Ne-am aștepta ca masa unui proton să fie dată de suma exactă a masei particulelor elementare din care este alcătuit. Dar oare este așa?

Protonii sunt alcătuiți din particule mai mici, numite cuarcuri. Dacă am aduna masa tuturor cuarcurilor dintr-un proton ne-am aștepta să ne dea masa protonului. Însă doar 9% din masa unui proton este dată de cuarcuri iar restul masei provine din efectele complicate care apar în interiorul protonului.

Cuarcurile primesc masă printr-un proces legat de bosonul Higgs, o particulă elementară descoperită pentru prima dată în 2012. Fizicianul Keh-Fei Liu de la Universitatea Kentucky se întreabă din ce anume mai este alcătuit protonul având în vedere că masa cuarcurilor dintr-un proton este atât de mică. Un studiu publicat în Physical Review Letters explică unde se află această masă lipsă.

Pe lângă cele 9 procente din masa protonilor care este dată de cuarcuri, alte 32% provin din energia lor, așa cum a arătat Liu și colegii săi în lucrarea publicată. Alți constituenți ai protonului, sunt gluonii – particule fără masă – care țin cuarcurile împreună și contribuie cu alte 36 procente datorită energiei lor.

Restul de 23% se datorează efectelor cuantice care apar atunci când cuarcurile și gluonii interacționează în moduri complicate în proton.

Conform relativității speciale, masa unui obiect crește atunci când are mai multă energie (de exemplu, când se mișcă mai repede). Când vorbim despre masa cuarcurilor ne referim la masa lor atunci când nu se mișcă. Masa de repaus a trei cuarcuri nu se adaugă la masa de repaus a unui proton. Diferența provine din energia care ține cuarcurile împreună în interiorul protonului.

În primele momente ale universului, aproape toate particulele nu aveau masă, călătorind cu viteza luminii într-o supă primordială foarte fierbinte. La un moment dat în această perioadă, apare câmpul Higgs, trecând prin materie și dând masă particulelor elementare.

Câmpul Higgs a schimbat mediul, modificând modul în care particulele se comportă. Unele dintre metaforele cele mai comune compară câmpul Higgs cu un sirop gros, care încetinește unele particule în timp ce acestea călătoresc. Alții și-au imaginat câmpul Higgs ca niște paparazzi aflați la o petrecere numeroasă. În timp ce unii oameni trec pe lângă, celebritățile sunt înconjurate de aceștia, încetinindu-le, iar chipurile mai puțin cunoscute trec prin mulțime neobservate. În acest caz, popularitatea este sinonimă cu masa – cu cât sunt mai populari, cu atât interacționează mai mult cu mulțimea și cu atât sunt mai „masivi”.

Dar ce a pornit câmpul Higgs? Știm că acest câmp este o proprietate a spațiu-timpului. De ce unele particule interacționează mai mult cu câmpul Higgs decât altele? Răspunsul scurt este: nu știm.

Imediat după Big Bang, câmpul Higgs a fost zero, dar pe măsură ce universul s-a răcit și temperatura a scăzut sub o valoare critică, câmpul a crescut. Cu cât o particulă interacționa mai mult cu acest câmp cu atât obținea mai multă masă. Ca toate câmpurile fundamentale, câmpul Higgs are o particulă asociată – bosonul Higgs. Bosonul Higgs este manifestarea vizibilă a câmpului Higgs, precum o undă pe suprafața apei.

Câmpul Higgs dă masă particulelor elementare (precum cuarcurile). Dar acestea reprezintă doar o mică parte din masa universului. Restul masei provine din protoni și neutroni. Aceste particule sunt formate din cuarcuri care sunt legate între ele de gluoni, particule care poartă forța nucleară tare. Energia acestei interacțiuni între cuarcuri și gluoni este ceea ce dă o parte din masa protonilor și neutronilor.

„Atunci când pui trei cuarcuri împreună pentru a crea un proton, vei ajunge să legi o densitate enormă de energie într-o mică regiune în spațiu”, spune John Lajoie, fizician la Universitatea de Stat din Iowa.

Un proton este alcătuit din două cuarcuri up și unul down; un neutron este alcătuit din două cuarcuri down și unul up. Compoziția lor similară face ca masa pe care o obțin din forța nucleară tare să fie aproape identică. Cu toate acestea, neutronii sunt ceva mai masivi decât protonii – și această diferență este crucială. Procesul neutronilor care se dezintegrează în protoni ajută chimia și implicit, viața. Dacă protonii ar fi mai grei, ei s-ar dezintegra în neutroni, și nu invers, iar universul așa cum îl știm nu ar mai exista.

„După cum s-a observat, cuarcurile down interacționează mai puternic cu câmpul Higgs, deci au o masă puțin mai mare”, spune Andreas Kronfeld, fizician teoretic la Fermilab. Acesta este motivul pentru care există o mică diferență între masa protonului și cea a neutronului.

Bibliografie:
https://www.sciencenews.org
https://journals.aps.org
https://www.symmetrymagazine.org
https://home.cern/science/physics

2 COMENTARII

  1. Explicațiile oferite de autor, în varianta română, sunt cețoase și incomplete în ceea ce privește apariția câmpului Higgs, iar folosirea substantivului cuarcur (n.feminin) este cu totul nefericită, atâta vreme cât, în scrierile științifice, quark se traduce prin cuarc, plural cuarci (n.masculin). De fapt, și descrierea compoziției cuantice a protonilor și neutronilor (cuarci down și up) suferă de lipsa menționării spinului și a efectului său energetic (pentru forța electromagnetică nucleară tare)

  2. Declinarea corectă este cuarcuri sau quarcuri (gen neutru), deși sunt acceptate și alte forme. Nu am intrat în detalii referitor la apariția câmpului Higgs deoarece nu asta era tema articolului.

LĂSAȚI UN MESAJ