¿Cuál es la evidencia experimental de que los nucleones están formados por tres quarks?

Question

¿Cuál es la evidencia experimental de que los nucleones están formados por tres quarks? ¿Cuál es el punto de decir que los nucleones se hacen de quarks cuando también hay gluones dentro de ella?

Answer 1

¿Cuál es la evidencia experimental de que los nucleones se compone de tres quarks?

Algunas pruebas fuertes para el modelo quark de el protón y el neutrón, que no declaró en otra respuesta, son el momento magnético del protón y el momento magnético del neutrón, que son consistentes con el modelo quark y son incompatibles con el momento magnético que se prevé por la electrodinámica cuántica en un punto del modelo de partícula.

¿Cuál es el punto de decir que los nucleones están hechos de quarks cuando también hay gluones dentro de ella?

Las razones de este hecho es que se llama en el campo de la ciencia de la comunicación "mentiras a los niños".

Temas complejos a menudo son enseñó inicialmente en una forma que la simplifica demasiado la realidad con el fin de desarrollar clave principales puntos.

Haciendo hincapié en el quark composición de los nucleones, ignorando el gluon contribución permite explicar muchas de las conclusiones clave del quark-gluon modelo, incluyendo:

• El encargado de todos los hadrones

• La desintegración Beta

• La lista de todas las posibles bariones y de todos los posibles pseudoscalar y mesones vectoriales

• La lista completa de Modelo Estándar fermiones

• El momento magnético de hadrones

• Dispersión inelástica profunda de hadrones

• Una fórmula para el colisionador de giro

La existencia de gluones como un constituyente no tiene que ser explicado en detalle para llegar a estos resultados.

También, mientras que el valencia quark contenido de un hadrón es específico para un tipo particular de hadrones, el gluon contenido de un hadrón no es útil para colisionador de la taxonomía.

Answer 2

Tenga en cuenta que el original de SU(3) modelo quark fue totalmente matemático (El Camino Óctuple) y fue una brillante manera de explicar la observada en los espectros de bariones y el mesón. El caprichoso nombre quarks no tenían la intención de representar los objetos reales.

Por @Geoffrey la respuesta fue la Dispersión Inelástica Profunda:

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

a menudo escrito:

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

para indicar inicial (conocida) los estados son una de electrones que incide sobre un protón y el estado final es una de electrones detectados y no detectados residuos ($X$). Esto se llama "inclusiva" dispersión inelástica profunda.

Esto fue inicialmente hecho en SLAC, con un haz de electrones, un hidrógeno líquido blanco, y 3 espectrómetros, no caprichosamente, llamado el 1.6 GeV, el 8 GeV, y el 20 GeV espectrómetros.

Los espectrómetros permite la detección precisa de los dispersos de electrones (lab-marco, duh) el impulso y el ángulo de dispersión.

Con una bien definida de la energía del haz (4-momentum $k_{\mu}$) y dispersos de electrones (4-momentum $k'_{\mu}$), la interacción puede ser analizado en términos de intercambio de un solo fotón virtual con 4 impulso:

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

y su masa invariante:

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

donde esta última expresión tiene en el laboratorio de energías mucho mayor que $m_ec^2$.

Tenga en cuenta que la escala de la longitud determinada por el evento de dispersión es $ \hbar c /\sqrt{Q^2}$.

La energía transferida a la meta fue también un parámetro importante:

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

A partir de estas dos variables, se puede construir algo que se llama Bjorken-$x$:

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

y esta es la variable que proporciona la clave de evidencia de que los quarks son reales, y que hay 3 de ellos en un protón.

Tenga en cuenta que $0 <x \le 1$, y representa la fracción de protones impulso llevado por la golpeó Parton (que es lo que está dentro de los protones). La sección transversal de dispersión muestra un amplio pico alrededor de $x = \frac 1 3 $, lo que indica lo que es golpeado, lleva alrededor de un tercio de los protones impulso. Esto se interpreta como un protón de ser más o menos (muy aproximadamente) de una bolsa de 3 de no-partículas que interactúan. (Por supuesto que interactúan para formar un atado de protones, pero el análisis se realiza en el llamado de la luz de cono, en el que la dispersión se lleva a cabo en una escala de tiempo mucho más corto que cualquier interacción: el protón aparece como una bolsa de 3 quarks de valencia plus mar de quarks y gluones).

El comportamiento de la dispersión (cuando bien analizado a través de la "estructura " funciones") mostró muy poca dependencia de la $Q^2$--es decir que era independiente de la escala, lo que indica que la partons estamos como punto: en efecto, son los quarks.

Desde entonces, los experimentos más sofisticados que han continuado para confirmar el quark-modelo. Hay semi-inclusive los experimentos, por ejemplo:

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

donde los dispersos de electrones se detecta en coincidencia con alguna parte de el estado final (aquí, un pion). Estos tipos de reacciones que permiten el estudio de "hadronization", o cómo una golpeado quark (con color) se convierte en un color de camiseta del colisionador. También se puede aislar el extraño mar de mi mirando coincidente kaons.

No se han polarizado los experimentos de dispersión en SLAC y DESY (con un haz polarizado y de destino):

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

confirmando el spin 1/2 naturaleza de los quarks. Por último, no son exclusivos de los experimentos (donde todo es conocido), tales como:

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

en la alta energía, la cual se muestra a través de la escala de dimensión que un deuteron, un neutrón y un protón se comportan como una bolsa de 6 punto de partículas de ir a 2 bolsas de 3 puntos de partículas (confirmando el modelo quark).

Tenga en cuenta que hay varios trucos (la combinación de múltiples mediciones) que permiten la separación de la estructura de las funciones en los quarks de valencia, mar de quarks y gluones. El hecho de que hay un número infinito de mar quarks en el interior de un protón no influir realmente en el hecho de que los protones contienen 3 quarks de valencia. Sí, QCD es fuerte, por lo que la mayoría de la masa real de un nucleón es la energía de enlace--todavía se puede decir con seguridad que hay 3 quarks en un protón. El mar quarks son sólo las fluctuaciones cuánticas.

Del mismo modo, en QED, hay pares electrón-positrón en el interior de un átomo de hidrógeno (c.f., el Cordero de turno), pero todavía podemos describir un átomo de hidrógeno como un atado de protones y de electrones cuando se habla de lo que está hecho. Por supuesto, al hacer cálculos precisos en QED (o de cualquier cálculo en QCD), usted tiene que prestar atención a la "mar" de los objetos.

Answer 3

El proceso que se utilizó por primera vez para resolver la estructura interna del protón y el neutrón se llama dispersión inelástica profunda. Básicamente, llegar a la meta de hadrones con la energía suficiente que el sondeo de las partículas de la longitud de onda es lo suficientemente corto como para hacer los detalles de la estructura interna del protón o neutrón.

Tiene usted derecho a cuestionar la idea de que un protón es "formado por tres quarks" cuando hay gluones dentro. Los gluones son, por supuesto, la fuerza de transporte de partículas que median la fuerza fuerte y mantener los quarks vinculadas la una a la otra, pero debido a que los gluones llevar a color cargo de sí mismos, ellos par fuertemente no-lineal de las formas. El resultado de todo esto es que la mayoría de la masa de un protón proviene de la energía de interacción de los gluones.

Answer 4

Cuando estaba en la universidad, sentado en mi dinosaurio, uno de mis profs mencionado trabajó en un neutrón de la polarización del sistema en un acelerador de partículas en Chalk River.

Tuve que preguntar cómo polarizada de una partícula neutral con un imán, se sigue pensando en términos de la clásica de las partículas y los cargos. Explicó que, dado que hay una interna de la estructura de quark, aunque por fuera se ve neutral hay suficiente asimetría para trabajar con.

No fue hasta mucho más tarde de lo que he leído cómo estos trabajan actualmente, hay la complejidad de un curso, pero las bases están ahí.

Answer 5

Para la segunda parte de tu pregunta:

(Virtual) de los gluones son parte de los nucleones en el mismo sentido que (virtual) de los fotones son parte del átomo como un todo. No es necesario hablar de ellos, porque están implícitas en el fuerte y electro-magnético de la interacción, respectivamente, y a diferencia de los electrones y los protones y quarks, que son innumerables, es decir, un protium átomo siempre tiene un electrón y un protón, compuesto de tres quarks, pero no hay ningún número significativo de los virtual fotones y gluones. No creo que de partículas virtuales como "esto podría haber sido un gluon, pero no lo es" - son excitaciones en su correspondiente campo cuántico que no siguen las reglas de las partículas en ese campo.

No intentes demasiado difícil encontrar un "sí-no" como respuesta a cualquier cosa en la física - la mayoría de las respuestas son más como un "Sí, pero...". No puede haber cientos de las condiciones implícitas en cualquier cosa que usted aprenda acerca de cualquier cosa (una buena razón por qué usted necesita para poco a poco construir sobre bases sólidas, en lugar de simplemente saltar a algún azar física interesante tema) - por ejemplo, velocidades relativas de combinar de forma aditiva? Sí (mientras estamos hablando por ejemplo de los coches en una carretera). No (si estamos hablando de por ejemplo, las partículas de alta energía golpear la atmósfera de la Tierra). Esto existe en probablemente cada uno de física de la cuestión, de modo que el " pero..." es siempre implícita la necesidad de mantener con cuidado, recordando a la gente más allá de su introducción a la ciencia en general.

Para la primera parte, solo quisiera añadir a la ya existente grandes respuestas: tres quarks no son la única explicación, por supuesto. Otra forma de ver el problema es que el (por ejemplo) protón está compuesto de miles de quarks y anti-quarks que se crean constantemente y aniquilados, y si se agrega a todos ellos en cualquier instante dado, se obtiene más de tres quarks que los anticuerpos anti-quarks. Con la excepción de su energía (que contribuye a la masa del protón, como un sistema), casi totalmente, de cancelar, a excepción de los tres "extra" de los quarks. Hay muchas maneras de mirar esta foto como bien algunos consideran que la "cancelación" de los quarks a ser real partículas, algunos consideran partículas virtuales y algunos ven una interacción virtual entre los quarks y los gluones. No hace falta decir, todas aquellas alternativas predecir exactamente los mismos resultados para cualquiera de química típica pregunta - estamos hablando de diferencias que son pequeños para cualquier propósito práctico, o incluso sólo una en su mayoría sin sentido semántico debate (no un árbol caído hacer un sonido si nadie lo escucha?).