Ah, das kenne ich!

Was steckt in einem Proton?

Ein Proton besteht wirklich aus Anregungen in Quantenfeldern (ähnlich wie 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 die Menschen wahrscheinlich vertrauter sind. Wir müssen dies tun, weil sich Quantenfelder auf sehr nicht intuitive Weise verhalten. Wenn Sie also nicht mit der vollständigen mathematischen Maschinerie der QCD arbeiten (was schwierig ist), müssen Sie eine Art vereinfachtes Modell erstellen, das Sie als Analogie verwenden können.

Eines der verwirrenderen Dinge bei Quantenfeldanregungen ist, dass sie unterschiedlich reagieren, je nachdem, wie sie beobachtet werden. Genauer gesagt, die einzige Möglichkeit, die Eigenschaften einer Anregung in einem Quantenfeld zu messen, besteht darin, sie mit einer anderen Anregung interagieren zu lassen und zu sehen, wie sich die Anregungen gegenseitig beeinflussen. Oder in der Partikelsprache, Sie müssen das Partikel mit einem anderen Partikel (der "Sonde") treffen und sehen, was dabei herauskommt. Abhängig von Ladung, Energie, Impuls und anderen Eigenschaften der Sonde können Sie unterschiedliche Ergebnisse erhalten.

Die Menschen tun dies seit Jahrzehnten und haben die Ergebnisse zu einigen allgemeinen Schlussfolgerungen zusammengestellt. Beispielsweise verhält sich ein Proton bei einer langsamen Kollision mit sehr geringer Energie wie ein einzelnes Punktteilchen. Wenn wir den Teilchen etwas mehr Energie geben, sieht das Proton eher aus wie ein Klecks mit drei Punkten darin – das ist einer der Gründe, warum oft gesagt wird, dass das Proton aus drei Quarks besteht. (Übrigens sehen Sie Bilder wie das auf Wikipedia, weil Menschen lange Zeit Protonen bei mittleren Energien kollidierten, bei denen sie sich wie eine Gruppe von drei Quarks zu verhalten scheinen.) Wenn wir den kollidierenden Teilchen gerade geben Mit zunehmender Energie erscheint das Proton als ein immer dichterer Zusammenschluss aller möglichen Teilchen: Quarks, Antiquarks, Gluonen, Photonen, Elektronen und allem anderen.Partonen (weil sie Teil des Protons sind).

Das folgende Diagramm zeigt repräsentative Beispiele für die effektiveZusammensetzung des Protons bei verschiedenen Arten von Stößen. Die vertikale Achse entspricht im Wesentlichen der Kollisionsenergie, und die horizontale Achse entspricht dem „Auflösungsvermögen“ des einfallenden („Sonden“)-Teilchens. (Das Auflösungsvermögen ist im Grunde ein transversaler Impuls, aber ich kann nicht erklären, wie diese Verbindung funktioniert, ohne mehr ins Detail der Quantenmechanik zu gehen, als ich für notwendig halte.) Der Inhalt jedes Kreises stellt ungefähr eine beispielhafte "Momentaufnahme" dar, wie die 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 irgendwie unten links), beachten Sie nur, wie sie größer oder kleiner und mehr oder weniger zahlreich werden, wenn Sie sich auf dem Grundstück bewegen.

Wenn Sie also beispielsweise ein Proton mit einem Strahl hochenergetischer Sonden (oben) treffen, die ein schwaches Auflösungsvermögen haben (links), verhält es sich wie eine dichte Ansammlung von Partonen (Quarks und Gluonen usw.), von denen jedes ziemlich gleich ist groß. Oder wenn man das Proton mit einem Strahl niederenergetischer Sonden (unten) mit hohem Auflösungsvermögen (rechts) trifft, verhält es sich wie ein spärlicher Cluster von Partonen, von denen jedes klein ist. Wenn Sie es mit einem Strahl von Sonden mit niedriger Energie (unten) und geringer Auflösung (links) treffen, verhält es sich wie eine Ansammlung von drei Teilchen.

Physiker beschreiben diese sich scheinbar verändernde Zusammensetzung mit Parton-Verteilungsfunktionen (PDFs), die oft als Parton-Verteilungsfunktionen bezeichnet werden$f(x, Q^2)$. Unter gewissen nicht allzu verrückten Annahmen$f(x, Q^2)$kann als die Wahrscheinlichkeitsdichte der Sonde interpretiert werden, die mit einer bestimmten Art von Parton mit einem bestimmten Betrag an Impuls interagiert. Visuell,$f(x, Q^2)$hängt mit der Anzahl der Teilchen im Kreis an der entsprechenden Stelle zusammen$(x,Q)$Punkt auf der Handlung (auch wenn die genauen Zahlen nicht so gewählt sind, dass sie die Realität exakt widerspiegeln). Für weitere Informationen zu Parton-Distributionen verweise ich Sie auf diese meine Antwort und die darin genannten Ressourcen sowie auf diese .

Was ist die graue Region?

Im vorherigen Bild habe ich jeden Schnappschuss des Protons als eine Reihe von Partonen (Quarks und Gluonen usw.) dargestellt, die gleichmäßig innerhalb eines Kreises verteilt sind, als ob das Proton eine bestimmte Kante hätte und außerhalb dieser Kante nichts wäre. Aber in Wirklichkeit ist das nicht der Fall. Die Quantenfelder, aus denen ein Proton besteht , verschwinden allmählich auf Null, wenn Sie sich weiter vom Zentrum entfernen, wodurch das Proton einen unscharfen Rand erhält. Ein (etwas) genauerer Beispiel-Schnappschuss würde also etwa so aussehen:

Beachten Sie, dass es mehr Punkte in der Nähe des Zentrums des Protons gibt und immer weniger, wenn Sie sich zum Rand hin bewegen; dies stellt die Tatsache dar, dass eine Sonde, die auf einen Totpunkt des Protons trifft, mit größerer Wahrscheinlichkeit wechselwirkt als eine Sonde, die sie nahe der Kante trifft.

Die gewöhnlichen Parton-Verteilungen, die ich oben erwähnt habe,$f(x, Q^2)$, sind Teil eines vereinfachten Modells, in dem wir diese Tatsache ignorieren und vorgeben, dass Partons gleichmäßig im Raum verteilt sind. Aber wir können ein komplizierteres Modell erstellen, das die Tatsache berücksichtigt , dass Partonen zum Zentrum des Protons hin zusammengeballt sind. In einem solchen Modell erhalten Sie anstelle von regulären Parton-Verteilungen kompliziertere Funktionen, die als wirkungsparameterabhängige Parton-Verteilungen bezeichnet und bezeichnet werden$f(x, Q^2, b)$, wo$b$ist der radiale Abstand vom Zentrum, in dem die Sonde auftrifft - der Aufprallparameter.

Es gibt einige theoretische Studien, die zeigen, dass diese stoßparameterabhängigen Parton-Verteilungen allmählich abklingen, wenn man zu großen Radien geht. Siehe zum Beispiel Abbildung 5 dieses Papiers ( arXiv ) oder Abbildung 7 in diesem ( arXiv ):

Hier$N(y)$ist eine Größe, die sich auf die Parton-Verteilungen bezieht (insbesondere die Amplitude der Farbdipolstreuung), die die vielen verschiedenen Parton-Verteilungen in einer Art "verdichtet". (Große Vereinfachung, aber dafür reicht es.) Sie können dann die räumliche Ausdehnung des Protons als die Region definieren, in der$N(y)$über beispielsweise 5 % seines Maximalwerts liegt. Oder 10 %. Oder 50%. Die genaue Zahl ist etwas willkürlich, aber der Punkt ist, egal welche Zahl Sie wählen, Sie erhalten am Ende einen Kreis, der die Region umfasst, in der die Parton-Verteilungsfunktion groß ist, etwa so:

Dies entspricht in etwa dem grauen Kreis im Bild von Wikipedia. Es ist eine Region mit einer Größe in der Größenordnung von$1\text{ fm}$(das ist ungefähr$5\text{ GeV}^{-1}$in natürlichen Einheiten ), wobei die Wahrscheinlichkeit, dass ein einfallendes Teilchen (eine Sonde) am Proton streut, relativ groß ist. Entsprechend ist es der Bereich, in dem die Parton-Verteilungen groß sind, und auch der Bereich, in dem die Quantenfelder, aus denen das Proton besteht, stark von Null verschieden sind.

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

Übrigens ist diese Behauptung, dass ein Proton zu 99% aus leerem Raum besteht, wahrscheinlich falsch, wenn man eine vernünftige Definition verwendet. Sie denken vielleicht an Atome , 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, indem sie sagen, dass das Atom zu einem großen Teil aus leerem Raum besteht. Aber mit einem Proton kann man das nicht wirklich machen, angesichts der großen Anzahl von Teilchen darin und der Stärke ihrer Wechselwirkungen.

Die Abbildung zeigt nicht die unterstrichene physikalische Realität. Ein Proton besteht nämlich aus 3 Quarks$uud$, aber es besteht auch, wie Jinawee betonte, aus virtuellen Quarks und Antiquarks , die ständig durch eine starke Kraft, die durch Gluonen vermittelt wird, erzeugt und vernichtet werden, beschrieben durch die Quantenchromodynamik (QCD).

Die graue Kugel auf der Wikipedia-Seite zeigt die Region, in der Quarks das Proton bilden, mit anderen Worten, wenn die Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeit zeigt, ein Teilchen in einer Region des Weltraums zu finden, dann zeigt diese Kugel die Wahrscheinlichkeit, wo Sie das Wesentliche finden können Quarks, aus denen ein Proton besteht.

Sie können ein Proton nicht einfach als drei Quarks (Valenzquarks genannt, weil sie die Quantenzahlen bestimmen) betrachten, weil virtuelle Quarks und Antiquarks ständig durch starke Kraft erzeugt und anhiliert werden. Ein Proton ist also eher ein Quarkmeer . Tatsächlich ergibt 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 in Form einer populären Beschreibung beantwortet.

Das reale physikalische Bild ist nicht einfach und hängt stark von einer Reihe experimenteller Messungen durch viele Experimente ab. Wenn Sie sich Abbildung 9.18 des Links ansehen, sehen Sie, dass sich die Zusammensetzung des Protons entsprechend der Impulsübertragung vom Sondierungsteilchen ändert.

Entgegen der Aussage, dass es sich hauptsächlich um leeren Raum handelt, ist es das nicht. Teilchen, die das Proton untersuchen, segeln nicht unbeschadet durch, sie interagieren mit den Quarks und Gluonen, aus denen es besteht, und so erhalten wir die Parton-Funktionen in der Abbildung. Der Grund, warum es meistens nicht leer ist, liegt darin, dass die Quantenchromodynamik im Gegensatz zu den anderen Kräften mit der Entfernung nicht abnimmt, sondern zunimmt, die Bestandteile also fest gebunden sind.

Die Antwort auf die Frage "Was ist im Proton drin" lautet also "es hängt davon ab, wie man hineinschaut". Von außen hat es die Quantenzahlen, die ihm die drei Valenzquarks zuordnen.

Das eigentliche Problem dabei ist, dass sich Dinge, wenn sie wirklich, wirklich klein werden, nicht wie die Welt verhalten, die wir um uns herum sehen. Das kann vieles von dem, was in dieser seltsamen Welt vor sich geht, ziemlich schwer verständlich machen.

Das Diagramm ist irreführend. Protonen sind nicht wirklich runde, graue Blobs, und Quarks sind nicht wirklich kleine Kugeln, die in ihnen sitzen. Unten auf der subatomaren Ebene herrscht die Quantenmechanik .

Eines der seltsamen Ergebnisse der Quantenmechanik ist, dass wirklich winzige Dinge nicht wirklich einen einzigen Raum einnehmen. Werfen Sie einen Blick auf Ihre Hand. Es ist da, oder? An einem einzigen Ort. Wenn Sie es zur Faust ballen, 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 nehmen sie gleichzeitig viele Punkte im Raum ein. 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. Wie wenn du mit deinen Eltern auf einer langen Fahrt im Auto sitzt. Was mache ich auf einer langen Fahrt mit meinen Eltern? Ich zappele. Ich kann Ihnen nicht sagen, wo ich sein werde – Vordersitz, Rücksitz – weil ich mich ständig bewege. Aber Sie wissen, dass ich irgendwo im Auto bin, auch wenn Sie mir nicht genau sagen können, wo.

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

Was die 99% des leeren Raums betrifft, so ist die tatsächliche Zahl viel höher. Sehr wenigist eigentlich aus Materie „bestehend“ (wir nennen materieähnliche Teilchen gewöhnlich „Hadronen“). Warum fallen wir also nicht ständig durch die Dinge? Warum rutscht mein Laptop nicht durch meinen Schreibtisch, wenn es meistens nichts ist? Nun, weil die Kräfte zwischen diesen winzigen Partikeln im Vergleich zu ihrer Größe (und vor allem im Vergleich zu ihrer Masse) enorm sind. Das erlaubt ihnen, einen ausgewogenen Abstand voneinander zu halten und verhindert, dass irgendetwas 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 niemals auch nur annähernd, weil die Kräfte zwischen den Partikeln so stark sind. Stattdessen wird der Ball von Ihrer Hand „abgestoßen“. Diese Abstoßung gleicht die Schwerkraft des Balls aus,

TL;DR: Das Diagramm tut das Beste, was es kann, um zu erklären, wie die Dinge im sehr, sehr kleinen Maßstab funktionieren. Leider sehr irreführend. Der „Raum zwischen“ Partikeln ist a) nicht wirklich Raum, sondern „Punktwolken“ möglicher Partikelpositionen (es gibt einen Schluck), und b) es sind eher Kräfte zwischen Partikeln als die Partikel selbst, die den „leeren Raum“ aufhalten das Proton davon abhalten, etwas zu sein, durch das man tatsächlich gehen könnte.

Wie einige der Antworten darauf hingewiesen haben, ist der auf dem Bild gezeigte "graue Ball" nicht wirklich eine physische Einheit an sich. Es hat mehr mit der klassischen Ansicht zu tun, die wir von subatomaren Teilchen als festen Objekten haben, obwohl sie es in Wirklichkeit nicht sind. Es ist eine Darstellung des durchschnittlichen Radius des Partikels.

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

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 ist die genaue Zusammensetzung eines Protons immer noch eine offene Frage.