Физики узнали, что составляет массу протона
Только 9 процентов массы субатомных частиц происходит от массы их кварков
Масса протона — это не просто сумма масс его частей. И теперь ученые знают, что именно объясняет вес субатомной частицы.
Протоны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками, поэтому вы можете ожидать, что простое сложение масс кварков даст вам массу протона (938,2 МэВ). Однако эта сумма слишком мала, чтобы объяснить массу протона.
Новые подробные расчеты показывают, что только 9 процентов веса протона приходится на массу составляющих его кварков. Остальная масса протона происходит от сложных эффектов, происходящих внутри частицы, сообщают исследователи.
Кварки получают свою массу от процесса, связанного с бозоном Хиггса, элементарной частицей, впервые обнаруженной в 2012 году. Однако всей массы кварков не хватит, чтобы объяснить массу протона.
Вместо этого большая часть массы протона обусловлена сложностями квантовой хромодинамики, или КХД, теории, которая учитывает перемешивание частиц внутри протона.
Выполнение расчетов с помощью КХД чрезвычайно сложно, поэтому для теоретического изучения свойств протона ученые полагаются на метод, называемый решеточной КХД, в котором пространство и время разбиваются на сетку, на которой находятся кварки.
Используя эту технику, физики предварительно рассчитали массу протона. Но ученые до сих пор не знали точно, откуда взялась эта масса.
Теперь физики из университета Кентукки выяснили, что в дополнение к 9 процентам массы протона, получаемой из массы кварков, 32 процента поступают от энергии кварков, проносящихся внутри протона. (Это потому, что энергия и масса являются двумя сторонами одной медали, благодаря известному уравнению Эйнштейна, E = mc2.)
Другие обитатели протона, безмассовые частицы, называемые глюонами, которые помогают удерживать кварки вместе, вносят еще 36 процентов своей энергии.
Остальные 23 процента возникают из-за квантовых эффектов, которые появляются, когда кварки и глюоны взаимодействуют сложным образом внутри протона. Эти взаимодействия заставляют КХД нарушать принцип, называемый масштабной инвариантностью.
В масштабно-инвариантных теориях растягивание или сокращение пространства и времени не имеет значения для результатов теорий. Массивные частицы обеспечивают теорию масштабом, поэтому, когда КХД не поддается масштабной инвариантности, протоны также набирают массу.
Результаты исследования не удивительны, говорит физик-теоретик Андреас Кронфельд из Фермилаба. Ученые давно подозревают, что масса протона была составлена таким образом. Но, по его словам, «этот вид расчетов заменяет убеждение научным знанием».
Y.B. Yang et al. Proton mass decomposition from the QCD energy momentum tensor. Physical Review Letters. Vol. 121, November 23, 2018, p. 212001. doi: 10.1103/PhysRevLett.121.212001.