Fizycy w końcu obliczyli, skąd pochodzi masa protonu

Masa protonu to coś więcej niż suma jego części. A teraz naukowcy wiedzą, co odpowiada za ciężar cząstki subatomowej. Protony składają się z jeszcze mniejszych cząstek zwanych kwarkami, więc można się spodziewać, że proste dodanie mas kwarków powinno dać masę protonu. Jednakże, ta suma jest o wiele za mała, aby wyjaśnić masę protonu. I nowy, pokazują to szczegółowe obliczenia tylko 9 procent masy protonu pochodzi z masy składowych kwarków. Reszta masy protonu pochodzi ze skomplikowanych efektów zachodzących wewnątrz cząstki, donoszą badacze w listopadzie ub. 23 Listy z przeglądu fizycznego.

OGROMNE PRZEDSIĘWZIĘCIE Używając techniki zwanej kratą QCD, Naukowcy odkryli, w jaki sposób protony (zilustrowane tutaj w jądrze atomu) zdobądź ich masowe zdjęcie: KTSDESIGN/SHUTTERSTOCK

Kwarki uzyskują swoją masę w procesie związanym z bozonem Higgsa, cząstka elementarna wykryta po raz pierwszy w r 2012 (SN: 7/28/12, P. 5). Ale „masy kwarków są małe,” mówi współautor badania i fizyk teoretyczny Keh-Fei Liu z University of Kentucky w Lexington. Więc, dla protonów, wyjaśnienie Higgsa jest niewystarczające.

Zamiast, większość protonów 938 milionów elektronowoltów masy wynika ze złożoności chromodynamiki kwantowej, lub QCD, teoria wyjaśniająca ubijanie cząstek w protonie. Wykonywanie obliczeń za pomocą QCD jest niezwykle trudne, więc teoretycznie zbadać właściwości protonu, naukowcy polegają na technice zwanej kratą QCD, w którym przestrzeń i czas są podzielone na siatkę, na których znajdują się kwarki.

Za pomocą tej techniki, wcześniej fizycy obliczyłem masę protonu (SN: 12/20/08, P. 13). Ale naukowcy do tej pory nie podzielili się, skąd pochodzi ta masa, mówi fizyk teoretyczny André Walker-Loud z Lawrence Berkeley National Laboratory w Kalifornii. „To ekscytujące, ponieważ jest to znak, że… naprawdę wkroczyliśmy w nową erę”, w której sieć QCD może być wykorzystana do lepszego zrozumienia fizyki jądrowej.

Dodatkowo 9 procent masy protonu, który pochodzi z ciężaru kwarków, 32 procent pochodzi z energii kwarków poruszających się wewnątrz protonu, Liu i współpracownicy znaleźli. (To dlatego, że energia i masa to dwie strony tej samej monety, dzięki słynnemu równaniu Einsteina, E=mc².) Inni mieszkańcy protonu, bezmasowe cząstki zwane gluonami, które pomagają utrzymać razem kwarki, wnieść inny 36 procent poprzez swoją energię.

pozostałe 23 procent powstaje z powodu efektów kwantowych, które występują, gdy kwarki i gluony oddziałują w skomplikowany sposób w protonie. Te interakcje powodują, że QCD lekceważy zasadę zwaną niezmiennością skali. Teorie niezmienne w skali, rozciąganie lub kurczenie przestrzeni i czasu nie ma wpływu na wyniki teorii. Masywne cząstki dostarczają teorii skali, więc kiedy QCD przeciwstawia się niezmienniczości skali, protony również zyskują masę.

Wyniki badania nie są zaskakujące, mówi fizyk teoretyczny Andreas Kronfeld z Fermilab w Batavii, Chory. Naukowcy od dawna podejrzewali, że w ten sposób powstała masa protonu. Ale, on mówi, „taki rodzaj kalkulacji zastępuje wiarę wiedzą naukową”.

Źródło: www.sciencenews.org, przez Emily Conover