Физики наконец-то подсчитали, из чего состоит масса протона

Кварки обеспечивают лишь 9% массы этих субатомных частиц.

Физики наконец-то подсчитали, из чего состоит масса протона

Масса протона — это не просто сумма частей. И теперь ученые знают, как она создается.

Протоны состоят из еще более мелких частиц — кварков, — и можно было бы предположить, что простое сложение масс кварков даст массу протона. Но нет, их суммарная масса для этого слишком мала. Масса самих кварков появляется из процессов, связанных с бозоном Хиггса, — элементарной частицей, впервые описанной в 1964 году и найденной лишь в 2012 году.

Масса протона — 938 миллионов электронвольт. Новые подробные вычисления показали, что лишь 9% этой массы обеспечивается его кварками. Все остальное — это результат физических взаимодействий между частицами , то есть особенностями квантовой хромодинамики (КХД), теории, описывающей сильное взаимодействие элементарных частиц, в том числе внутри протона.

Делать расчеты в рамках КХД очень сложно, поэтому ученые используют метод решеточной КХД. Метод основан на замене непрерывного пространства-времени дискретной решеткой и симуляции происходящих процессов с помощью метода Монте-Карло. Именно с помощью этого метода в 2008 году физики рассчитали массу протона. Но тогда никто не углублялся в вопрос источника этой массы.

По результатам расчетов, 32% массы обеспечивается энергией движения кварков внутри протона. Еще 36% создается энергией невесомых глюонов, которые удерживают кварки вместе.

Оставшиеся 23% — от квантовых эффектов взаимодействия кварков и глюонов. Именно из-за этих взаимоотношений теории КХД удается попирать правило инвариантности к изменениям масштаба. В теориях, обладающих масштабной инвариантностью, растягивание и сжатие пространства и времени не влияет на результаты. Массивные частицы дают теории размерность, поэтому когда КХД нарушает масштабную инвариантность, протоны набирают массу.

Результаты не стали неожиданностью, отмечают физики-теоретики. Именно так и предполагали ученые, но теперь у них есть твердых доказательства. Именно они и превращают предположения в научные знания.

 — 

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.