Ah, questo lo conosco!

Cosa c'è in un protone?

Un protone è fatto realmente di eccitazioni in campi quantistici (un po 'come onde localizzate). Ricordati che. Ogni volta che senti qualsiasi altra descrizione della composizione di un protone, è solo un'approssimazione del comportamento dei campi quantistici in termini di qualcosa che le persone probabilmente conosceranno meglio. Dobbiamo farlo perché i campi quantistici si comportano in modi molto non intuitivi, quindi se non stai lavorando con l'intero meccanismo matematico di QCD (che è difficile), devi creare una sorta di modello semplificato da usare come analogia.

Una delle cose più confuse sulle eccitazioni quantistiche dei campi è che reagiscono in modo diverso a seconda di come vengono osservate. Più specificamente, l'unico modo per misurare le proprietà di un'eccitazione in un campo quantistico è farlo interagire con un'altra eccitazione e vedere come le eccitazioni si influenzano a vicenda. O nel linguaggio delle particelle, devi colpire la particella con un'altra particella (la "sonda") e vedere cosa ne esce. A seconda della carica, dell'energia, della quantità di moto e di altre proprietà della sonda, è possibile ottenere vari risultati.

Le persone lo fanno da decenni e hanno raccolto i risultati in alcune conclusioni generali. Ad esempio, in una collisione lenta, con pochissima energia coinvolta, un protone si comporta come una particella puntuale. Se diamo alle particelle un po 'più di energia, il protone sembra più un blob con tre punti in esso --- questo è uno dei motivi per cui si dice spesso che il protone è composto da tre quark. (Per inciso, il motivo per cui vedi immagini come quella che hai trovato su Wikipedia è che per molto tempo le persone si sono scontrate con protoni alle energie intermedie dove sembrano comportarsi come un gruppo di tre quark.) Se diamo alle particelle in collisione pari Sempre più energia, il protone apparirà come una fusione sempre più densa di tutti i tipi di particelle: quark, antiquark, gluoni, fotoni, elettroni e tutto il resto. Chiamiamo queste particelle partoni (perché fanno parte del protone).

Il diagramma seguente mostra esempi rappresentativi della composizione efficace del protone in diversi tipi di collisioni. L'asse verticale corrisponde fondamentalmente all'energia di collisione e l'asse orizzontale corrisponde al "potere di risoluzione" della particella incidente ("sonda"). (Il potere risolutivo è fondamentalmente uno slancio trasversale, ma non posso spiegare come funziona quella connessione senza entrare più in dettaglio della meccanica quantistica di quanto ritenga necessario.) Il contenuto di ogni cerchio rappresenta, approssimativamente, un esempio di "istantanea" di come il protone si comporta in una collisione alla corrispondente energia e potere risolutivo. I numeri, le posizioni e i colori esatti dei punti non sono significativi (tranne che in basso a sinistra), nota solo come diventano più grandi o più piccoli e più o meno numerosi mentre ti muovi nella trama.

Quindi, ad esempio, se colpisci un protone con un raggio di sonde ad alta energia (in alto) che hanno un debole potere risolutivo (a sinistra), si comporta come un denso gruppo di partoni (quark e gluoni ecc.), ciascuno dei che è abbastanza grande. Oppure, se colpisci il protone con un fascio di sonde a bassa energia (in basso) ad alto potere risolutivo (a destra), si comporta come uno sparso ammasso di partoni, ognuno dei quali è piccolo. Se lo colpisci con un raggio di sonde a bassa energia (in basso) e a basso potere risolutivo (a sinistra), si comporta come un insieme di tre particelle.

I fisici descrivono questa composizione apparentemente mutevole usando parton funzioni di distribuzione (PDF), spesso denotate $ f (x, Q ^ 2) $ . Sotto certi presupposti non troppo folli, $ f (x, Q ^ 2) $ può essere interpretato come la densità di probabilità della sonda che interagisce con un particolare tipo di partone con una particolare quantità di slancio. Visivamente, $ f (x, Q ^ 2) $ è correlato al numero di particelle nel cerchio nel corrispondente $ (x, Q) $ punto sulla trama (anche se, ancora una volta, i numeri esatti non sono scelti per riflettere esattamente la realtà). Per ulteriori informazioni sulle distribuzioni parton, ti rimando a questa mia risposta e alle risorse ivi denominate, oltre a questa.

Che cos'è la regione grigia?

Nell'immagine precedente, ho visualizzato ogni istantanea del protone come un insieme di partoni (quark e gluoni ecc.) distribuiti uniformemente all'interno di un cerchio, come se il protone avesse un bordo definito e non c'è niente al di fuori di quel limite. Ma in realtà non è così. I campi quantistici che compongono un protone gradualmente svaniscono a zero man mano che ci si allontana dal centro, dando al protone un bordo sfocato. Quindi un'istantanea di esempio (un po ') più accurata sarebbe simile a questa:

Notare che ci sono più punti vicino al centro del protone e progressivamente meno man mano che ci si sposta verso il bordo; questo rappresenta il fatto che una sonda che colpisce il centro morto di un protone ha maggiori probabilità di interagire rispetto a una sonda che la colpisce vicino al bordo.

Le distribuzioni di partoni ordinarie che ho menzionato sopra, $ f (x, Q ^ 2) $ , fanno parte di un modello semplificato in cui ignoriamo questo fatto e fingiamo che i partoni siano distribuiti uniformemente nello spazio. Ma possiamo creare un modello più complicato che non tenga conto del fatto che i partoni sono raggruppati verso il centro del protone. In un tale modello, invece delle normali distribuzioni di partoni, si ottengono funzioni più complicate, chiamate distribuzioni di partoni dipendenti da parametri di impatto e indicate con $ f (x, Q ^ 2, b) $ , dove $ b $ è la distanza radiale dal centro in cui la sonda colpisce, il parametro di impatto.

Ci sono stati alcuni studi teorici che dimostrano che queste distribuzioni di partoni dipendenti dai parametri di impatto si riducono gradualmente man mano che si raggiungono raggi ampi. Ad esempio, vedi la figura 5 di questo documento ( arXiv) o la figura 7 in questo ( arXiv):

Qui $ N (y) $ è una quantità correlata a le distribuzioni dei partoni (in particolare, è l'ampiezza dello scattering del dipolo del colore), che tipo di "condensa" le molte distribuzioni dei partoni differenti in una quantità. (Enorme semplificazione eccessiva, ma è sufficiente per questo.) È quindi possibile definire l'estensione spaziale del protone come la regione in cui si trova $ N (y) $ sopra, diciamo, il 5% del suo valore massimo. O il 10%. O il 50%. Il numero esatto è in qualche modo arbitrario, ma il punto è che, qualunque numero tu scelga, finirai con un cerchio che racchiude la regione in cui la funzione di distribuzione dei partoni è grande, un po 'come questo:

Questo è più o meno ciò che rappresenta il cerchio grigio nell'immagine di Wikipedia. È una regione con una dimensione nell'ordine di $ 1 \ text {fm} $ (si tratta di $ 5 \ text {GeV} ^ {- 1} $ in unità naturali), dove la possibilità che una particella incidente (una sonda) si disperda dal protone è relativamente significativa. Allo stesso modo, è la regione in cui le distribuzioni dei partoni sono grandi, e anche la regione in cui i campi quantistici che costituiscono il protone sono molto diversi da zero.

Come puoi intuire, tutto ciò è piuttosto impreciso. puoi fare una definizione più rigorosa della dimensione di un protone utilizzando la sezione trasversale di scattering. Puoi anche ottenere una definizione senza utilizzare lo scattering, utilizzando il raggio di carica, che può essere misurato o calcolato utilizzando vari altri metodi. Non entrerò in questi, poiché i dettagli sarebbero materiali per una domanda completamente separata, ma i risultati di tutti questi metodi arrivano a un raggio leggermente inferiore a $ 1 \ text { fm} $ .

Per inciso, questa affermazione di un protone come spazio vuoto al 99% è probabilmente falsa usando qualsiasi definizione ragionevole. Potresti pensare agli atomi , dove il volume in cui il campo quantistico dell'elettrone ha un valore apprezzabile è molto più grande della dimensione dell'elettrone stesso, qualunque essa sia. Le persone a volte lo semplificano per dire che l'atomo è costituito da una grande frazione di spazio vuoto. Ma non puoi davvero fare lo stesso con un protone, dato il gran numero di particelle in esso contenute e la forza delle loro interazioni.

L'illustrazione non mostra la realtà fisica sottolineata. Un protone è costituito da 3 quark, ovvero $ uud $, ma è anche costituito, come ha sottolineato jinawee , da quark virtuali e antiquark che vengono costantemente creati e annientati tramite una forza forte mediata dai gluoni, descritta dalla cromodinamica quantistica (QCD).

La sfera grigia nel sito di Wikipedia, mostra la regione in cui i quark formano il protone, in altri termini, se la funzione d'onda mostra la probabilità di trovare una particella in una regione dello spazio, allora questa sfera mostra la probabilità dove puoi trova i quark essenziali che costituiscono un protone.

Non si può considerare un protone come tre quark (chiamati quark di valenza, perché determinano i numeri quantici) perché i quark e gli antiquark virtuali vengono costantemente creati e anilati tramite una forza forte. Quindi un protone è più simile a un mare di quark . In effetti, questo processo fornisce la maggior parte della massa del protone (i quark di valenza sono solo il 2% della massa).

È qualcosa del genere:

Le linee che collegano i quark sono gluoni (le particelle portatrici di forza dell'interazione forte).

La domanda che stai ponendo ha ricevuto risposta in termini di descrizione diffusa.

Il quadro della fisica reale non è semplice e dipende molto da una serie di misurazioni sperimentali di molti esperimenti. Se guardi la figura 9.18 del collegamento vedrai che la composizione del protone cambia in base al trasferimento di quantità di moto dalla particella sondante.

Contrariamente all'affermazione che si tratta principalmente di spazio vuoto, non lo è. Le particelle che sondano il protone non navigano indenni, interagiscono con i quark e gluoni che lo compongono e così otteniamo le funzioni del partone nella figura. Il motivo per cui non è per lo più vuoto è perché la cromodinamica quantistica, contrariamente alle altre forze non diminuisce con la distanza, ma aumenta, quindi i costituenti sono strettamente legati.

Quindi la risposta a "cosa c'è dentro il protone" è "dipende dal modo in cui ci guardi dentro". Dall'esterno, ha i numeri quantici assegnati dai tre quark di valenza.

Il vero problema qui è che quando le cose diventano davvero, molto piccole, non si comportano come il mondo che vediamo intorno a noi. Ciò può rendere molto difficile da comprendere quello che accade in quel mondo strano.

Il diagramma è fuorviante. I protoni non sono veramente rotondi, le macchie grigie ei quark non sono davvero piccole sfere che si trovano al loro interno. A livello subatomico, la Meccanica Quantistica governa.

Una delle strane scoperte della Meccanica Quantistica è che le cose davvero minuscole non occupano un singolo spazio. Dai un'occhiata alla tua mano. È lì, vero? In un unico posto. Se lo pieghi a pugno, occupa meno spazio e se lo allunghi, occupa di più. Ma è sempre in un unico posto.

Le cose davvero minuscole non funzionano in questo modo. Invece, occupano molti punti nello spazio allo stesso tempo. Di solito disegniamo diagrammi in cui le posizioni effettive di piccole cose sono rappresentate come nuvole: sono in molti posti, tutte in una volta.

Anche i quark sono così. Sono tenuti insieme da forze incredibilmente forti, ma stanno anche cercando di allontanarsi l'uno dall'altro. Come quando sei in macchina con i tuoi genitori per un lungo viaggio. Cosa faccio durante un lungo viaggio con i miei genitori? Mi agito. Non saprei dirti dove sarò - sedile anteriore, sedile posteriore - perché mi muovo costantemente. Ma sai che sono da qualche parte all'interno della macchina, anche se non puoi dirmi esattamente dove.

E così con i quark, con una svolta: lo sono in molti luoghi diversi allo stesso tempo. Quello che sappiamo è che molto probabilmente si trovano all'interno di un confine: in questo caso, il cerchio grigio del protone.

Per quanto riguarda il 99% di spazio vuoto, la cifra effettiva è molto più alta di quella. Molto poco è in realtà "costituito" di materia (di solito chiamiamo particelle simili alla materia "adroni"). Allora perché non cadiamo continuamente nelle cose? Perché il mio laptop non scivola attraverso la mia scrivania, se per lo più non è niente? Bene, perché le forze tra queste minuscole particelle sono enormi, rispetto alle loro dimensioni (e, cosa più importante, rispetto alla loro massa). Ciò consente loro di mantenere una distanza equilibrata l'uno dall'altro e impedisce a qualsiasi altra cosa di avvicinarsi troppo a loro o di cadere "tra" le particelle. Quando prendi una palla, le particelle nella tua mano e le particelle nella palla non si avvicinano nemmeno al "contatto", perché le forze tra le particelle sono così forti. Invece, la palla viene "respinta" dalla tua mano. Questa repulsione si bilancia contro la forza della palla dovuta alla gravità, quindi la palla rimane dov'è.

TL; DR: Il diagramma fa del suo meglio per spiegare come funzionano le cose su scala molto piccolissima. Purtroppo è molto fuorviante. Lo 'spazio tra' le particelle è a) non proprio spazio, ma 'nuvole di punti' di possibili posizioni delle particelle (c'è un boccone), eb) sono le forze tra le particelle, piuttosto che le particelle stesse, che fermano lo 'spazio vuoto' il protone dall'essere qualcosa che potresti effettivamente attraversare.

Come alcune delle risposte hanno sottolineato, la "palla grigia" mostrata nell'immagine non è realmente un'entità fisica in sé. Ha a che fare di più con la visione classica che abbiamo delle particelle subatomiche come oggetti solidi, quando in realtà non lo sono. È una rappresentazione del raggio medio della particella.

Quando esegui un esperimento per rilevare il protone, hai una certa probabilità di trovarlo all'interno dell'area grigia, ma anche una piccola probabilità di trovarlo all'esterno . Quindi un modo migliore per dimostrarlo sarebbe rappresentare la palla con una tonalità di grigio più chiara mentre ti allontani dal centro della particella. Questo darebbe un'idea migliore del fatto che la particella non è un solido con bordi definiti. Man mano che ci si allontana dalla posizione prevista (il centro della zona grigia), è sempre meno probabile rilevare il protone.

Il punto è che non è l'immagine di un protone; è una rappresentazione schematica. Puoi vederlo come un diagramma di Eulero che dice che nel protone hai 3 quark di valenza e alcuni gluoni.

A proposito, gli esatti costituenti di un protone sono ancora una questione aperta.