Раніше вважали, що протони, як іелектрони —елементарні частинки, не мають внутрішньої структури. Однак сучасні дослідження показують, що протон є дуже складною системою, а його складові частинки,кварки, мають унікальні характеристики.
Оскільки ядро водню, що є найрозповсюдженішим елементом (близько 77 % маси звичайної матерії Всесвіту) є протоном, а ядро гелію, другого за поширенням (20 %), наполовину складається з протонів, можна сказати, що протони складають майже 85 % баріонної матерії Всесвіту[2].
Уперше ідею про те, що атоми не є елементарними частинками матерії, а натомість складаються з дрібніших частинок, висловив англійський лікар і хімікВільям Праут[en] у серії статей, опублікованих у 1815 році. Він звернув увагу на те, що співвідношення атомних мас багатьох елементів до атомної маси водню були майже цілими, і висловив припущення, що атоми всіх елементів складаються з атомів водню, а маси елементів, що не кратні масі водню, просто були виміряні неправильно. Точність вимірів у той час справді була невисокою, тому ця теорія деякий час була популярною, утім, дуже скоро зростаюча точність експериментів дала змогу продемонструвати її помилковість — наприклад, атомна масахлору 35,5 ніяк не могла бути пояснена помилками експериментів. До 1860-х років було встановлено, що атомні маси майже всіх елементів не кратні масі водню[3]. Проте після відкриття в кінці XIX століттяізотопів — атомів одного і того ж елементу, що мають різну атомну вагу, гіпотеза Праута знов привернула увагу.
Анодні промені
1886 рокуОйген Гольдштейн[en] під час експериментів ізтрубкою Крукса спостерігаванодні промені, що є потоками позитивно зарядженихіонів. У 1897 роціДжозеф Томпсон відкрив електрон і виміряв його співвідношення заряду до маси, спостерігаючи за його відхиленням у магнітному полі, проте для анодних променів цей метод не давав єдиних значень, і було зрозуміло, що вони складаються з частинок різних сортів. 1898 рокуВільгельм Він встановив, що найбільше відношення заряду до маси мають іони водню — протони[4], а у 1907 році Томпсон виміряв це відношення з високою точністю.
1909 року був проведенийексперимент Гейгера — Марсдена, за результатами якогоЕрнест Резерфорд побудувавпланетарну модель атома, згідно з якою атом складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого обертаються негативно заряджені електрони. Ця модель визначила подальший розвиток уявлень про внутрішні складові атому — зокрема, протони.
1919 року Резерфорд, опромінюючиальфа-частинками газазот, виявив у ньому певну кількість атомівводню. Це була перша штучно викликанаядерна реакція. Зважаючи на те, що водень має атомну масу 1, Резерфорд дійшов висновку, що його ядро є елементарною частинкою, яка входить до складу інших частинок.
Невідомо достеменно, коли і ким був придуманий і асоційований з іонами водню термін «протон», але у 1920 році Резерфорд використав його у записці[5].
У 1960-х роках під час експериментів на прискорювачах було встановлено, що енергія всередині протона не розподілена рівномірно, а сконцентрована в кількох компактних об'єктах, якіРічард Фейнман запропонував називатипартонами[6]. У 1964 роціГелл-Манн і Цвейг розробили теорію кварків, що пояснювала як розподіл партонів усередині протона, так і розмаїття баріонів.
У 2018 році вчені з Лабораторії імені Джефферсона у Вірджинії, використовуючи прискорювач електронів CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) і складну математичну обробку даних, справили обчислення значення тиску всередині протона. Отримані ними результати виявилися приголомшливими: тиск усередині протона перевершує тиск всерединінейтронних зір, які, як відомо, є одними з найщільніших об'єктів у Всесвіті. Джерелами такого високого тиску є кварки — елементарні частинки, з яких і складається протон. Величина цього тиску становить 1035 паскалів, що в 1030 разів перевищує нормальнийатмосферний тиск на рівні моря[7].
Розподіл кількості партонів різних типів (глюони,u-,d-,s-кварки), залежно від енергії протона
Як і інші баріони, протон складається з кварків, проте вказати його точний склад вельми проблематично. Річ у тім, що будова протона залежить від системи відліку — часто описуваний кварковий склад протона (дваверхніх і одиннижній кварк — ці три кварки називаютьвалентними), стосується лише випадку нерухомого протона. Якщо розглядається ультрарелятивістський протон, ситуація ускладнюється: дедалі більша частина енергії протона припадає наглюони (до половини всієї енергії частинки для високоенергетичних протонів), а також «морські» кварки[8].
Механізм цього явища такий: що більшу енергію несе кварк, то більш високоенергетичні віртуальні глюони він випромінює і тим довшою є тривалість їхнього життя (як результатрелятивістського уповільнення часу). Досить високоенергетичні глюони можуть, своєю чергою, розпастися на пару кварк-антикварк (саме такі кварки й називаютьморськими), які випромінюють нові глюони тощо. Кількість кварків-антикварків і глюонів при цьому весь час змінюється і фактично залежить лише від точності вимірювання (що менша енергія, то більше частинок такої енергії)[9]. При цьому зберігається первісна пропорція між кварками — кількістьd-кварків на один більша за кількістьd-антикварків, а кількістьu-кварків на два більша за кількістьu-антикварків.
Оскільки дослідження внутрішньої структури протона проводяться на високих енергіях, аналіз отриманих даних може бути нетривіальним. Наприклад, питання про те, як спін протона складається зі спінів його складових, досі не вирішено остаточно[10].
Гіпотетичний шлях розпаду протона на піон і позитрон через проміжнийX-бозон
Довгий час протон вважали абсолютно стабільною частинкою, що пов'язувалося з емпіричним законом збереженнябаріонного числа: протон є найлегшим із баріонів, тому не може розпастися. Проте немає фізичних законів, які вимагали б збереження цього показника, а втеорії великого об'єднання це правило не виконується явним чином, а отже, протон може розпадатися — імовірно, напозитрон і нейтральнийпіон[11].
Іншим фактом, що підтверджує таку можливість, єбаріонна асиметрія Всесвіту: баріони переважають числом антибаріони, хоча в моментВеликого вибуху вони мали утворитися в однакових кількостях. Для експериментального визначення часу життя протона використовують такі установки, якСупер-Каміоканде, або інші, що мають схожий принцип роботи — великий бак, захищений від зовнішнього впливу, заповнений водою. Стінки бака вкрито надчутливими детекторами, які мають зафіксуватичеренковське випромінювання від частинок, що утворяться внаслідок розпаду протона. Розпад протона ще не спостерігався жодного разу, що вказує на тривалість його життя принаймні в 1034 років[12].
Протони часто використовують для вивчення властивостей ядер атомів, ініціювання ядерних реакцій, досліджень у фізиці елементарних частинок. Для проведення експериментів протонам надають велику енергію вприскорювачах заряджених частинок. Наприклад, наТеватроні протонам можна було надати енергію зіткнення до 1тераелектронвольта.
Потрапляючи в речовину, енергетичні протони, як заряджені частинки, втрачають енергію — переважно на іонізацію речовини. Швидкість втрати енергії можна розрахувати заформулою Бете — Блоха. Іонізаційні втрати більші за менших енергій, тому протони втрачають енергію і створюють найбільшу кількістьрадіаційних дефектів наприкінці свого пробігу в речовині. Великі втрати зумовлюють незначну довжину пробігу. Зупинившись у речовині, протон перетворюється на звичайний атом водню.
Разом із нейтронами протони складають ядра атомів, а отже, й основну масу звичайної матерії. Кількість протонів у ядрі атома визначає йогоатомний номерZ. Протони й нейтрони у складі атомних ядер називають нуклонами.
Надзвичайно важливою для існування Всесвіту у звичному нам вигляді є стабільність деяких комбінацій протонів і нейтронів, попри те що вільний нейтрон розпадається приблизно за 600 секунд. Протон, хоч і практично стабільний сам по собі, не здатен поєднуватися з іншими протонами:діпротон[de] (або гелій-2) є вкрай нестабільним і розпадається приблизно за 10−21 секунди[13]. Це відбувається завдякисильній взаємодії, яка знижує загальну енергію багатонуклонних систем і робить їх розпад (та розпад нейтронів, що входять до їх складу) енергетично невигідним[14].
У випадку легких елементів (докальцію включно) найстабільнішими є ядра, у яких кількість протонів і нейтронів є рівною — це зумовленопринципом заборони Паулі, через який кожна наступна пара нуклонів одного виду має займати все вищі й вищі енергетичні рівні[15]. Для великих ядер починає відігравати ролькулонівське відштовхування, що підвищує загальний енергетичний рівень ядра. Електростатичні сили залежать лише від кількості протонів, тому у великих стабільних ядрах нейтронів більше ніж протонів — наприклад, у ядріурану нейтронів у півтора раза більше, ніж протонів.
Термоядерна реакція поєднання протонів є базовим джерелом енергії у зорях, які перебувають наголовній послідовності. Перша реакція циклу — злиття двох протонів з утворенням ядрадейтерію, позитрона інейтрино, а друга — злиття дейтерію зі ще одним протоном з утворенням ядрагелію-3. Подальший нуклеосинтез може йти різними шляхами залежно від маси зорі. Практично всі елементи Всесвіту, важчі літію, утворилися в реакціяхзоряного нуклеосинтезу.
Оскільки протони є стабільними й доступними, вони активно використовуються у дослідженнях на прискорювачах. Перші прискорювачі протонів було побудовано ще 1932 року[16]. Зараз найвисокоенергетичніші дослідження проводяться наВеликому адронному колайдері, на якому протони розганяють до сумарної енергії зіткнення 13 ТеВ[17].
Оскільки протони в речовині найефективніше гальмуються, а отже й виділяють найбільше енергії, на кількох останніх міліметрах пробігу, низькоенергетичні прискорювачі протонів використовують для опроміненняракових тканин усередині тіла. Правильно підібравши енергію протонів, можна досягти того, що майже вся енергія виділятиметься в пухлині, знищуючи її й не пошкоджуючи навколишні тканини[18].
У хімії протонами називають позитивні іони водню H+. Проте в розчинах іон водню ніколи не буває повністю вільний від взаємодії з електронами, тому протон у хімічному сенсі відрізняється від протонів, які входять до складу ядра атома.
Однією з проблем сучасної фізики є розбіжності у вимірах зарядового радіуса протона. Результати, отримані шляхом вимірювання за допомогоюмюонних атомів, виходять на 4 % меншими, ніж на звичайних (0,84 фемтометра проти 0,88). На цей момент адекватного пояснення цього результату немає[19][20].
