Unde se află masa protonului? O explorare a particulelor fundamentale
Atunci când ne referim la masa unui obiect, ne imaginăm că aceasta reprezintă suma maselor tuturor părților sale. La nivel subatomic, am putea crede că același principiu se aplică: masa protonului ar trebui să fie pur și simplu suma maselor celor trei cuarcuri (două „up” și unul „down”) care îl formează. Totuși, adevărul din fizica cuantică este mult mai elaborat — și captivant.
Cât de mult contribuie cuarcurile?
Conform studiilor recente, inclusiv cele desfășurate de fizicianul Keh-Fei Liu și echipa sa în revista Physical Review Letters, aproximativ 9% din masa unui proton provine de la cele trei cuarcuri ale sale. Cuarcurile își obțin masa prin intermediul câmpului Higgs — un câmp fundamental propus în anii ’60 și validat experimental în 2012, odată cu descoperirea bosonului Higgs. Funcția acestui câmp este de a interacționa cu particulele fundamentale, încetinindu-le și „împrumutându-le” astfel masă.
Dar dacă cuarcurile contribuie atât de puțin la masa protonului, de unde provine restul?
Restul masei: energie și interacțiuni cuantice
Majoritatea masei unui proton — în jur de 91% — nu rezultă din masa de repaus a cuarcurilor, ci din energia și din dinamica acestora. Fizica modernă, conform teoriei relativității lui Einstein, ne arată că masa și energia sunt echivalente, conform celebrei formule E=mc². Prin urmare, energia care leagă cuarcurile în interiorul protonului reprezintă o parte semnificativă din masa acestuia.
Detaliind:
– Aproximativ 32% din masă provine din energia cinetică a cuarcurilor, chiar și atunci când acestea sunt „închise” în interiorul protonului.
– 36% este atribuit gluonilor — particule fără masă care transportă forța nucleară tare și mediază interacțiunile dintre cuarcuri. Energia pe care o transportă aceștia contribuie considerabil la masa totală a protonului.
– Celelalte 23% provin din efectele cuantice complexe, inclusiv fluctuațiile de vacuum și interacțiunile dintre câmpurile cuantice aflate în interiorul protonului.
Aceste procese sunt descrise de teoria cromodinamicii cuantice (QCD), care explică interacțiunile dintre cuarcuri și gluoni. Fenomenele extreme de energie la scară microscopică generează o masă pe care o percepem la scară macro.
Câmpul Higgs: un sirop cosmic
Pentru a înțelege mai bine procesul de „însămânțare” a masei pentru particulele fundamentale, fizicienii utilizează analogii. Câmpul Higgs este adesea comparat cu un sirop dens prin care particulele se deplasează. Unele, precum fotonii, trec prin acest câmp fără a interacționa, rămânând fără masă. Altele, cum ar fi cuarcurile, sunt „încetinite” și astfel acumulează masă.
O altă analogie descrie particulele ca fiind persoane la o petrecere: unele sunt populare și atrag atenția (corespunzător unei mase mai mari), în timp ce altele trec neobservate (particule cu masă mică sau inexistentă). În acest context, „popularitatea” este o metaforă pentru gradul de interacțiune al unei particule cu câmpul Higgs.
Dar ce a dat naștere câmpului Higgs?
La scurt timp după Big Bang, toate particulele existau fără masă, călătorind cu viteza luminii într-un univers extrem de fierbinte și dens. Pe măsură ce universul s-a extins și s-a răcit, temperatura a scăzut sub un prag critic, iar câmpul Higgs a „devenit activ”. Această tranziție a schimbat proprietățile fundamentale ale spațiu-timpului și a permis formarea masei.
Totuși, motivul pentru care unele particule interacționează puternic cu câmpul Higgs în timp ce altele o fac mai slab…
