Titlu: De unde derivă, de fapt, masa unui proton?
Ne-am putea aștepta, bazându-ne pe o logică simplă, ca masa unui proton să fie echivalentă cu suma exactă a maselor particulelor fundamentale care îl formează. În esență, protonul are o structură interioară bine definită: este format din trei cuarcuri. Cu toate acestea, realitatea din sfera particulelor subatomice se dovedește a fi mult mai complicată. Conform studiilor avansate în fizica particulelor, doar aproximativ 9% din masa unui proton derivă din masa inertă a celor trei cuarcuri care îl compun.
Această observație generează o întrebare captivantă: din ce provine restul masei?
Protonii – o entitate mai complexă decât suma părților
Un proton este alcătuit din două cuarcuri „up” și unul „down”, ținute împreună prin particule ce transportă forța nucleară puternică, numite gluoni. Cuarcurile sunt particule fundamentale și își obțin masa prin interacțiunea cu câmpul Higgs, un mediu energetic invizibil ce umple întregul Spațiu și Timp, care a apărut la scurt timp după Big Bang.
Cu toate acestea, masa cuarcurilor ce constituie un proton este neglijabilă în comparație cu masa totală a protonului – doar 9%. Atunci, de unde provine restul de 91%?
Răspunsul se află în fundamentele teoriei cuantice a câmpurilor, mai precis în cromodinamica cuantică (QCD), ramura care descrie interacțiunile dintre cuarcuri și gluoni.
Energia din interiorul protonului se transformă în materie
Exact așa cum subliniază celebra ecuație a lui Einstein – E = mc² – energia poate fi echivalată cu masa. Astfel, energia ce menține cuarcurile legate într-un proton contribuie la masa acestuia. Un studiu publicat în revista Physical Review Letters, realizat de fizicianul Keh-Fei Liu de la Universitatea Kentucky, dezvăluie distribuția acestei energii:
– 9% – provine din masa proprie a cuarcurilor.
– 32% – provine din energia cinetică a cuarcurilor, adică din mișcarea lor internă rapidă.
– 36% – este generată de energia câmpului gluonic, adică energia gluonilor care acționează ca niște „lipici” cuantici, menținând cuarcurile unite în proton.
– 23% – provine din efecte cuantice complexe, precum modificările dinamice ale câmpurilor subatomice, fluctuațiile cuantice și energia potențială generată din interacțiunile dintre cuarcuri și gluoni.
Forța nucleară puternică: principalul factor contributor la masa protonului
Forța nucleară puternică, mediată de gluoni, este responsabilă pentru interacțiunile dintre cuarcuri. Gluonii înșiși nu au masă, dar câmpul energetic pe care îl creează este extrem de dens. Această forță este atât de intensă, încât energia necesară pentru a separa cuarcurile devine echivalentă cu generarea altor perechi de cuarcuri – un proces esențial pentru înțelegerea fenomenului de „confinare” din QCD. Această acumulare a energiei în regiunile foarte mici – precum interiorul unui proton – se transformă direct în masă.
Câmpul Higgs – sursa masei particulelor fundamentale
Cuarcurile obțin masa prin interacțiunea cu câmpul Higgs. O analogie frecvent utilizată compară acest câmp cu un sirop dens prin care trec particulele. Cele care interacționează mai intens sunt încetinite mai mult, ceea ce înseamnă că au o masă mai mare.
Cu toate acestea, aceasta este doar partea vizibilă a icebergului: deși cuarcurile capătă masă prin câmpul Higgs, contribuția lor finală la masa protonului rămâne destul de modestă, după cum am menționat.
Este important de subliniat că câmpul Higgs nu adaugă energie direct. El doar face ca anumite particule să se comporte „de parcă” ar avea masă. Procesul a început după ce, în primele momente ale existenței…
