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.

  • Miro Slavin Szwaj­ca­rzew­ski

    Trudno to ogarnąć. Rozumiem że w skrócie nasza masa to wprost E=mc2. Czyli te kwarki i i ich energia oddzia­ły­wa­nia mocnego razem z pręd­ko­ściami które są zwrotne wewnątrz jądra atomu, tworzą to co nazywamy masą. Nie­sa­mo­wite!

  • Józef Gelbard

    Spodobał mi się ten artykuł. Dosko­nale znam trud­no­ści, z jakimi należy borykać się w pracy popu­la­ry­za­tor­skiej. Star­li­śmy się, ale nie żywię urazy. Nic oso­bi­stego.

  • arthy

    Ciężko to sobie wyobra­zić. Z opisu wynika, że to jakiś jeden wielki chaos, w którym obo­wią­zują pewne reguły. Oczy­wi­ście pytania:
    1. Czy jest możliwe, że kwarki z protonu zderzą się z kwarkami z neutronu i co wtedy?
    2. Jeśli na pierwsze pytanie odpo­wiedź jest “nie” to jak blisko siebie mogą kwarki się znaj­do­wać:
    a) w ramach jednego protonu lub neutronu,
    b) z dwóch rożnych cząstek

    Pytanie bonusowe:
    3. Widzia­łem kolejną wzmiankę, że coś będzie umiesz­czone w punkcie libra­cyj­nym. Pytanie ile urządzeń może być koło siebie w takim punkcie
    żeby im się przy­cią­ga­nia zgadzały i się nie pozde­rzały ze sobą?

    • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      To jest świetne pytanie i odpo­wie­dzi na nie dostar­czają cząstki pod nazwą mezonów pi: https://www.kwantowo.pl/2016/03/08/mezony-pi-czyli-czastki-stawiajace-atom-do-pionu/

      W skrócie wygląda to tak, że kwarki rze­czy­wi­ście pod­le­gają wymianie między pro­to­nami i neu­tro­nami, ale nie w prosty, intu­icyjny sposób. Skoro kwark nie może wystę­po­wać samo­dziel­nie, to musi wyko­rzy­stać energię próżni do wykre­owa­nia sobie partnera — wskutek czego na ułamek sekundy powstaje dwu­kwar­kowy mezon.

      • Arek Wit­t­brodt

        A ja się przy­łą­czę do pytania nr. 3 — jak “wielki” jest taki punkt libra­cyjny i ile urządzeń może się w nim zmieścić zanim zaczną sobie nawzajem prze­szka­dzać albo z niego uciekać?

      • Arek Wit­t­brodt

        Zrobiłem parę zgrub­nych obliczeń posił­ku­jąc się arty­ku­łami na Wiki­pe­dii o obłokach Kor­dy­lew­skiego w układzie Ziemia-Księżyc oraz o Tro­ja­nach w układzie Jowisz-Słońce.

        Obłoki Kor­dy­lew­skiego mają mieć wielkość kątową 6* i mogą krążyć wokół punktu libra­cyj­nego nawet w odle­gło­ści do 10*, co daje sze­ro­kość takiego obszaru (wzdłuż orbity) aż ~100 tyś km. — albo 0,25 odle­gło­ści Ziemia-Księżyc.

        W przy­padku Trojan posłu­ży­łem się obraz­kiem i pro­gra­mem gra­ficz­nym. Długość wzdłuż orbity takiego obszaru może wynosić aż 4AU — czyli niemalże tyle, co odle­głość Jowisza od Słońca. Wszerz zaś ponad 1AU.

        Wygląda więc na to, że takie stabilne obszary wokół punktów L4 i L5 są naprawdę dosyć spore i co za tym idzie mogą zmieścić sporą ilość sate­li­tów 😉

        Wiem, że te obli­cze­nia są bardzo zgrubne, ale myślę też że nikt naprawdę nie potrze­buje w tym przy­padku jakichś dokład­nych liczb. Jedyną prośbę jaką bym miał do innych, to potwier­dze­nie czy mój tok rozu­mo­wa­nia jest mniej więcej poprawny oraz czy trafiłem przy­naj­mniej w rząd wiel­ko­ści 😉

      • arthy

        Też bym chciał jakieś potwier­dze­nie, bo jeśli się nie pomy­li­łeś to byłbym bardzo zasko­czony, że aż tak duże są to obszary.

      • arthy

        Tak, pamiętam ten tekst. Oczy­wi­ście prze­czy­ta­łem go po raz enty 🙂

        Starając się te trudne zagad­nie­nia przed­sta­wić jak naj­prost­szymi słowami to czy można powie­dzieć, że kwarki w protonie i neu­tro­nie w kupie utrzy­mują gluony, a piony robią to samo z pro­to­nami i neu­tro­nami w jądrze? (oczy­wi­ście na innej zasadzie, chodzi mi bardziej o to co trzyma to tała­taj­stwo koło siebie).

        Kolejną zasta­na­wia­jącą rzeczą jest ta jak się wyra­zi­łeś “nie­ty­powa inter­pre­ta­cja inte­rak­cji”. Czytając tekst od razu na myśl mi przyszło “zaraz, skoro cząstka pozbywa się jednego kwarka to traci swoje wła­ści­wo­ści (protonu czy neutronu) i skoro zostają 2 kwarki to powinna stać się mezonem. Kwark którego się pozbyła na początku prze­kształca się w pion i kończymy całą zabawę z dwoma mezonami” — ale to tak chyba nie działa, prawda?

  • vug

    Wszystko pięknie, ale co i jak sprawia, że ta energia wiążąca kwarki objawia nam się jako masa? Oddzia­łu­jącą gra­wi­ta­cyj­nie i ubo­ga­coną bez­wład­no­ścią?

  • kwantol

    A proton, neutron, czy elektron, to w spadku swo­bod­nym mają jakąś masę? Bo taki facet Gali­le­usz twier­dził, że wszyst­kie spadają tak samo, to gdzie się wtedy ta masa chowa?

  • Korin

    Wydaje mi się, że kluczem nie tylko do wyja­śnie­nia masy ale zakła­da­jąc, że Wszech­świat ma struk­turę frak­talną, także do wyja­śnie­nia fenomenu ciemnej materii są gluony a kon­kret­niej hipo­teczne pola gluonowe.
    Rozmiar kwarków w atomie w stosunku do obję­to­ści atomu jest porów­ny­walny do ilości znanej nam “jasnej” materii.
    Może więc za roz­sze­rza­nie Wszech­świata i bra­ku­jącą masę odpo­wia­dają właśnie olbrzy­mie pola gluonowe?
    Pole gluonowe wokół pary kwarków wyja­śnia­łoby też wg mnie dlaczego wraz ze wzrostem odle­gło­ści siła rośnie. Pole dzia­ła­łoby na zasadzie gumy spi­na­ją­cej wokół dwa elementy. Im elementy wewnątrz gumy dalej tym naprę­że­nia gumy większe.