Částicové Zoo – protony

Proton je jednou z nejznámějších částic hmoty. Přesto umí ještě překvapit zajímavými detaily ze svého života. Jsou například daleko těžší, než by naznačoval součet hmotnosti elementárních částic, ze kterých se skládají.

Hmota, kterou kolem sebe vidíte, se skládá z atomů. Ty se naopak skládají z atomových jader a elektronového oblaku, který jádro obklopuje. V jádrech atomů se skrývají protony a neutrony – částice hmoty, které jsou pro změnu složeny z několika kvarků.

Celý systém je tedy na první pohled celkem jednoduchý a přehledný. Ale už na druhý pohled udiví několika zajímavými detaily.

Teoretický proton

Proton patří mezi hadrony, částice, složené z jiných částic. Tvoří se z kombinace tří kvarků (jistě si vzpomenete na naše pomyslné částicové Zoo a jeho červený výběh, ve kterém žijí tři kvarkové rodiny). Nejsou to libovolné tři kvarky – ve viditelné hmotě vesmíru nacházíme jen ty nejlehčí ze všech – kvarky „up“ a „down“.

Tento zjednodušený model protonu je bohužel velmi nepřesný.

Reálné protony jsou skutečně tvořeny mimo jiné třemi kvarky, které jsou zodpovědné za vnější vlastnosti naší složené částice. Ovlivňují její elektrický náboj. U protonu jsou to konkrétně dva „up“ kvarky a jeden „down“ kvark. Když sečteme jejich vlastní náboje 2/3 + 2/3 - 1/3, dávají protonu výsledný náboj +1.

Silná jaderná interakce v protonech

Všechny tyto kvarky (říká se jim „valenční“) spolu neustále komunikují a působí na sebe pomocí tzv. „gluonů“ – částic, kterými se uvnitř hadronů zprostředkovává tzv. „silná jaderná interakce“. Je to jedna ze čtyř základních, ve vesmíru působících sil. Stará se o to, že kvark drží pospolu, a to i ty, které jsou stejně elektricky nabité a proto se navzájem odpuzují. Silná jaderná interakce je ale daleko silnější než elektromagnetismus a drží tak celé protonové Zoo pohromadě. 

Gluony samy také podléhají této síle - silné jaderné interakci - mohou tedy reagovat nejen s kvarky, ale i samy mezi sebou.  

Tak jako elektromagnetická síla pracuje s elektrickým nábojem, předává silná jaderná interakce tzv. „barevný náboj“. Je to pomyslná vlastnost, která se chová podobně jako barvy, na které jsme zvyklí z našeho vlastního makrosvěta. Díky této síle se může z „červeně zbarveného“ kvarku stát modrý nebo zelený. Výměna barev je umožněna právě gluony, které samy nesou podobný barevný náboj jako kvarky. Pokud například kvark se zeleným nábojem mění barvu s červeným gluonem, odchází z interakce kvark s barvou červenou a zelený gluon.

Na obrázku našeho virtuálního Zoo jsou gluony znázorněny ošetřovateli. Při každém doteku pod jejich rukama zvířata mění svou identitu. Zebra sice zůstane zebrou a antilopa antilopou, mění ale příslušnost k určitému druhu, mění tedy svou „barvu“. Aby byl chaos dokonalý, vyměňují si navíc i tito ošetřovatelé navzájem své identity – a to při každém vzájemném kontaktu.

Zdá se vám to chaotické? Pak vás asi další výklad nepotěší. pořád ještě jsme  se nedostali ke skutečné, komplikované realitě.

Virtuální kvarky

Kromě těchto základních reálných částic se v protonu nachází také tzv.  „moře virtuálních částic“. Jsou to páry kvarků a antikvarků, které neustále vznikají a rychle zase zanikají. I ony reagují s gluony a kvarky kolem sebe a celý systém tak elegantně dovádějí k absolutní perfekci nebo chaosu (záleží na vašem úhlu pohledu). 

Hmotnost protonu

Na první pohled by se mohlo zdát, že se dá hmotnost protonu vypočítat z hmotnosti jeho vnitřních součástí – tedy částicových zeber, antilop a jejich ošetřovatelů.

Ve světě částic se ale hmotnost projevuje také rychlostí, kterou se pohybují.

Tato „rychlostní“ komponenta hmoty se v našem makrosvětě moc neprojevuje. Necestujeme tak rychle, aby dosáhla znatelných hodnot. Ale i zde, pokud bychom například urychlili raketu na tzv. „relativistickou“ rychlost (počítají se do ní už i zlomky rychlosti světla) by hmota rakety jakoby zázračně narostla.  Když počítáme hmotnost, tak vždycky pro jednu konkrétní hodnotu rychlosti v.

Čím vyšší je rychlost v, tím vyšší je hodnota zlomku v odmocnině. Čím vyšší hodnotu má tento zlomek (může se při hodně vysokých rychlostech blížit až k 1), tím menší číslo v odmocnině nacházíme. Menší číslo v odmocnině a tím i dolní části zlomku pak znamená vyšší hmotnost v levé části rovnice.

Pokud vzroste rychlost částice a blíží se rychlosti světla, roste tedy i její hmotnost. Elementární částice se v protonu pohybují velice rychle. Je to vidět z porovnání součtu jejich hmoty a hmoty protonu samotného.

Hmotnost protonu – 938 MeV. Hmotnost kvarků a gluonů v protonu – 16 MeV. Skutečná klidová hmota elementárních částic, ze kterých se proton skládá, tvoří tedy jen asi setinu jeho reálné hmoty.

Příště: Částicové Zoo – Neutrony