Was ist der experimentelle Beweis dafür, dass die Nukleonen aus drei Quarks bestehen?

Was ist der experimentelle Beweis dafür, dass die Nukleonen aus drei Quarks bestehen?

Einige starke Beweise für das Quarkmodell des Protons und des Neutrons, die in keiner anderen Antwort angegeben sind, sind das magnetische Moment des Protons und das magnetische Moment des Neutrons , die mit dem Quarkmodell übereinstimmen und mit dem Magneten nicht übereinstimmen Moment, das von der Quantenelektrodynamik in einem Punktteilchenmodell vorhergesagt würde.

Was bringt es zu sagen, dass Nukleonen aus Quarks bestehen, wenn darin auch Gluonen enthalten sind?

Die Gründe dafür nennt man im Bereich der Wissenschaftskommunikation „ Lügen an Kinder “.

Komplexe Themen werden oft zunächst in einer Weise vermittelt, die die Realität zu sehr vereinfacht, um Schlüsselpunkte herauszuarbeiten.

Die Betonung der Quark-Zusammensetzung der Nukleonen bei gleichzeitiger Vernachlässigung des Gluon-Beitrags ermöglicht es, viele wichtige Schlussfolgerungen des Quark-Gluon-Modells zu erklären, darunter:

• Die Ladung aller Hadronen

• Beta-Zerfall

• Die Liste aller möglichen Baryonen und aller möglichen Pseudoskalar- und Vektormesonen

• Die vollständige Liste der Fermionen des Standardmodells

• Das magnetische Moment der Hadronen

• Tiefinelastische Streuung von Hadronen

• Eine Formel für den Hadronenspin

Die Existenz von Gluonen als Bestandteil muss nicht im Detail erklärt werden, um zu diesen Ergebnissen zu gelangen.

Während der Valenzquark-Gehalt eines Hadrons spezifisch für eine bestimmte Art von Hadron ist, ist der Gluon-Gehalt eines Hadrons für die Hadron-Taxonomie nicht nützlich.

Beachten Sie, dass das ursprüngliche SU(3)-Quarkmodell vollständig mathematisch war (The Eightfold Way) und eine hervorragende Möglichkeit darstellte, die beobachteten Spektren von Baryonen und Mesonen zu erklären. Die skurril benannten Quarks sollten keine realen Objekte darstellen.

Laut @Geoffreys Antwort war es Deep Inelastische Streuung:

$$e^-+p \rightarrow e^-+X$$

oft geschrieben:

$$e(p, X)e'$$

um anzuzeigen, dass anfängliche (bekannte) Zustände ein Elektron sind, das auf ein Proton auftrifft, und der Endzustand ein nachgewiesenes Elektron und nicht nachgewiesene Trümmer ($X$). Dies wird als "inklusive" tiefinelastische Streuung bezeichnet.

Dies wurde ursprünglich am SLAC mit einem Elektronenstrahl, einem Flüssigwasserstoff-Target und 3 Spektrometern durchgeführt, die nicht skurrilerweise 1,6-GeV-, 8-GeV- und 20-GeV-Spektrometer genannt wurden.

Die Spektrometer ermöglichten eine genaue Erfassung des Impulses und des Streuwinkels des gestreuten Elektrons (lab-frame, duh).

Mit einer wohldefinierten Strahlenergie (4-Impuls$k_{\mu}$) und gestreutes Elektron (4-Impuls$k'_{\mu}$), könnte die Wechselwirkung in Bezug auf den Austausch eines einzelnen virtuellen Photons mit 4 Impuls analysiert werden:

$$q_{\mu} = k_{\mu} - k'_{\mu}$$

und seine invariante Masse:

$$Q^2 = -||q^2|| = 4EE'\sin^2{\theta/2}$$

wobei der letztere Ausdruck im Labor für Energien gilt, die viel größer sind als$m_ec^2$.

Beachten Sie, dass die durch das Streuereignis untersuchte Längenskala ist$\hbar c /\sqrt{Q^2}$.

Auch die auf das Target übertragene Energie war ein wichtiger Parameter:

$$\nu = q_0 = E-E'$$

Aus diesen beiden Variablen kann man etwas namens Björken konstruieren.$x$:

$$x = \frac{Q^2}{2M_p\nu}$$

und dies ist die Variable, die den Schlüsselbeweis dafür lieferte, dass Quarks real sind und dass es 3 von ihnen in einem Proton gibt.

Beachten Sie, dass$0 <x \le 1$, und es stellt den Bruchteil des Protonenimpulses dar, der vom getroffenen Parton getragen wird (was auch immer sich im Proton befindet). Der Streuquerschnitt zeigt rundum einen breiten Peak$x = \frac 1 3$, was anzeigt, was getroffen wird, trägt etwa ein Drittel des Protonenimpulses. Dies wird so interpretiert, dass ein Proton grob (sehr grob) eine Tasche aus 3 nicht wechselwirkenden Teilchen ist. (Natürlich interagieren sie, um ein gebundenes Proton zu bilden, aber die Analyse erfolgt am sogenannten Lichtkegel, in dem die Streuung über einen viel kürzeren Zeitraum erfolgt als jede Wechselwirkung: Das Proton erscheint als Tasche mit 3 freien Valenzen Quarks plus Seequarks und Gluonen).

Das Streuverhalten (bei richtiger Analyse über "Strukturfunktionen") zeigte sehr wenig Abhängigkeit von$Q^2$– das heißt, es war skalenunabhängig, was darauf hindeutet, dass die Partons wir punktartig sind: Sie waren tatsächlich Quarks.

Seitdem haben ausgefeiltere Experimente das Quark-Modell nur weiterhin bestätigt. Es gibt semi-inklusive Experimente, zB:

$$e(p, X)e\pi$$

wo das gestreute Elektron zusammen mit einem Teil des Endzustands (hier ein Pion) detektiert wird. Diese Art von Reaktionen ermöglicht die Untersuchung der "Hadronisierung" oder wie sich ein getroffenes Quark (mit Farbe) in ein farbiges Singulett-Hadron verwandelt. Man kann das Seltsame Meer auch isolieren, indem man zusammenfallende Kaonen betrachtet.

Es wurden polarisierte Streuexperimente bei SLAC und DESY (mit einem polarisierten Strahl und Target) durchgeführt:

$$\vec e^{\pm}(\vec p, X)e^{\pm}$$

Bestätigung der Spin-1/2-Natur von Quarks. Schließlich gibt es exklusive Experimente (bei denen alles bekannt ist), wie zum Beispiel:

$$\gamma(D, n)p$$

bei hoher Energie, die durch Dimensionsskalierung zeigt, dass sich ein Deuteron, ein Neutron und ein Proton wie ein Beutel mit 6-Punkt-Teilchen verhalten, der zu 2 Beuteln mit 3-Punkt-Teilchen geht (was das Quark-Modell bestätigt).

Beachten Sie, dass es verschiedene Tricks (Kombination mehrerer Messungen) gibt, die die Trennung der Strukturfunktionen in Valenzquarks, Seequarks und Gluonen ermöglichen. Die Tatsache, dass sich in einem Proton unendlich viele Seequarks befinden, hat keinen wirklichen Einfluss auf die Tatsache, dass Protonen 3 Valenzquarks enthalten. Ja, QCD ist stark, so dass der größte Teil der tatsächlichen Masse eines Nukleons Energie bindet – man kann immer noch zuversichtlich sagen, dass es 3 Quarks in einem Proton gibt. Die Seequarks sind nur Quantenfluktuationen.

Ebenso gibt es in der QED Elektron-Positron-Paare innerhalb eines Wasserstoffatoms (vgl. die Lamb-Verschiebung), aber wir können ein Wasserstoffatom immer noch als gebundenes Proton und Elektron beschreiben, wenn wir diskutieren, woraus es besteht. Natürlich müssen Sie bei präzisen Berechnungen in QED (oder jeder Berechnung in QCD) auf die "Meer"-Objekte achten.

Der Prozess, der zuerst verwendet wurde, um die innere Struktur von Proton und Neutron aufzulösen, wird als tiefinelastische Streuung bezeichnet . Grundsätzlich treffen Sie das Ziel-Hadron mit genügend Energie, dass die Wellenlänge des Sondierungsteilchens kurz genug ist, um die Details der inneren Struktur des Protons oder Neutrons zu erkennen.

Sie haben Recht, wenn Sie die Idee in Frage stellen, dass ein Proton "aus drei Quarks besteht", wenn sich darin auch Gluonen befinden. Die Gluonen sind natürlich krafttragende Teilchen, die die starke Kraft vermitteln und die Quarks aneinander gebunden halten, aber weil die Gluonen selbst eine Farbladung tragen, koppeln sie stark nichtlinear. Das Ergebnis ist, dass der größte Teil der Masse eines Protons aus der Wechselwirkungsenergie der Gluonen stammt .

Als ich an der Universität war und auf meinem Dinosaurier saß, erwähnte einer meiner Professoren, dass er an einem Neutronenpolarisationssystem an einem Teilchenbeschleuniger in Chalk River arbeitete.

Ich musste fragen, wie Sie ein neutrales Teilchen mit einem Magneten polarisiert haben, während Sie immer noch in Begriffen von klassischen Teilchen und Ladungen denken. Er erklärte, dass, da es eine interne Quarkstruktur gibt, obwohl die Außenseite neutral aussieht, es genügend Asymmetrie gibt, mit der Sie arbeiten können.

Erst viel später habe ich gelesen, wie diese tatsächlich funktionieren, es gibt natürlich Komplexität, aber die Grundlagen sind da.

Zum zweiten Teil deiner Frage:

(Virtuelle) Gluonen sind Teil von Nukleonen im gleichen Sinne wie (virtuelle) Photonen Teil des gesamten Atoms sind. Sie müssen nicht darüber sprechen, weil sie in der starken bzw. elektromagnetischen Wechselwirkung enthalten sind und im Gegensatz zu den Elektronen und Protonen und Quarks unzählbar sind - das heißt, ein Protiumatom hat immer ein Elektron und ein Proton von drei Quarks, aber es gibt nicht einmal eine sinnvolle Anzahl der virtuellen Photonen und Gluonen. Denken Sie nicht an virtuelle Teilchen als "das könnte ein echtes Gluon gewesen sein, ist es aber nicht" - sie sind Anregungen in ihrem entsprechenden Quantenfeld, die nicht den Regeln für Teilchen in diesem Feld folgen.

Versuchen Sie nicht zu sehr, auf irgendetwas in der Physik eine "Ja-Nein"-Antwort zu finden - die meisten Antworten lauten eher wie "Ja, aber ...". Alles, was Sie über irgendetwas lernen, kann Hunderte von implizierten Bedingungen enthalten (ein guter Grund, warum Sie sich langsam auf soliden Grundlagen aufbauen müssen, anstatt nur zu einem zufälligen interessanten Physikthema zu springen) - kombinieren sich beispielsweise relative Geschwindigkeiten additiv? Ja (solange wir zB von Autos auf einer Straße sprechen). Nein (wenn Sie zB über hochenergetische Teilchen sprechen, die auf die Erdatmosphäre treffen). Dies existiert wahrscheinlich in jeder einzelnen physikalischen Frage, daher ist das ", aber ..." immer impliziert - es besteht kaum Bedarf, die Menschen über ihre Einführung in die Wissenschaft im Allgemeinen hinaus sorgfältig daran zu erinnern.

Für den ersten Teil würde ich nur zu den bereits vorhandenen großartigen Antworten hinzufügen: Drei Quarks sind natürlich nicht die einzige Erklärung. Eine andere Sichtweise des Problems ist, dass das (z. B.) Proton aus Tausenden von Quarks und Antiquarks besteht, die ständig erzeugt und vernichtet werden, und wenn Sie sie alle zu einem bestimmten Zeitpunkt zusammenzählen, erhalten Sie drei Quarks mehr als Anti-Quarks. Abgesehen von ihrer Energie (die zur Masse des Protons als System beiträgt) heben sie sich bis auf die drei "zusätzlichen" Quarks fast vollständig auf. Auch für dieses Bild gibt es viele Betrachtungsweisen - die einen halten die "auslöschenden" Quarks für reale Teilchen, die anderen für virtuelle Teilchen und wieder andere sehen ein Wechselspiel zwischen virtuellen Quarks und Gluonen. Unnötig zu erwähnen,

Die obigen Zitate beziehen sich auf tiefinelastische Streuung als Beweis dafür, dass die Nukleonen aus drei punktförmigen Bestandteilen bestehen. Sie gehen davon aus, dass es sich dabei um „Quarks“ handeln muss – die Fermionen, die eine Farbladung tragen. Angesichts der grundlegenden Eigenschaften der Quarks versagt die QCD-Theorie leider bei der Berechnung irgendeiner Eigenschaft der Nukleonen außer ihrer elektrischen Ladung. Fragen Sie einen theoretischen Physiker, warum das so ist, und er wird antworten, "weil die Theorie mathematisch schwer zu handhaben ist". Im weiteren Sinne sind die Bestandteile von Nukleonen also nur durch politischen Konsens „Quarks“.

Der Weg aus dem Kaninchenbau ist der Weg aus jeder Straßensperre in der theoretischen Physik: Verwerfen Sie die Annahme, dass die Fermionen Elementarteilchen sind. Untersuchen Sie Modelle, die davon ausgehen, dass sie eine diskrete Struktur haben.