Жизнь, размер, кризис и внутренний мир протона. Почему мы до сих пор не понимаем эту частицу?

В течение почти всего XX века протоны считались надёжным фундаментом материи. Учёные были уверены, что эти частицы стабильны и неизменны, а их свойства описаны предельно точно. Но с развитием квантовой физики и всё более мощных экспериментов привычная картина начала рушиться. Вместе с ней поплыло и представление о правильном понимании строения вещества.

Сегодня протон выглядит не как «кирпичик Вселенной», а как сложная квантовая система, полная парадоксов. Не на все вопросы у учёных находятся ответы, но сама логика развивается весьма интересно. Из простой частицы, которая когда-то описывалась не более, чем обычный шарик, протон превратился в целый мир со сложной структурой внутри него. Это интересно по множеству причин, как сугубо прикладных, так и фундаментальных для осознания природы всей материи.

Предлагаю обсудить основные противоречия в теории, которые сделали протон непонятным и сложным.

Живёт ли протон вечно?

Классическая модель утверждала, что протоны не распадаются. В 1980-х годах японский эксперимент Kamiokande пытался зарегистрировать распад протона по косвенным признакам и не нашёл его даже на дистанции в миллиарды миллиардов лет. Вместо долгожданного распада протона учёные получили нечто другое: детектор случайно зарегистрировал нейтрино от сверхновой SN 1987A. Это открытие принесло проекту мировую известность, а Масатоси Косиба позже получил за это Нобелевскую премию. Но ирония заключалась в том, что исходная цель (поймать распад протона) так и не была достигнута.

На основании этих данных нижняя граница времени жизни протона составила > 10³⁴ лет и это в триллионы раз больше возраста Вселенной.

Однако новые теории Великого объединения предсказывают, что протон всё же может распадаться, но процесс настолько медленный, что его пока просто невозможно зафиксировать.

Внутренний мир протона

Внутри протона скрыта не пустота, а целый квантовый «океан». Первоначальная модель из трёх кварков (два u и один d) оказалась слишком упрощённой.

В 2008 году на коллайдере HERA (DESY, Германия) подтвердили, что протон содержит внутри «море» спонтанно возникающих пар частиц и античастиц. Глюоны, открытые в экспериментах на SLAC ещё в 1979 году, оказались не менее важными, чем сами кварки. Именно они «склеивают» частицы внутри протона. Получается, что внутри самого протона существует целый неизведанный мир. Он и остаётся неизученным сейчас, но точно влияет на свойства самого протона.

Это подтвердилось и тем, что фактически масса кварков внутри протона составляет лишь ~1% массы протона. Всё остальное — это энергия сильного взаимодействия. Этот результат блестяще подтверждает формулу Эйнштейна: E=mc².

Спиновый кризис протона

В 1987 году на CERN (эксперимент EMC) учёные впервые измерили вклад кварков в спин протона. Ожидалось, что кварки должны полностью объяснить вращение частицы, но оказалось, что они дают лишь ~30%.

Остальное, как выяснилось в последующих экспериментах на RHIC (США), вносят глюоны и, вероятно, квантовые колебания «моря» внутри протона. Этот феномен до сих пор известен как «спиновый кризис протона». По сути он заключается в том, что не получается выполнить простое сложение всех моментов в один так, чтобы цифры совпадали. Это чрезвычайно не логично и подразумевает, что природа частицы понимается неверно.

Парадокс радиуса протона

В 2010 году в Швейцарии, в институте PSI (Paul Scherrer Institute), провели эксперимент с мюонным водородом — системой, где электрон заменили более тяжёлым мюоном. Результат потряс научное сообщество. Измеренный радиус протона оказался на 4% меньше общепринятого значения. Этот эффект получил название «протонная головоломка» и до сих пор не имеет однозначного объяснения.

Ожидания ученых предполагали, что цифры, которые мы имеем для простого атома, где вокруг ядра располагаются электроны, и для мюония должны коррелировать. Но оказалось, что если ядро окружено электронами, то радиус один, а если мюоном — другой. Это совершенно не логично, если рассматривать протон как обычную частицу в той форме, как предполагала всегда стандартная модель.

Протон как процесс, а не объект

Эти открытия перевернули представление о протоне. Сегодня физики описывают его не как статичный изученный объект, а как динамическую квантовую систему, в которой энергия и частицы непрерывно рождаются и исчезают.

Иными словами, протон — это не просто «шарик», а процесс. Процесс измерения и взаимодействия некоторой квантовой системы с окружающим миром, который порождает то, что мы видим как частица. И чем глубже мы его изучаем, тем больше он удивляет учёных.