Ah, ich kenne dieses!

Was ist in einem Proton?

Ein Proton besteht wirklich aus Anregungen in Quantenfeldern (ähnlich) lokalisierte Wellen). Erinnere dich daran. Jedes Mal, wenn Sie eine andere Beschreibung der Zusammensetzung eines Protons hören, ist dies nur eine Annäherung an das Verhalten von Quantenfeldern in Bezug auf etwas, mit dem Menschen wahrscheinlich besser vertraut sind. Wir müssen dies tun, weil sich Quantenfelder sehr nicht intuitiv verhalten. Wenn Sie also nicht mit der vollständigen mathematischen Maschinerie von QCD (was schwierig ist) arbeiten, müssen Sie eine Art vereinfachtes Modell erstellen als Analogie zu verwenden.

Eines der verwirrendsten Dinge bei Quantenfeldanregungen ist, dass sie je nach Beobachtung unterschiedlich reagieren. Insbesondere besteht die einzige Möglichkeit, die Eigenschaften einer Anregung in einem Quantenfeld zu messen, darin, sie mit einer anderen Anregung interagieren zu lassen und zu sehen, wie sich die Anregungen gegenseitig beeinflussen. Oder in der Partikelsprache müssen Sie das Partikel mit einem anderen Partikel (der "Sonde") treffen und sehen, was herauskommt. Abhängig von Ladung, Energie, Impuls und anderen Eigenschaften der Sonde können Sie verschiedene Ergebnisse erzielen.

Menschen tun dies seit Jahrzehnten und haben die Ergebnisse zu einigen allgemeinen Schlussfolgerungen zusammengefasst. Beispielsweise wirkt ein Proton bei einer langsamen Kollision mit sehr wenig Energie wie ein Einzelpunktteilchen. Wenn wir den Teilchen etwas mehr Energie geben, sieht das Proton eher wie ein Klumpen mit drei Punkten aus - dies ist ein Teil dessen, warum oft gesagt wird, dass das Proton aus drei Quarks besteht. (Der Grund, warum Sie Bilder wie das auf Wikipedia gefundene sehen, ist übrigens, dass Menschen lange Zeit Protonen bei den Zwischenenergien kollidierten, wo sie sich wie eine Gruppe von drei Quarks zu verhalten scheinen.) Wenn wir die kollidierenden Teilchen gleichmäßig geben Mit immer mehr Energie scheint das Proton eine immer dichtere Verschmelzung aller Arten von Teilchen zu sein: Quarks, Antiquarks, Gluonen, Photonen, Elektronen und alles andere. Wir nennen diese Teilchen Partons (weil sie Teil des Protons sind).

Das folgende Diagramm zeigt repräsentative Beispiele für die effektive Zusammensetzung des Protons in verschiedenen Arten von Kollisionen. Die vertikale Achse entspricht im Wesentlichen der Kollisionsenergie, und die horizontale Achse entspricht dem "Auflösungsvermögen" des einfallenden Partikels ("Sonde"). (Das Auflösungsvermögen ist im Grunde genommen ein transversaler Impuls, aber ich kann nicht erklären, wie diese Verbindung funktioniert, ohne näher auf die Quantenmechanik einzugehen, als ich für notwendig halte.) Der Inhalt jedes Kreises repräsentiert ungefähr einen Beispiel-Schnappschuss davon, wie der Proton verhält sich bei einer Kollision mit der entsprechenden Energie und dem entsprechenden Auflösungsvermögen. Die genauen Zahlen, Positionen und Farben der Punkte sind nicht signifikant (außer unten links). Beachten Sie nur, wie sie größer oder kleiner und mehr oder weniger zahlreich werden, wenn Sie sich im Diagramm bewegen.

Wenn Sie beispielsweise ein Proton mit einem Strahl energiereicher Sonden (oben) mit schwachem Auflösungsvermögen (links) treffen, verhält es sich wie eine dichte Ansammlung von Partonen (Quarks und Gluonen usw.) das ist ziemlich groß. Oder wenn Sie das Proton mit einem Strahl energiearmer Sonden (unten) mit hohem Auflösungsvermögen (rechts) treffen, verhält es sich wie eine spärliche Gruppe von Partonen, von denen jede klein ist. Wenn Sie es mit einem Strahl von Sonden mit niedriger Energie (unten) und niedrigem Auflösungsvermögen (links) treffen, verhält es sich wie eine Ansammlung von drei Teilchen.

Physiker beschreiben diese scheinbar sich ändernde Zusammensetzung mit Parton Verteilungsfunktionen (PDFs), oft als $ f (x, Q ^ 2) $ span> bezeichnet. Unter bestimmten nicht allzu verrückten Annahmen kann $ f (x, Q ^ 2) $ span> als die Wahrscheinlichkeitsdichte der Sonde interpretiert werden, die mit einem bestimmten Partontyp interagiert mit einem bestimmten Schwung. Visuell bezieht sich $ f (x, Q ^ 2) $ span> auf die Anzahl der Partikel im Kreis am entsprechenden $ (x, Q) $ span> Punkt auf dem Plot (obwohl die genauen Zahlen nicht so gewählt werden, dass sie die Realität genau widerspiegeln). Für weitere Informationen zu Parton-Distributionen verweise ich Sie auf meine Antwort und die darin genannten Ressourcen sowie diese.

Was ist? der graue Bereich?

Im vorhergehenden Bild habe ich jeden Schnappschuss des Protons als eine Reihe von Partonen (Quarks und Gluonen usw.) angezeigt, die gleichmäßig innerhalb eines Kreises verteilt sind, als ob das Proton eine bestimmte Kante und hat Es gibt nichts außerhalb dieser Kante. In Wirklichkeit ist das jedoch nicht der Fall. Die Quantenfelder, aus denen ein Proton allmählich besteht, verschwinden auf Null, wenn Sie sich weiter vom Zentrum entfernen, wodurch das Proton eine unscharfe Kante erhält. Ein (etwas) genauerer Beispielschnappschuss würde also ungefähr so ​​aussehen:

Beachten Sie, dass sich in der Nähe der Mitte des Protons mehr Punkte befinden und zunehmend weniger, wenn Sie sich dem Rand nähern. Dies stellt die Tatsache dar, dass eine Sonde, die auf einen Protonentotpunkt trifft, eher interagiert als eine Sonde, die nahe der Kante auf sie trifft.

Die gewöhnlichen Partonverteilungen, die ich oben erwähnt habe, $ f (x, Q ^ 2) $ span> sind Teil eines vereinfachten Modells, in dem wir diese Tatsache ignorieren und so tun, als wären Partons gleichmäßig im Raum verteilt. Wir können jedoch ein komplizierteres Modell erstellen, bei dem die Tatsache berücksichtigt, dass Partonen in Richtung der Mitte des Protons verklumpt sind. In einem solchen Modell erhalten Sie anstelle regulärer Parton-Verteilungen kompliziertere Funktionen, die als Impact-Parameter-abhängige Parton-Verteilungen bezeichnet werden und mit $ f (x, Q bezeichnet werden ^ 2, b) $ span>, wobei $ b $ span> der radiale Abstand von der Mitte ist, auf die die Sonde trifft - der Aufprallparameter.

Es gibt einige theoretische Studien, die zeigen, dass diese von den Einflussparametern abhängigen Partonverteilungen allmählich nachlassen, wenn Sie zu großen Radien gehen. Siehe zum Beispiel Abbildung 5 von diesem Artikel ( arXiv) oder Abbildung 7 in diesem ( arXiv):

Hier ist $ N (y) $ span> eine Menge, die sich auf bezieht die Partonverteilungen (insbesondere die Farbdipolstreuungsamplitude), die die vielen verschiedenen Partonverteilungen zu einer Größe "kondensieren". (Riesige Vereinfachung, aber dafür ist es gut genug.) Sie können dann die räumliche Ausdehnung des Protons als den Bereich definieren, in dem $ N (y) $ span> oben liegt. sagen wir 5% seines Maximalwertes. Oder 10%. Oder 50%. Die genaue Zahl ist etwas willkürlich, aber der Punkt ist, dass Sie unabhängig von der gewählten Zahl einen Kreis erhalten, der den Bereich umfasst, in dem die Partonverteilungsfunktion groß ist, und zwar ungefähr so:

Dies ist ungefähr das, was der graue Kreis im Bild von Wikipedia darstellt. Es ist eine Region mit einer Größe in der Größenordnung von $ 1 \ text {fm} $ span> (das ist ungefähr $ 5 \ text {GeV} ^ {- 1} $ span> in natürlichen Einheiten), wobei die Wahrscheinlichkeit, dass ein einfallendes Teilchen (eine Sonde) vom Proton streut, relativ signifikant ist. Entsprechend ist es die Region, in der die Partonverteilungen groß sind, und auch die Region, in der sich die Quantenfelder, aus denen das Proton besteht, stark von Null unterscheiden.

Wie Sie sich vorstellen können, ist dies alles ziemlich ungenau. Sie können die Größe eines Protons mithilfe des Streuquerschnitts genauer definieren. Sie können auch eine Definition ohne Streuung mit dem Ladungsradius erhalten, der mit verschiedenen anderen Methoden gemessen oder berechnet werden kann. Ich werde nicht darauf eingehen, da die Details für eine ganz andere Frage wesentlich wären, aber die Ergebnisse all dieser Methoden haben einen Radius von etwas weniger als $ 1 \ text { fm} $ span>.

Übrigens ist diese Behauptung, dass ein Proton zu 99% leer ist, unter Verwendung einer vernünftigen Definition wahrscheinlich falsch. Sie könnten an Atome denken, bei denen das Volumen, in dem das Quantenfeld des Elektrons einen nennenswerten Wert hat, viel größer ist als die Größe des Elektrons selbst, was auch immer es sein mag. Die Leute vereinfachen das manchmal, um zu sagen, dass das Atom aus einem großen Teil des leeren Raums besteht. Aber mit einem Proton kann man angesichts der großen Anzahl von Partikeln und der Stärke ihrer Wechselwirkungen nicht wirklich dasselbe machen.

Die Abbildung zeigt nicht die unterstrichene physische Realität. Ein Proton besteht aus 3 Quarks, nämlich $ uud $, aber es besteht auch, wie jinawee hervorhob, aus Virtuelle Quarks und Antiquarks , die ständig durch starke Kraft erzeugt und vernichtet werden, die durch Gluonen vermittelt wird, beschrieben von Quantum Chromodynamics (QCD).

Die graue Kugel auf der Wikipedia-Website zeigt die Region, in der Quarks das Proton bilden. Wenn die Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeit anzeigt, ein Teilchen in einer Region des Raums zu finden, zeigt diese Kugel die Wahrscheinlichkeit, wo Sie können Finden Sie die wesentlichen Quarks, aus denen ein Proton besteht.

Sie können ein Proton nicht als drei Quarks betrachten (Valenzquarks genannt, weil sie die Quantenzahlen bestimmen), weil virtuelle Quarks und Antiquarks ständig mit starker Kraft erzeugt und anhiliert werden. Ein Proton ist also eher wie ein Quarkmeer . Tatsächlich liefert dieser Prozess den größten Teil der Masse des Protons (die Valenzquarks machen nur 2% der Masse aus).

Es ist ungefähr so:

Die Linien, die Quarks verbinden, sind Gluonen (die Kraftträgerteilchen der starken Wechselwirkung).

Die Frage, die Sie stellen, wurde im Hinblick auf eine populäre Beschreibung beantwortet.

Das Bild der realen Physik ist nicht einfach und hängt stark von einer Reihe experimenteller Messungen vieler Experimente ab. Wenn Sie sich Abbildung 9.18 des Links ansehen, werden Sie sehen, dass sich die Zusammensetzung des Protons entsprechend der Impulsübertragung vom Sondenpartikel ändert.

Entgegen der Aussage, dass es sich hauptsächlich um leeren Raum handelt, ist dies nicht der Fall. Teilchen, die das Proton untersuchen segeln nicht unversehrt durch, sie interagieren mit den Quarks und Gluonen, aus denen es besteht, und so erhalten wir die Partonfunktionen in der Abbildung. Der Grund, warum es nicht größtenteils leer ist, ist, dass die Quantenchromodynamik im Gegensatz zu den anderen Kräften nicht mit der Entfernung abnimmt, sondern zunimmt, wodurch die Bestandteile fest gebunden sind.

Die Antwort auf "Was ist im Proton?" ist "es hängt davon ab, wie du hineinschaust". Von außen werden ihm die Quantenzahlen zugewiesen, die von den drei Valenzquarks zugewiesen wurden.

Das eigentliche Problem hierbei ist, dass sich Dinge, die wirklich sehr, sehr klein werden, nicht wie die Welt verhalten, die wir um uns herum sehen. Das kann dazu führen, dass vieles, was in dieser seltsamen Welt vor sich geht, schwer zu verstehen ist.

Das Diagramm ist irreführend. Protonen sind nicht wirklich rund, graue Flecken und Quarks sind keine wirklich kleinen Kugeln, die in ihnen sitzen. Unten auf subatomarer Ebene regiert die Quantenmechanik .

Eine der seltsamen Folgen der Quantenmechanik ist, dass wirklich winzige Dinge nicht wirklich einen einzigen Raum einnehmen. Schau dir deine Hand an. Es ist da, richtig? An einem einzigen Ort. Wenn Sie es zu einer Faust zusammenrollen, nimmt es weniger Platz ein, und wenn Sie es ausstrecken, nimmt es mehr Platz ein. Aber es ist immer an einem Ort.

Wirklich kleine Dinge funktionieren so nicht. Stattdessen besetzen sie viele Punkte im Raum gleichzeitig. Normalerweise zeichnen wir Diagramme, in denen die tatsächlichen Positionen winziger Dinge wie Wolken dargestellt werden: Sie befinden sich an vielen Orten gleichzeitig.

Quarks sind auch so. Sie werden von unglaublich starken Kräften zusammengehalten, aber sie versuchen auch, voneinander wegzukommen. Zum Beispiel, wenn Sie mit Ihren Eltern auf einer langen Fahrt in einem Auto sitzen. Was mache ich auf einer langen Fahrt mit meinen Eltern? Ich zapple. Ich konnte dir nicht sagen, wo ich sein werde - Vordersitz, Rücksitz - weil ich mich ständig bewege. Aber du weißt, ich bin irgendwo im Auto, auch wenn du mir nicht genau sagen kannst, wo.

Und so ist es bei Quarks mit einer Wendung: Sie sind wirklich in vielen verschiedene Orte gleichzeitig. Was wir wissen ist, dass sie höchstwahrscheinlich innerhalb einer Grenze bleiben: in diesem Fall dem grauen Kreis des Protons.

Bei 99% des leeren Raums ist die tatsächliche Zahl viel höher. Sehr wenig besteht tatsächlich aus Materie (wir nennen Materie-ähnliche Teilchen normalerweise "Hadronen"). Warum fallen wir nicht die ganze Zeit durch die Dinge? Warum rutscht mein Laptop nicht durch meinen Schreibtisch, wenn es meistens nichts ist? Nun, weil die Kräfte zwischen diesen winzigen Teilchen im Vergleich zu ihrer Größe (und vor allem zu ihrer Masse) enorm sind. Dies ermöglicht es ihnen, einen ausgeglichenen Abstand voneinander zu halten, und verhindert, dass etwas anderes ihnen zu nahe kommt oder zwischen die Partikel fällt. Wenn Sie einen Ball fangen, berühren sich die Partikel in Ihrer Hand und die Partikel im Ball nicht einmal annähernd, weil die Kräfte zwischen den Partikeln so stark sind. Stattdessen wird der Ball von Ihrer Hand "abgestoßen". Diese Abstoßung gleicht sich aufgrund der Schwerkraft gegen die Kraft des Balls aus, sodass der Ball dort bleibt, wo er ist.

TL; DR: Das Diagramm erklärt nach besten Kräften, wie die Dinge im sehr sehr kleinen Maßstab funktionieren. Leider ist es sehr irreführend. Der "Raum zwischen" Partikeln ist a) nicht wirklich ein Raum, sondern "Punktwolken" möglicher Partikelpositionen (es gibt einen Schluck), und b) es sind Kräfte zwischen Partikeln und nicht die Partikel selbst, die den "leeren Raum" stoppen das Proton von etwas, das man tatsächlich durchmachen könnte.

Wie einige der Antworten gezeigt haben, ist der im Bild gezeigte "graue Ball" keine physische Einheit an sich. Es hat mehr mit der klassischen Ansicht zu tun, dass subatomare Teilchen ein festes Objekt sind, obwohl dies nicht der Fall ist. Dies ist eine Darstellung des durchschnittlichen Radius des Partikels.

Wenn Sie ein Experiment zum Nachweis des Protons durchführen, besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass Sie es innerhalb der Grauzone finden, aber auch eine kleine Wahrscheinlichkeit, es außerhalb zu finden . Eine bessere Möglichkeit, dies zu zeigen, besteht darin, den Ball mit einem helleren Grauton darzustellen, wenn Sie sich von der Mitte des Partikels entfernen. Dies würde eine bessere Vorstellung davon geben, dass das Partikel kein Festkörper mit definierten Kanten ist. Wenn Sie sich von der erwarteten Position (der Mitte der Grauzone) entfernen, ist es immer weniger wahrscheinlich, dass das Proton erkannt wird.

Der Punkt ist, dass dies kein Bild eines Protons ist; Es ist eine schematische Darstellung. Sie können es als Euler-Diagramm sehen, das besagt, dass Sie im Proton 3 Valenzquarks und einige Gluonen haben.

Übrigens sind die genauen Bestandteile eines Protons noch offen.