Symmetry: основная часть массы вещества возникла из динамики сильного взаимодействия

Несмотря на то что протоны и нейтроны состоят из кварков — фундаментальных частиц, масса которых крайне мала, сами они в десятки раз тяжелее суммы своих "кирпичиков". Эта загадка давно ставит ученых в тупик. Как выясняется, механизм Хиггса, придающий кваркам их массу, объясняет менее 2% массы нуклонов.

Остальное в буквальном смысле "появляется из ниоткуда" — из процессов сильного взаимодействия, описанного квантовой хромодинамикой (КХД). Команда экспертов из Национальной ускорительной лаборатории имени Джефферсона представила наиболее полное на сегодняшний день описание механизмов, благодаря которым рождается масса адронов — частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Работа опубликована в журнале Symmetry.

КХД утверждает, что масса возникает из энергии, заключенной в полях кварков и глюонов — так называемого эффекта рождения массы адронов. Внутри адронов глюоны способны взаимодействовать сами с собой, что делает динамику сильного взаимодействия крайне сложной и меняющейся с расстоянием.

На малых расстояниях, сравнимых с размером протона, кварки и глюоны теряют свойства "голых" частиц и превращаются в "одетые" — окруженные облаками виртуальных частиц, которые непрерывно возникают и исчезают. В этом режиме "одетые" кварки приобретают массу около 400 МэВ, а три таких кварка, взаимодействуя, формируют протон массой примерно 1 ГэВ. Именно эта динамически генерируемая масса и составляет почти весь вес протона — и, соответственно, всего наблюдаемого вещества Вселенной.

На протяжении почти 30 лет ученые Jefferson Lab собирали данные, исследуя структуру протона и его возбужденных состояний.

Используя метод континуумного подхода Швингера, который описывает зависимость сильного взаимодействия от расстояния, исследователи сопоставили теоретические расчеты с экспериментальными наблюдениями.

Сопоставление теории и эксперимента однозначно показало: именно "одетые" кварки с динамически возникающей массой являются ключевыми элементами структуры протона и его возбужденных состояний. Это серьезно укрепило теоретическую модель рождения массы адронов.

Многие вопросы при этом остаются открытыми. Эксперименты старой 6-ГэВ программы CEBAF охватывали область расстояний, где формируется около 30% массы адронов. Данные текущей 12-ГэВ программы позволяют заглянуть в область, ответственную примерно за половину массы.

Будущие эксперименты с еще более высокоэнергетическими электронными пучками дадут возможность исследовать весь диапазон расстояний, где возникает доминирующая часть массы адронов.

"Когда мы получим полную картину, мы сможем окончательно понять, как формируется масса протона и других частиц, — подчеркнул Виктор Мокеев из Jefferson Lab. — Это одна из важнейших задач современной ядерной физики".