Velik dio mase protona dolazi od energije čestica od kojih je sastavljen. Protoni se sastoje od još manjih čestica poznatih kao kvarkovi. Možda se čini razumnim da jednostavnim zbrajanjem masa kvarkova dobijemo masu protona. Ali to nije slučaj.
Masa protona veća je od zbroja njegovih dijelova. Znanstvenici su konačno shvatili što objašnjava težinu ove subatomske čestice. Protoni se sastoje od još manjih čestica poznatih kao kvarkovi. Možda se čini razumnim da bi jednostavnim zbrajanjem masa kvarkova dobila masa protona. Pa ipak, to nije slučaj. Taj je zbroj premalen da bi objasnio masu protona. Novi detaljni izračuni pokazuju da samo 9% težine protona dolazi od mase njegovih kvarkova. Ostatak dolazi od složenih učinaka koji se događaju unutar čestice.
Kvarkovi dobivaju svoje mase iz procesa povezanog s Higgsovim bozonom, elementarnom česticom prvi put otkrivenom 2012. godine. Ali “mase kvarkova su sićušne”, objašnjava teorijski fizičar Keh-Fei Liu, koautor nove studije i profesor na Sveučilištu Kentucky u Lexingtonu. Dakle, za protone, napominje, Higgsovo objašnjenje je nedovoljno. Umjesto toga, većina od 938 milijuna elektronvolti protona dolazi iz nečega poznatog kao QCD. QCD je kratica za kvantnu kromodinamiku (KWON-tum Kroh-moh-dy-NAM-iks). QCD je teorija koja objašnjava kovitlanje čestica unutar protona. Znanstvenici matematički proučavaju svojstva protona koristeći teoriju. Ali izvođenje izračuna pomoću QCD-a prilično je teško. Stoga pojednostavljuju stvari koristeći tehniku koja se zove QCD (lattice – rešetka). Ona uključuje dijeljenje vremena i prostora u mrežu. Kvarkovi mogu postojati samo na točkama mreže.
Zvuči komplicirano? Jest. Malo ljudi doista razumije ovaj koncept (dakle, u dobrom smo društvu). Istraživači su svoje novo otkriće opisali u časopisu Physical Review Letters. Impresivan podvig Fizičari su prethodno koristili ovu tehniku za izračun mase protona. Ali do sada nisu odvojili dijelove protona koji čine dio njegove mase, objašnjava André Walker-Loud, teorijski fizičar u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Berkeley u Kaliforniji. “Uzbudljivo je”, kaže, “jer je to znak da… smo zaista ušli u ovo novo doba”, doba u kojem se rešetkasta QCD može koristiti za bolje razumijevanje jezgri atoma.
Liu i kolege otkrili su da osim mase kvarkova, dodatnih 32 posto mase protona dolazi od energije kvarkova koji kruže unutar protona. (To je zato što su energija i masa dvije strane iste medalje: Albert Einstein je to demonstrirao poznatom jednadžbom, E = mc2. E označava energiju, m je masa, a c je brzina svjetlosti.) Sada dolazi nešto stvarno čudno: čestice bez mase zvane gluoni, koje djeluju kao ljepilo između kvarkova, doprinose dodatnih 36 posto mase protona svojom energijom. Preostalih 23 posto dolazi od efekata koji se javljaju kada kvarkovi i gluoni međusobno djeluju na složene načine. Ti efekti rezultat su kvantne mehanike, te čudne grane fizike koja opisuje neizmjerno male.
„Rezultati studije nisu iznenađujući“, kaže Andreas Kronfeld, teorijski fizičar u Fermilabu u Bataviji, Illinois. Znanstvenici su dugo sumnjali da je masa protona otprilike ovako sastavljena. „Ali“, dodaje, „novi nalazi su utješni. Ovakav izračun zamjenjuje vjerovanje znanstvenim znanjem.“
HOP