Czytaj dalej

Raz jeszcze rozważmy fenomen masy. Zastanówmy się, skąd pochodzi masa atomów budujących nasze ciała i dlaczego (z grubsza) nie od bozonu Higgsa?

Krótko. Z energii spa­ja­ją­cej kwarki wewnątrz protonów i neu­tro­nów.

Ciut dłużej. Jednym z naj­więk­szych nauko­wych nie­po­ro­zu­mień, jakie zostały roz­po­wszech­nione w ostat­niej dekadzie, jest to doty­czące genezy zjawiska masy. Wszystko zaczęło się oczy­wi­ście od rado­snego obwiesz­cze­nia pra­cow­ni­ków Wiel­kiego Zder­za­cza Hadronów, którzy w 2012 roku upo­lo­wali bozon Higgsa. Media zdo­mi­no­wały donie­sie­nia o bra­ku­ją­cym ele­men­cie modelu stan­dar­do­wego nada­ją­cego cząstkom masę, zaś internet pękał w szwach od gagów na temat “boskiej cząstki”. Bo wiecie: jak już naukowcy wiedzą skąd się bierze masa, to może wkrótce odnajdą sposób na bły­ska­wiczne odchu­dza­nie. Hehe.

Nawet nie chodzi o to, że żarty tego rodzaju pozo­stają równie suche co piach na pustyni Atakama. Przede wszyst­kim, utrwa­lają mylne rozu­mie­nie tego czym w rze­czy­wi­sto­ści jest higgson oraz skąd tak naprawdę pochodzi masa zwykłej materii. Okazuje się bowiem, iż choć poje­dyn­cze cząstki ele­men­tarne fak­tycz­nie zawdzię­czają swoją masyw­ność łaska­wo­ści pola Higgsa, to już sple­ciony z nich atom w całej swej oka­za­ło­ści, zde­cy­do­waną więk­szość swojej masy pobiera z innego źródła. Co mam na myśli? Pomyślmy o tym jak skon­stru­owany jest atom. W naj­ogól­niej­szym ujęciu to chmura elek­tro­nów oka­la­jąca gęste jądro skon­stru­owane z protonów i neu­tro­nów. Grubo ponad 99% masy prze­cięt­nego atomu sku­mu­lo­wane jest właśnie w centrum, czyli pro­to­nach i neu­tro­nach. Wniosek? Mizerne elek­trony pozo­stają nie­po­rów­ny­wal­nie lżejsze od skład­ni­ków jądra. Jak dotąd wszystko się zgadza. Elektron rze­czy­wi­ście dys­po­nuje maleńką masą 0,51 MeV (mega­elek­tro­no­wolta) i można go wła­ści­wie zigno­ro­wać w naszych rachu­bach, podczas gdy otyły proton “waży” aż 938 MeV.

Teraz zaj­rzyjmy pod maskę protonu. Ten, jak wszyst­kie bariony, posiada wewnętrzną struk­turę, złożoną z trzech cegiełek zwanych kwarkami – kon­kret­niej z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego. Cząstki te, podobnie do elek­tronu, uzyskują masę poprzez sprzę­że­nie z polem Higgsa. Nadal wszystko pasuje. Tylko ile tej masy jest? Wartości znamy jedynie w przy­bli­że­niu, z uwagi na nie­moż­ność wycią­gnię­cia kwarka na zewnątrz i poddania go osobnym obser­wa­cjom. Jednak mimo to, wiemy, że kwark górny dys­po­nuje masą w gra­ni­cach 3 MeV, zaś kwark dolny około 5 MeV. Przy­po­mi­nam, że cały proton posiada jakieś 938 MeV. Owszem, mikro­świat bywa zwa­rio­wany, ale nawet tutaj dzia­ła­nie 3+3+5, nie powinno dawać wyniku 938.

Pytanie zatem brzmi: skąd bierze się pozo­stałe ~927 MeV?

Jak dotąd rozu­mo­wa­li­śmy jak gdyby kwarki po prostu sobie grzecz­nie leża­ko­wały w trze­wiach protonów lub neu­tro­nów – a tak zde­cy­do­wa­nie nie jest. Wnętrze nukleonu to mikro­sko­pijne pobo­jo­wi­sko, opi­sy­wane przez chro­mo­dy­na­mikę kwantową (QCD). Zgodnie z nią, kwarki obda­rzone są ładun­kami kolo­ro­wymi i wchodzą ze sobą w inte­rak­cję za pośred­nic­twem kle­istych bez­ma­so­wych cząstek zwanych gluonami. Brzmi skom­pli­ko­wa­nie? I to jeszcze jak! Zło­żo­ność procesów odby­wa­ją­cych się w pro­to­nach i neu­tro­nach jest tak wielka, że fizycy przez lata uprasz­czali sobie życie, stosując okrojoną wersję chro­mo­dy­na­miki, zwaną QCD-Lite. Otrzy­my­wane wyniki były tylko przy­bli­że­niem, ale już to wystar­czyło do potwier­dze­nia, iż zde­cy­do­wana więk­szość masy protonu nie ma nic wspól­nego z kwarkami. Domi­nu­ją­cym skład­ni­kiem cząstki okazały się dyna­miczne oddzia­ły­wa­nia między kwarkami, sta­no­wiące nad­spo­dzie­wa­nie duży rezer­wuar energii. Stąd już krótka droga do roz­wi­kła­nia zagadki. Pomysł pewnego roz­czo­chra­nego pana, jakoby masa ciała była miarą zawartej w nim energii – nabrał nowego wymiaru.

Kwarki i gluony w protonie

Powyższy fakt jest znany fizykom od wielu dekad. Jedynym co ich uwierało, był brak praw­dzi­wie pre­cy­zyj­nych danych. W rzeczy samej, dopiero współ­cze­sne super­kom­pu­tery pozwo­liły badaczom chwycić się za pełną wersję QCD i ustalić jak wyglą­dają poszcze­gólne pro­por­cje. W 2008 roku na łamach Science, pojawił się artykuł potwier­dza­jący dotych­cza­sowe prze­wi­dy­wa­nia z dokład­no­ścią do kilku procent. W 2015 roku jeszcze popra­wiono ten wynik, uwzględ­nia­jąc poza QCD również wpływ ładunków elek­trycz­nych kwarków (opi­sy­wany przez QED). Wreszcie w listo­pa­dzie 2018, wnio­skami pły­ną­cymi z naj­do­kład­niej­szego jak dotąd prze­świe­tle­nia protonu, podzie­liła się grupa badaczy z Berkeley National Labo­ra­tory. Nie ukrywam, że właśnie ich publi­ka­cja, zmo­ty­wo­wała mnie do napi­sa­nia tego tekstu.

Zgodnie z naj­śwież­szymi rachu­bami, masa prze­cięt­nego protonu pochodzi z czterech źródeł. Naj­więk­szym (37%) jest energia silnego oddzia­ły­wa­nia jądro­wego, czyli tej siły, która nie pozwala kwarkom oddalić się od siebie i opuścić swojego kwan­to­wego wię­zie­nia. Niewiele mniejsze zna­cze­nie (32%) ma czysta energia kine­tyczna pozo­sta­ją­cych w ciągłym ruchu kwarków. Dalej mamy pozo­stały wkład energii gluonów (23%). Dopiero na szarym końcu (9%) plasuje się sama “higgsowa” masa kwarków budu­ją­cych proton. Ale tu jestem wam winny jeszcze jedno wyja­śnie­nie. W końcu 9% z 938 to wciąż ponad 84 MeV – czyli za dużo. Ta różnica wynika z kwan­to­wo­me­cha­nicz­nych sub­tel­no­ści rzą­dzą­cych wnętrzem protonu. W istocie, cała ta energia prowadzi do rzeczy nie­zwy­kłych z naszego punktu widzenia, kreując spon­ta­nicz­nie tu i ówdzie wir­tu­alne pary kwark-anty­kwark, oczy­wi­ście wraz z towa­rzy­szą­cymi im wir­tu­al­nymi gluonami. Trzewia jądra ato­mo­wego to doprawdy szalone i zatło­czone miejsce, gdzie bez przerwy coś się dzieje. W każdym razie, owe 9% to masa trzech “zwykłych” kwarków (czasem zwanych kwarkami walen­cyj­nymi) wraz z prze­ciętną masą ist­nie­ją­cych w danym momencie kwarków wir­tu­al­nych.

Skąd wzięła się masa Twojego ciała?

Kon­klu­zja jest naprawdę intry­gu­jąca. Nawet gdyby kwarki pozo­sta­wały bez­ma­sowe, tj. nie korzy­stały z pola Higgsa, to cała materia stra­ci­łaby najwyżej niecałą dzie­siątą część swojej masy (zakła­da­jąc, że byłaby nadal stabilna). Cała reszta fenomenu postrze­ga­nego przez nas jako masa, to mani­fe­sta­cja kipiącej wewnątrz protonów i neu­tro­nów energii.

Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.