Fizicienii au calculat în cele din urmă de unde provine masa protonului

Masa unui proton este mai justă decât suma părților sale. Și acum oamenii de știință știu exact ce explică greutatea particulei subatomice. Protonii sunt formați din particule și mai mici numite quarci, așa că te-ai putea aștepta ca simpla adunare a maselor quarcilor să îți dea masa protonului. in orice caz, acea sumă este mult prea mică pentru a explica volumul protonului. Și nou, calculele detaliate arată că numai 9 procente din greutatea protonului provine din masa cuarcilor constituenți. Restul masei protonului provine din efectele complicate care apar în interiorul particulei, cercetătorii raportează în noiembrie. 23 Scrisori de revizuire fizică.

AFACERI MASIVE Folosind o tehnică numită lattice QCD, oamenii de știință și-au dat seama cum protonii (ilustrat aici în nucleul unui atom) obțineți fotografia lor în masă: KTSDESIGN/SHUTTERSTOCK

Quarcii își obțin masele dintr-un proces conectat la bosonul Higgs, o particulă elementară detectată pentru prima dată în 2012 (SN: 7/28/12, p. 5). Dar „masele de quarci sunt mici,” spune coautorul studiului și fizicianul teoretic Keh-Fei Liu de la Universitatea din Kentucky din Lexington. Asa de, pentru protoni, explicația lui Higgs este scurtă.

In schimb, majoritatea protonilor 938 milioane de electroni volți de masă se datorează complexității cromodinamicii cuantice, sau QCD, teoria care explică agitarea particulelor în proton. Efectuarea de calcule cu QCD este extrem de dificilă, deci pentru a studia proprietățile protonului teoretic, oamenii de știință se bazează pe o tehnică numită lattice QCD, în care spațiul și timpul sunt rupte într-o grilă, pe care rezidă quarkurile.

Folosind această tehnică, fizicienii au avut anterior a calculat masa protonului (SN: 12/20/08, p. 13). Dar oamenii de știință nu au împărțit de unde provine această masă până acum, spune fizicianul teoretician André Walker-Loud de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley din California. „Este incitant pentru că este un semn că... am ajuns cu adevărat în această nouă eră” în care QCD-ul latice poate fi folosit pentru a înțelege mai bine fizica nucleară.

În plus față de 9 procent din masa protonului care provine din greutatea quarcilor, 32 procentul provine din energia quarcilor care se învârt în interiorul protonului, Liu și colegii au găsit. (Asta pentru că energia și masa sunt două fețe ale aceleiași monede, datorită faimoasei ecuații a lui Einstein, E=mc².) Alți ocupanți ai protonului, particule fără masă numite gluoni care ajută la menținerea quarcilor împreună, contribuie cu altul 36 procente prin energia lor.

Restul 23 procentul apare din cauza efectelor cuantice care apar atunci când quarcii și gluonii interacționează în moduri complicate în cadrul protonului. Aceste interacțiuni fac ca QCD să încalce un principiu numit invarianță la scară. În teoriile invariante de scară, întinderea sau micșorarea spațiului și timpului nu face nicio diferență pentru rezultatele teoriilor. Particulele masive oferă teoriei o scară, deci atunci când QCD sfidează invarianța la scară, protonii câștigă și ei masă.

Rezultatele studiului nu sunt surprinzătoare, spune fizicianul teoretician Andreas Kronfeld de la Fermilab din Batavia, Bolnav. Oamenii de știință au bănuit de mult că masa protonului a fost alcătuită în acest fel. Dar, el spune, „Acest tip de calcul înlocuiește o credință cu cunoștințe științifice.”

Sursă: www.sciencenews.org, de Emily Conover