электроном, составляющими атом водорода. Частично эта сложность объясняется составным характером взаимодействия – это немного похоже на то, как электромагнитное взаимодействие может связывать два атома водорода в молекулу водорода, хотя оба атома электрически нейтральны. Но некоторые важные детали эта аналогия не охватывает. Ядерная физика – это отдельная тема.

Рис. 1

К счастью, нам эти сложности не нужны. Нам нужно знать, что эти силы создают отрицательную энергию взаимодействия для системы из протона, нейтрона и различных сложных полей, позволяющих им влиять друг на друга. В результате получается стабильный дейтрон. Так же, как атом водорода не может внезапно распасться на электрон и протон, дейтрон не может внезапно распасться на нейтрон и протон.

Это не означает, что дейтрон или атом водорода нельзя уничтожить. Можно «ионизировать» атом водорода (выбить электрон у протона), если добавить внешнюю энергию – в виде, допустим, достаточно энергичного фотона. Тот же метод можно использовать для разбивания дейтерия и выбивания нейтрона у протона. Но энергию для этого нужно получить вне системы; ни водород, ни дейтрон самостоятельно распадаться не будут.

Нейтрон может распадаться

Давайте вспомним необходимое (но не достаточное) условие для распада объекта – масса начального объекта должна превосходить сумму масс объектов, на которые он распадается. Откуда берётся это условие? Из закона сохранения энергии. Скоро мы увидим, как и почему (как обычно, под массой я понимаю «массу покоя»).

Рис. 2

Проверим, что это условие выполняется для нейтрона, который может распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад показан на рис 2; нейтрон спонтанно превращается в три эти частицы. Нейтрон и протон на самом деле больше по размеру, чем электрон и антинейтрино – хотя рисунок всё равно сделан не в масштабе. Диаметр нейтрона или протона составляет примерно одну миллиардную триллионной доли метра (в 100 000 раз меньше атома), а про диаметр электрона или нейтрино известно, что он как минимум ещё в 1000 раз меньше этого.

На рис. 3 изображена энергетическая бухгалтерия (см. рис. 1). До распада нейтрона энергия всей системы равна энергии массы (E = mc 2 ) нейтрона. Масса нейтрона равна 0,939565… ГэВ/c 2 .

Многоточие говорит о том, что это не точное значение, но пока нам не нужна большая точность. Значит, энергия массы нейтрона

После распада нейтрона какой будет энергия всей системы? Поскольку энергия сохраняется, а извне энергии не поступало, то энергия системы будет равна тому же самому — 0,939565… ГэВ!

Но как она распределится?

Во-первых, у нас не будет энергии взаимодействия. Это не очевидно, но очень важно. Когда протон, электрон и антинейтрино разлетаются, энергия их взаимодействия становится пренебрежимо малой.

Во-вторых, у каждой из частиц есть энергия массы. Сколько её там?
• Энергия массы протона – 0,938272… ГэВ.
• Энергия массы электрона – 0,000511… ГэВ.
• Энергией массы антинейтрино можно пренебречь, настолько она мала.

И это хорошо, поскольку масса нейтрино нам пока неизвестно. Мы знаем, что она, по крайней мере, гораздо меньше, чем 0,000001 ГэВ.

Итоговая масса-энергия получается равной

(0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) ГэВ = 0,938783… ГэВ

Что меньше энергии массы нейтрона, с которой мы начали, на 0,000782… ГэВ. Пока что мы не видим, как она сохраняется. Энергия массы нейтрона не полностью превратилась в энергию массы протона, электрона и нейтрино. Излишки энергии на рис. 3 показаны жёлтым.

Рис. 3

Разницу можно восполнить при помощи энергии движения. Она всегда положительна. Нам нужно только распределить лишние 0,000782… ГэВ между движениями частиц так, чтобы сохранялся импульс системы (поверьте мне, это возможно). Тогда энергия будет сохранена, поскольку энергия массы нейтрона превратилась в энергию массы и энергию движения протона, электрона и нейтрино.

Я не указал точное количество энергии движения, отошедшее протону, электрону и нейтрино, поскольку в каждом из случаев распада нейтрона энергия будет распределяться по-разному, просто случайным образом (такова квантовая механика). Только общая энергия движения будет всегда одной и той же, 0,000782… ГэВ.

Дейтрон стабилен

Вернёмся к дейтрону. Общая энергия дейтрона, как и у атома водорода, состоит из положительной энергии массы двух его составляющих (протона и нейтрона), положительной энергии движения двух составляющих, и отрицательной энергии взаимодействия, с лихвой покрывающей энергию движения. Более того, как и для любой частицы или системы, масса дейтрона будет равной его общей энергии (точнее – общей энергии, которую вы измеряете, когда он не двигается относительно вас), делённой на с 2 , квадрат скорости света. Соответственно, если дейтрон относительно вас покоится, на основе его измеренной массы, равной 1,875612… ГэВ/с 2 , можно сказать, что его энергия равна

Энергия массы дейтрона = 1,875612… ГэВ =
• Энергия массы протона + энергия массы нейтрона,
• Энергия движения протона + энергия движения нейтрона,
• Энергия взаимодействия (отрицательная, и больше по модулю, чем энергия движения).

= 0,938272… ГэВ+ 0,939565… ГэВ = 1,877837… ГэВ

Поэтому энергия связи дейтрона равна

1,875612… ГэВ – 1,877837… ГэВ = -0,002225… ГэВ

Рис. 4

Отрицательная энергия связи означает, как и в случае с атомом водорода, что дейтрон не может просто развалиться на нейтрон и протон, как показано на рис. 4. Это нарушило бы сохранение энергии, утверждающее, что распадающаяся частица должна быть более массивной, чем частицы, на которые она распадается. Как показано на рис. 5, энергию никак не сохранишь. У нейтрона и протона больше энергии массы, чем у дейтрона, и нет никакого источника отрицательной энергии, способного погасить дефицит энергии, поскольку энергии взаимодействия между далеко разнесёнными протоном и нейтроном нет, а энергия движения отрицательной не бывает. Это значит, что процесс на рис. 4 произойти не может.

Рис. 5

Нейтрон внутри дейтрона не может распаться

Остался один шаг, и он, по сравнению с предыдущими, довольно простой. Вопрос в следующем: почему нейтрон не может распадаться внутри дейтрона?

Допустим, он распался: что останется? Тогда у нас будет два протона, электрон и антинейтрино; см. рис. 6. Два протона отталкиваются – у них положительный электрический заряд, и электрическая сила расталкивает их. Сильное ядерное взаимодействие, пытающееся притянуть их вместе, не такое сильное, как у нейтрона с протоном, и суммарное действие двух сил будет отталкивающим. В результате это взаимодействие будет расталкивать протоны. А электрон и антинейтрино тем временем также покинут место действия.

Рис. 6

Когда все четыре частицы будут далеко друг от друга (как грубо показано на рис. 6, но представьте, что они разлетелись ещё дальше), не будет никакой значительной энергии взаимодействия между ними. Энергия системы будет состоять только из суммы энергий масс частиц и энергий движения. Поскольку энергия движения всегда положительна, минимальная энергия, которую смогут иметь частицы, будет равной сумме их энергий масс. Но эта энергия больше, чем энергия массы дейтрона (рис. 7)! Даже энергия массы двух протонов, 1,876544… ГэВ уже больше энергии массы дейтрона. А дополнительные 0,000511 ГэВ только сыплют соль на рану.

Поэтому нейтрон внутри дейтрона не может распасться; энергия взаимодействия, удерживающая дейтрон, тянет его массу вниз – достаточно низко для того, чтобы распад нейтрона внутри дейтрона нарушал сохранение энергии!

Рис. 7

Другие атомные ядра

И так происходит со всеми стабильными ядрами в природе. Но не надо думать, что всегда, когда вы комбинируете нейтроны и протоны, в результате получается стабильное ядро! Стабильные ядра крайне редки.

Если вы возьмёте Z протонов и N нейтронов и попробуете сделать из них ядро, то для большей части вариантов Z и N у вас ничего не получится. Большинство таких ядер мгновенно распадутся, они вообще не сформируются. Грубо говоря, сила притяжения между Z протонами и N нейтронами сильнее всего тогда, когда Z примерно равно N. С другой стороны, протоны отталкиваются друг от друга из-за электромагнитного взаимодействия. Эта сила увеличивается при увеличении Z. Соревнование двух этих эффектов предполагает, что ядро скорее всего будет стабильным, когда Z немного меньше N; и чем больше Z и N, тем больше должна быть разница между Z и N. Это видно на рис. 8. Стабильны только ядра, отмеченные чёрным; они располагаются в том, что поэтически называют «долиной стабильности».

А что за ядра, обозначенные цветом? Оказывается, что существует довольно много ядер, которые всё-таки распадаются, но могут жить довольно долго. Часто мы зовём такие объекты «нестабильными», а те, что живут достаточно долго – «метастабильными». Использование слов зависит от контекста. Нейтрон живёт 15 минут. Есть ядра, живущие несколько миллисекунд, дней, десятилетий, тысячелетий и даже миллиардов лет. Эти ядра мы называем радиоактивными; это опасные последствия случаев с участием радиации или оружия, и инструменты, используемые в детекторах дыма и для борьбы с раком, в числе прочего.

Есть куча способов, которыми эти ядра могут распасться, но некоторые из них распадаются, превращая нейтрон в протон внутри ядра. Мы знаем об этом по увеличению заряда ядра и по тому, что из него вылетает электрон вместе с антинейтрино. Другие даже могут распадаться, превращая протон в нейтрон! Мы знаем об этом, потому что заряд ядра уменьшается, и из него вылетает позитрон (антиэлектрон). Подсчётами того, сколько сможет прожить определённое ядро и как оно распадётся, занимается очень сложная ядерная физика – здесь курс по ней я давать не буду (да я и не эксперт).

Рис. 8

Достаточно сказать, что отрицательная энергия взаимодействия частиц, скомбинированная с сохранением энергии, может менять всю игру, делая невозможными определённые процессы, возможные в обычных условиях – и наоборот.

• нейтрон
• атомные ядра
• распад частиц
• Matt Strassler

• Научно-популярное
• Физика

Протоны и нейтроны: столпотворение внутри материи

В центре каждого атома находится ядро, крохотный набор частиц под названием протоны и нейтроны. В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, состоящих из частиц ещё мельче размером – кварков, глюонов и антикварков. (Глюоны, как и фотоны, являются античастицами сами себе). Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть по-настоящему элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-то мельче размером). Но к ним позже.

Как ни удивительно, у протонов и нейтронов масса почти одинаковая – с точностью до процента:

• 0,93827 ГэВ/с 2 у протона,
• 0,93957 ГэВ/с 2 у нейтрона.

Поскольку они так похожи, и поскольку из этих частиц состоят ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.

Протоны идентифицировали и описали примерно в 1920 году (хотя открыты они были раньше; ядро атома водорода – это просто отдельный протон), а нейтроны нашли где-то в 1933-м. То, что протоны и нейтроны так похожи друг на друга, поняли почти сразу. Но то, что у них есть измеримый размер, сравнимый с размером ядра (примерно в 100 000 раз меньше атома по радиусу), не знали до 1954-го. То, что они состоит из кварков, антикварков и глюонов, постепенно понимали с середины 1960-х до середины 1970-х. К концу 70-х и началу 80-х наше понимание протонов, нейтронов, и того, из чего они состоят, по большей части устаканилось, и с тех пор остаётся неизменным.

Нуклоны описать гораздо труднее, чем атомы или ядра. Не сказать, что атомы в принципе простые, но по крайней мере, можно сказать, не раздумывая, что атом гелия состоит из двух электронов, находящихся на орбите вокруг крохотного ядра гелия; а ядро гелия – достаточно простая группа из двух нейтронов и двух протонов. А вот с нуклонами всё уже не так просто. Я уже писал в статье «Что такое протон, и что у него внутри?», что атом похож на элегантный менуэт, а нуклон – на дикую вечеринку.

Сложность протона и нейтрона, судя по всему, всамделишные, и не проистекают из неполных физических знаний. У нас есть уравнения, используемые для описания кварков, антикварков и глюонов, а также сильных ядерных взаимодействий, происходящих между ними. Эти уравнения называются КХД, от «квантовая хромодинамика». Точность уравнений можно проверять различными способами, включая измерение количества появляющихся на Большом адронном коллайдере частиц. Подставляя уравнения КХД в компьютер и запуская вычисления свойств протонов и нейтронов, и других сходных частиц (с общим названием «адроны»), мы получаем предсказания свойств этих частиц, хорошо приближающиеся к наблюдениям, сделанным в реальном мире. Поэтому у нас есть основания полагать, что уравнения КХД не врут, и что наше знание протона и нейтрона основано на верных уравнениях. Но просто иметь правильные уравнения недостаточно, ибо:

• У простых уравнений могут оказаться очень сложные решения,
• Иногда невозможно описать сложные решения простым способом.

Из-за внутренней сложности нуклонов вам, читатель, придётся сделать выбор: как много вы хотите узнать по поводу описанной сложности? Неважно, как далеко вы зайдёте, удовлетворения это вам, скорее всего, не принесёт: чем больше вы будете узнавать, тем понятнее вам будет становиться тема, но итоговый ответ останется тем же – протон и нейтрон очень сложны. Я могу предложить вам три уровня понимания, с увеличением детализации; вы же можете остановиться после любого уровня и перейти на другие темы, или можете погружаться до последнего. По поводу каждого уровня возникают вопросы, ответы на которые я могу частично дать в следующем, но новые ответы вызывают новые вопросы. В итоге – как я делаю в профессиональных обсуждениях с коллегами и продвинутыми студентами – я могу лишь отослать вас к данным полученным в реальных экспериментах, к различным влиятельным теоретическим аргументам, и компьютерным симуляциям.

Первый уровень понимания

Из чего состоят протоны и нейтроны?

Рис. 1: чрезмерно упрощённая версия протонов, состоящих только из двух верхних кварков и одного нижнего, и нейтронов, состоящих только из двух нижних кварков и одного верхнего

Чтобы упростить дело, во многих книгах, статьях и на сайтах указано, что протоны состоят из трёх кварков (двух верхних и одно нижнего) и рисуют нечто вроде рис. 1. Нейтрон такой же, только состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые учёные, в основном в 1960-х. Но вскоре стало понятно, что эта точка зрения чрезмерно упрощена до такой степени, что уже не является корректной.

Из более искушённых источников информации вы узнаете, что протоны состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), удерживаемых вместе глюонами – и там может появиться картинка, похожая на рис. 2, где глюоны нарисованы в виде пружинок или ниток, удерживающих кварки. Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними.

Рис. 2: улучшение рис. 1 за счёт акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне

Не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он делает акцент на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счёт глюонов (точно так же, как с электромагнитным взаимодействием связан фотон, частица, из которых состоит свет). Но это тоже сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают.

Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я делал в других статьях: протон состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном это верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных). Все они летают туда и сюда с очень большой скоростью (приближаясь к скорости света); весь этот набор удерживается при помощи сильного ядерного взаимодействия. Я продемонстрировал это на рис. 3. Нейтроны опять такие же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; изменивший принадлежность кварк указан стрелкой.

Рис. 3: более реалистичное, хотя всё равно неидеальное изображение протонов и нейтронов

Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся туда-сюда, но и сталкиваются друг с другом, и превращаются друг в друга через такие процессы, как аннигиляция частиц (в которой кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или наоборот) или поглощение и испускание глюона (в котором могут столкнуться кварк и глюон и породить кварк и два глюона, или наоборот).

Что у этих трёх описаний общего:

• Два верхних кварка и нижний кварк (плюс что-то ещё) у протона.
• Один верхний кварк и два нижних кварка (плюс ещё что-то) у нейтрона.
• «Ещё что-то» у нейтронов совпадает с «ещё чем-то» у протонов. То есть, у нуклонов «ещё что-то» одинаковое.
• Небольшая разница в массе у протона и нейтрона появляется из-за разницы масс нижнего кварка и верхнего кварка.

• у верхних кварков электрический заряд равен 2/3 e (где e – заряд протона, -e – заряд электрона),
• у нижних кварков заряд равен -1/3e,
• у глюонов заряд 0,
• у любого кварка и соответствующего ему антикварка общий заряд равен 0 (к примеру, у антинижнего кварка заряд +1/3e, так что у нижнего кварка и нижнего антикварка заряд будет –1/3 e +1/3 e = 0),

• общий электрический заряд протона 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• общий электрический заряд нейтрона 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

• сколько «ещё чего-то» внутри нуклона,
• что оно там делает,
• откуда берутся масса и энергия массы (E = mc 2 , энергия, присутствующая там, даже когда частица покоится) нуклона.

Рис. 1 говорит о том, что кварки, по сути, представляют собой треть нуклона – примерно так, как протон или нейтрон представляют четверть ядра гелия или 1/12 ядра углерода. Если бы этот рисунок был правдив, кварки в нуклоне двигались бы относительно медленно (со скоростями гораздо меньшими световой) с относительно слабыми взаимодействиями, действующими между ними (хотя и при наличии некоей мощной силы, удерживающей их на месте). Масса кварка, верхнего и нижнего, составляла бы тогда порядка 0,3 ГэВ/с 2 , примерно треть массы протона. Но это простое изображение и навязываемые им идеи просто неверны.

Рис. 3. даёт совершенно другое представление о протоне, как о котле частиц, снующих в нём со скоростями, близкими к световой. Эти частицы сталкиваются друг с другом, и в этих столкновениях некоторые из них аннигилируют, а другие создаются на их месте. Глюоны не имеют массы, массы верхних кварков составляют порядка 0,004 ГэВ/с 2 , а нижних – порядка 0,008 ГэВ/с 2 — в сотни раз меньше протона. Откуда берётся энергия массы протона, вопрос сложный: часть её идёт от энергии массы кварков и антикварков, часть – от энергии движения кварков, антикварков и глюонов, а часть (возможно, положительная, возможно, отрицательная) из энергии, хранящейся в сильном ядерном взаимодействии, удерживающем кварки, антикварки и глюоны вместе.

В некотором смысле рис. 2 пытается устранить разницу между рис. 1 и рис. 3. Он упрощает рис. 3, удаляя множество пар кварк-антикварк, которые, в принципе, можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно возникают и исчезают, и не являются необходимыми. Но она производит впечатление того, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны. И она не объясняет, откуда берётся масса протона.

У рис. 1 есть другой недостаток, кроме узких рамок протона и нейтрона. Она не объясняет некоторые свойства других адронов, к примеру, пиона и ро-мезона. Те же проблемы есть и у рис. 2.

Эти ограничения и привели к тому, что своим студентам и на моём сайте, я даю картинку с рис. 3. Но хочу предупредить, что и у неё есть множество ограничений, которые я рассмотрю позже.

Стоит отметить, что чрезвычайную сложность строения, подразумеваемая рис. 3, стоило ожидать от объекта, который удерживает вместе такая мощная сила, как сильное ядерное взаимодействие. И ещё одно: три кварка (два верхних и один нижний у протона), не являющиеся частью группы пар кварков-антикварков, часто называют «валентными кварками», а пары кварков-антикварков – «морем кварковых пар». Такой язык во многих случаях технически удобен. Но он даёт ложное впечатление того, что если бы вы смогли заглянуть внутрь протона, и посмотрели на определённый кварк, вы сразу смогли бы сказать, является ли он частью моря или валентным. Этого сделать нельзя, такого способа просто нет.

Масса протона и масса нейтрона

Поскольку массы протона и нейтрона так похожи, и поскольку протон и нейтрон отличаются только заменой верхнего кварка нижним, кажется вероятным, что их массы обеспечиваются одним и тем же способом, исходят из одного источника, и их разница заключается в небольшом отличии между верхним и нижним кварками. Но три приведённых рисунка говорят о наличии трёх очень разных взглядов на происхождение массы протона.

Рис. 1 говорит о том, что верхний и нижний кварки просто составляют по 1/3 от массы протона и нейтрона: порядка 0,313 ГэВ/с 2 , или из-за энергии, необходимой для удержания кварков в протоне. И поскольку разница между массами протона и нейтрона составляет долю процента, разница между массами верхнего и нижнего кварка тоже должна составлять долю процента.

Рис. 2 менее понятен. Какая часть массы протона существует благодаря глюонам? Но, в принципе, из рисунка следует, что большая часть массы протона всё равно происходит от массы кварков, как на рис. 1.

Рис. 3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле появляется масса протона (как мы можем проверить напрямую через компьютерные вычисления протона, и не напрямую с использованием других математических методов). Он сильно отличается от идей, представленных на рис. 1 и 2, и оказывается не таким простым.

Чтобы понять, как это работает, нужно думать не в терминах массы m протона, но в терминах его энергии массы E = mc 2 , энергии, связанной с массой. Концептуально правильным вопросом будет не «откуда взялась масса протона m», после которого вы можете подсчитать E, умножив m на c 2 , а наоборот: «откуда берётся энергия массы протона E», после которого можно подсчитать массу m, разделив E на c 2 .

Полезно классифицировать взносы в энергию массы протона по трём группам:

А) Энергия массы (энергия покоя) содержащихся в нём кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не делают).
Б) Энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
В) Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), хранящаяся в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающих протон.

Рис. 3 говорит о том, что частицы внутри протона двигаются с большой скоростью, и что в нём полно безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше А). Обычно, в большинстве физических систем Б) и В) оказываются сравнимыми, при этом В) часто отрицательно. Так что энергия массы протона (и нейтрона) в основном получается из комбинации Б) и В), а А) вносит малую долю. Поэтому массы протона и нейтрона появляются в основном не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, порождающими силы, удерживающие протон. В большинстве других знакомых нам систем баланс энергий распределён по-другому. К примеру, в атомах и в Солнечной системе доминирует А), а Б) и В) получаются гораздо меньше, и сравнимы по величине.

Подводя итоги, укажем, что:

• Рис. 1 предполагает, что энергия массы протона происходит из вклада А).
• Рис. 2 предполагает, что важны оба вклада А) и В), и немного своей доли вносит Б).
• Рис. 3 предполагает, что важны Б) и В), а вклад А) оказывается незначительным.

Если рис. 3 не врёт, массы кварка и антикварка очень малы. Какие они на самом деле? Масса верхнего кварка (как и антикварка) не превышает 0,005 ГэВ/с 2 , что гораздо меньше, чем 0,313 ГэВ/с 2 , который следует из рис. 1. (Массу верхнего кварка тяжело измерить, и это значение меняется из-за тонких эффектов, так что она может оказаться гораздо меньшей, чем 0,005 ГэВ/с 2 ). Масса нижнего кварка примерно на 0,004 ГэВ/с 2 больше массы верхнего. Это значит, что масса любого кварка или антикварка не превышает одного процента массы протона.

Обратите внимание, что это означает (противореча рис. 1), что отношение массы нижнего кварка к верхнему не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего. Причина того, что массы нейтрона и протона так похожи, не в том, что похожи массы верхнего и нижнего кварков, а в том, что массы верхнего и нижнего кварков очень малы – и разница между ними мала, по отношению к массам протона и нейтрона. Вспомните, что для превращения протона в нейтрон, вам нужно просто заменить один из его верхних кварков на нижний (рис. 3). Этой замены достаточно для того, чтобы сделать нейтрон немного тяжелее протона, и поменять его заряд с +е на 0.

Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, и постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи – энергия сохраняется в любом столкновении. Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов может меняться, как и энергия их взаимодействия, но общая энергия протона не меняется, хотя всё внутри него постоянно меняется. Так что масса протона остаётся постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.

На этом моменте можно остановиться и впитать полученную информацию. Поразительно! Практически вся масса, содержащаяся в обычной материи, происходит из массы нуклонов в атомах. И большая часть этой массы происходит из хаоса, присущего протону и нейтрону – из энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, и из энергии работы сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон в целом состоянии. Да: наша планета, наши тела, наше дыхание являются результатом такого тихого, и, до недавнего времени, невообразимого столпотворения.

• Научно-популярное
• Физика

Что можно сказать о массе нейтрона

Материалы сайта Нобелевского комитета http://www.nobel.se/physics/educational/matter/
Перевод А. А. Богуславского

Оглавление

1. Структура материи
2. Революционные идеи
3. Вопрос, оставшийся без ответа
4. Научные приборы
5. Спин: свойство частиц
6. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса
   Сохранение момента импульса
7. Классификация частиц
8. Другая характеристика….Странность
9. Появляется кварк
10. Дробный заряд и ненаблюдаемость кварков
11. Цветной заряд
12. Кварки удерживаются вместе или «кварки находятся в заключении»
13. Масса, частицы и кварки
14. Носитель ядерной силы
15. Можно ли увидеть кварки?
16. Что можно сказать о дробных зарядах?
17. Даже кварки распадаются
18. Пропавшее очарование
19. Еще кварки?
20. Возможности Стандартной модели
21. Открытие топ-кварка
22. Фундаментальны ли кварки?

1. Структура материи

2. Революционные идеи

В науке есть периоды, когда дальнейший прогресс может быть достигнут только на основе революционных идей.

Николай Коперник сделал именно такой шаг в неизвестность, когда предположил, что Солнце является центром Солнечной системы.

Альберт Эйнштейн (Нобелевская премия по физике, 1921 г.) совершил такой же шаг, когда поведал миру о том, что скорость света не может быть превышена, и опубликовал свою теорию относительности.

Кварки также требовали революции в мышлении.

3. Вопрос, оставшийся без ответа

К 1930 году представление об атомах достигло критической стадии. Считалось, что атомы состоят из ядер, содержащих протоны и нейтроны (Джеймс Чэдвик, Нобелевская премия по физике, 1935 г.), и внешнего облака электронов (Джозеф Джон Томсон, Нобелевская премия по физике, 1906 г.). Считалось, что эти три частицы являются фундаментальными составляющими всей материи.

Но оставался вопрос: как внутри ядра удерживаются вместе все протоны, которые отталкиваются друг от друга? Почему ядро стабильно?

Эти вопросы привели к экспериментам на ускорителях заряженных частиц для изучения взаимодействия нейтронов и протонов. Но, помимо ответов на поставленные вопросы, в этих экспериментах было обнаружено много других типов частиц. Это породило в свою очередь большое число новых вопросов, которые в конечном итоге привели к совершенно новому пониманию фундаментальной структуры ядра.

4. Научные приборы

Такие приборы, как пузырьковые камеры (Дональд Глазер, Нобелевская премия по физике, 1960 г.) играли решающую роль в разработке нового взгляда на строение материи. Принцип работы пузырьковой камеры состоит в том, что, когда вы направляете заряженные частицы в жидкость, которая нагрета выше ее температуры кипения (перегретая жидкость), за пролетающей частицей остается след (трек) в виде пузырьков. В камере легко зарегистрировать треки частиц и затем рассчитать такие важные характеристики, как заряд и массу частиц.

С помощью таких регистрирующих приборов были открыты многие новые частицы. Перед физиками был поставлен вопрос: «Как эти частицы связаны с протонами, нейтронами и электронами?».

5. Спин: свойство частиц

С помощью пузырьковой камеры и других приборов были открыты сотни новых частиц (Луис Альварес, Нобелевская премия по физике, 1968 г.). Существование трех фундаментальных частиц материи казалось правдоподобным, но сотен? Все это напоминало мозаику, потому что предполагается, что природа устроена просто и элегантно, а не сложно и уродливо.

Пытаясь разгадать эту простоту природы, физики начали классифицировать все частицы в соответствии с их характеристиками (свойствами). Одной из таких характеристик был спин.

Спин – значение углового момента (момента импульса), которым обладают все частицы. Например, если волчок вращается, то он имеет определенный момент импульса. Чем быстрее вращается волчок, тем больше момент импульса. Физики обнаружили, что эта идея справедлива и для частиц, но спин частицы – ее внутренняя, неизменяемая характеристика. Например, электрон имеет и всегда будет иметь спин, равный 1/2 ħ.

В квантовых теориях момент импульса измеряется в единицах ħ = h/2π = 1,05×10 -34 Дж·с (Макс Планк, Нобелевская премия по физике, 1918 г.).

(Дж·с произносится как Джоуль-секунда, а ħ = «аш с чертой»

6. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса

Общий момент импульса, связанный со спином и вращательным движением, является полезной величиной, поскольку эта величина всегда остается постоянной. В ускорителе при соударении частиц возникают другие частицы. Но суммарный момент импульса остается постоянным до столкновения, во время столкновения и после столкновения. Значение углового момента всегда должно быть одни и тем же.

Сохранение момента импульса

Но куда делся момент импульса? Момент импульса не сохраняется?

Момент импульса тем не менее остается постоянным, но изменяет свою форму. Сначала он был в виде спина, а теперь в форме вращательного момента импульса.

Подобно тому, как Земля и Луна, эти частицы имеют момент импульса из-за движения относительно точки столкновения.

7. Классификация частиц

Большинство вновь открытых частиц относится к известному классу частиц, которые называются адронами. Адроны были классифицированы либо как мезоны с полуцелым значением спина, либо как барионы с целым значением спина.

8. Другая характеристика….Странность

Мюррей Гелл-Манн, Нобелевская премия по физике, 1969 г.

Позже была открыта другая важная характеристика. При столкновениях частиц с высокими энергиями было обнаружено рождение большого количества частиц, которые получили название К-мезоны. Но обнаружилось нечто странное с этими частицами. Наблюдение показало, что имеют достаточно большое время жизни. Можно предположить существование некоторого закона, который запрещает К-мезонам распадаться на другие частицы.

Мюррей Гелл-Манн (Нобелевская премия по физике, 1969 г.) предположил, что К-мезоны и некоторые другие частицы имеют неизвестное ранее свойство (характеристику), которое получило название «странность». Затем он идентифицировал эти свойства и модели как часть некоторой математической классификационной схемы.

Однако, эта схема казалась не вполне работающей. Схема предсказывала существование еще не обнаруженной частицы – Ω — (омега-минус). Но это не остановило физиков. Вскоре они обнаружили частицу с массой, которая была предсказана Гелл-Манном. Это и подтвердило всю модель классификации частиц, которая была им создана.

9. Появляется кварк

Для того чтобы избежать «зоопарка частиц», следующим шагом было выяснение того, могут ли эти модели объясняться, если постулировать, что барионы и мезоны состоят из других частиц. Эти частицы были названы кварками.

Мюррей Гелл-Манн и Георг Цвейг предположили, что барионы – это частицы, состоящие из трех кварков (qqq), а мезоны – частицы, состоящие из кварка и антикварка ( q ) .

(up-кварк (верхний кварк) обозначается буквой u, down-кварк (нижний кварк) — буквой d. Слова up и down – просто имена кварков и никакого отношения к понятию «верх» или «низ» не имеют).

10. Дробный заряд и ненаблюдаемость кварков

Перед Гелл-Манном и Цвейгом стояли две другие серьезные проблемы, которые нужно было разрешить до принятия их теории. Во-первых, кварки не наблюдались, и никто не мог объяснить этот факт. Во-вторых, можно было предположить различные комбинации кварков, но эти другие комбинации никогда не были обнаружены экспериментально.

11. Цветной заряд

Гелл-Манн и другие исследователи полагали, что ответ лежит в природе сил, связывающих кварки. Эта сила называется «ядерной» и является мерой «сильного» взаимодействия, и новые заряды, которые чувствительны к ядерным силам, были названы «цветными» зарядами, хотя к обычному цвету это не имеют никакого отношения. Ученые предположили, что кварки имеют три цветовых заряда. Этот тип заряда был назван «цветом», т.к. некоторые комбинации цветов кварков будут «нейтральными» по аналогии с комбинацией обычных цветов, которые могут дать белый, т.е. нейтральный цвет.

12. Кварки удерживаются вместе или «кварки находятся в заключении»

Почему возникают только частицы с нейтральным цветом?

Что произойдет, если кварк испытает сильное соударение и примет участие в ядерных реакциях, обусловленных ядерным взаимодействием.

Что произойдет, если попытаться разделить два кварка?

Если кварк каким-либо образом сдвинуть от его соседа, то энергия поля ядерной силы будет увеличиваться.

Подобно тому, как при растяжении резиновой ленты, по мере удаления кварков друг от друга все большее количество энергии будет преобразовываться в энергию поля ядерного взаимодействия.

Если энергия поля достигнет определенного значения, произойдет преобразование энергии в новую пару кварк/антикварк – .

Энергия поля сохранится из-за преобразования энергии поля в массу новых кварков.

Кроме того, поле ядерной силы вернется в исходное состояние.

13. Масса, частицы и кварки

Для протона, только 1,3% его массы определяется массой трех кварков. Это сильно отличается от ядер, масса которого меньше массы составляющих его нуклонов.

Поскольку кварки в протоне или нейтроне имеют очень большую кинетическую энергию, то как они связаны вместе? Почему они не могут вылететь из протона? Так как ядерная сила (в отличие от гравитационной) остается постоянной, то для удаления кварка нужно совершить бесконечно большую работу (работа = сила  расстояние). Поэтому кварк никогда нельзя увидеть свободным.

Это была революционная идея.

14. Носитель ядерной силы

Хидеки Юкава (Нобелевская премия по физике, 1949 г.) предположил, что ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами в ядре возникает из-за обмена пи-мезонами (пи-мезон состоит из кварка и анти-кварка). Но, с более современной точки зрения остается проблема. Ядерная сила действует только между частицами с цветным зарядом, а протоны и нейтроны имеют нейтральный цветовой заряд.

15. Можно ли увидеть кварки?

«Смотрим» внутрь протона.

Используя электроны, ускоренные до высоких энергий, физики смогли «увидеть» кварки внутри протона.

16. Что можно сказать о дробных зарядах?

17. Даже кварки распадаются

Нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино. Но, как предположили физики, так как нейтрон состоит из кварков, одного верхнего и двух нижних кварков, то сам нейтрон распадаться не может. Физики предположили, что распадается один из кварков.

Итак кварки «пролили» свет на действительную природу взаимодействия частиц, которую раньше считалось невозможно объяснить.

Как только виртуальная W-частица отталкивается от протона, она преобразуется в электрон и антинейтрино.

Наконец, протон, электрон и антинейтрино удаляются друг от друга.

В действительности весь процесс длится миллиардную долю миллиардной доли секунды, т.е. 10 -18 с.

18. Пропавшее очарование

Однако трех кварков оказалось недостаточно. Математическая теория, которая лежит в основе Стандартной модели, предсказывает существование четвертого кварка, получившего название очарованный кварк (charm). Однако, ни одной частицы, содержащий такой кварк, не было обнаружено.

19. Еще кварки?

Физики ожидали, что скоро будет найден недостающий кварк с зарядом +2/3. К сожалению, прошло почти 20 лет, прежде, чем был открыт подходящий кварк.

20. Возможности Стандартной модели

Используя методику расчета, разработанную Джерардусом Хофтом (Gerardus’t Hooft) и Мартинусом Дж. Г. Вельтманом (Martinus J. G. Veltman) (Нобелевская премия по физике, 1999 г.), физики смогли рассчитать косвенные эффекты влияния top-кварка (t-кварка) на их экспериментальные измерения. Они обнаружили, что t-кварк должен быть много массивней других кварков, примерно в 20-30 раз массивней самого из массивных известных кварков – b-кварка.

Эти методы были важны не только для оценок массы t-кварка, но они дали ключ к пониманию полной структуры и непротиворечивости Стандартной модели. До работы Хофта и Вельтмана в 1971 и 1972 гг. никто не знал, как можно проводить расчеты на основе Стандартной модели, получая не только приблизительные ответы.

21. Открытие топ-кварка

Открытие	Нобелевская премия	Лауреаты
Беватрон начал работать в 1954 г., и в 1955 г. был открыт антипротон.	1959	Э. Сегре		О. Чемберлен
В 1969 г. была открыта внутренняя структура нуклонов (протонов и нейтронов) на ускорителе в Стенфорде – SLAC.	1990	Дж. Фридман	Г. Кендалл		Р. Тейлор
Открытие J/Ψ-частицы, построенной из очарованных кварков, в Брук-Хэвене и SLAC в 1974 г.	1976
В 1976 г. в SLAC был открыт тау-лептон.	1995	М. Перл
В 1983 г. были открыты W и Z-частицы на ускорите на встречных пучках (протон-антипротонном коллайдере).	1984	К. Руббиа		Ван дер Меер
В 1995 г. объявлено о первом прямом доказательстве на Теватроне в Ферми-лаборатории существования top-кварка.

22. Фундаментальны ли кварки?

Пока изучение этих столкновений устанавливает, что кварк является фундаментальной частицей до крошечного масштаба 10 -19 м.

Но никто не знает, действительно ли кварки являются фундаментальными частицами. Только будущие исследования на новых ускорителях встречных пучков высокой энергии – коллайдерах помогут открыть этот секрет Природы.