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Massa protonica risolta

28.11.2018

I protoni sono costituiti da particelle ancora più piccole chiamate quark, quindi potresti aspettarti che la semplice somma delle masse dei quark dovrebbe dare la massa del protone. Tuttavia, la loro somma è troppo piccola per spiegare la massa del protone. E nuovi calcoli dettagliati mostrano che solo il 9 per cento dell'energia del protone proviene dalla massa dei suoi quark costituenti. Il resto della massa del protone deriva da processi complessi che avvengono all'interno della particella.

I quark ottengono la loro massa da un processo che coinvolge il bosone di Higgs, una particella elementare scoperta per la prima volta nel 2012. Ma "le masse di quark sono minuscole", afferma il coautore dello studio e fisico teorico Keh-Fei Liu dell'Università del Kentucky a Lexington. Pertanto, non sono molto importanti per spiegare la massa del protone.

Invece, gran parte della massa del protone è dovuta alla complessità della cromodinamica quantistica (QCD), che spiega la formazione di schiuma delle particelle nel protone. L'esecuzione di calcoli con QCD è estremamente difficile, quindi per studiare teoricamente le proprietà del protone, gli scienziati si affidano a un metodo chiamato QCD reticolare, in cui lo spazio e il tempo sono suddivisi in sezioni che contengono quark.

Usando questa tecnica, i fisici hanno precedentemente calcolato la massa del protone, ma finora non sono stati in grado di spiegare perché lo sia. Il fisico teorico Andre Walker-Load del Lawrence Berkeley National Laboratory in California ha affermato che i ricercatori sono entrati in "una nuova era" in cui la QCD reticolare può essere utilizzata per comprendere meglio la fisica nucleare.

Liu e i suoi colleghi hanno scoperto che oltre al 9 percento della massa di un protone che proviene dai quark, il 32 percento proviene dall'energia dei quark che volano all'interno del protone (se ricordi la famosa equazione di Einstein E = mc2, è chiaro che energia e massa sono due facce della stessa medaglia). Gli altri costituenti del protone, particelle prive di massa chiamate gluoni che aiutano a tenere insieme i quark, contribuiscono con un altro 36 percento della loro massa attraverso la loro energia.

Il restante 23 percento proviene da effetti quantistici che si verificano quando quark e gluoni interagiscono in modi complessi in un protone. Queste interazioni fanno sì che la QCD ignori un principio chiamato invarianza di scala. Nelle teorie invarianti di scala, l'espansione o la contrazione dello spazio e del tempo non ha nulla a che fare con i risultati della teoria. Le particelle massicce forniscono alla teoria la scala, quindi quando la QCD sfida l'invarianza di scala, anche i protoni guadagnano massa.

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