Skąd pochodzi masa Twojego ciała?

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.

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.

AstroGify #1 Z wykładu: Cząstka Higgsa – Koniec pewnej historii Pęknięty bozon – o cząstce Higgsa i jej rozpadach