Strona głównaPytania → Dlaczego masa protonu nie jest...

Dlaczego masa protonu nie jest sumą mas kwarków?

Pytanie

Pyta Kacper

Masę kwarku górnego szacuje się na 1,5-4 $MeV/c^2$, a kwarku dolnego na 4-8 $MeV/c^2$. Wiedząc, że proton składa się z 2 kwarków górnych i jednego dolnego można wyliczyć, że jego masa jest równa 4 + 4 + 8 = 16 $MeV/c^2$ chociaż, podczas pomiarów masy protonu doświadczalnie otrzymano ok. 938 $MeV/c^2$. Moje pytanie brzmi gdzie znajduje się pozostała masa w protonie?

Odpowiedź

Odpowiada dr Marcin Badziak

Zdecydowana większość masy protonu pochodzi z energii wiązania kwarków poprzez gluony wewnątrz protonu. Gluony są nośnikami oddziaływania silnego, podobnie jak foton jest nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego. Kluczowa różnica polega jednak na tym, że oddziaływanie elektromagnetyczne między dwoma cząstkami słabnie wraz z oddalaniem ich od siebie, podczas gdy oddziaływanie silne w takiej sytuacji rośnie. W konsekwencji, energia wiązania elektronów i protonów w atomie jest ujemna (innymi słowy dostarczając energię do atomu można uwolnić elektrony z atomu), co oznacza, że masa atomu jest mniejsza niż suma mas wszystkich jego składników. Sytuacja diametralnie się różni w przypadku protonu, gdyż dostarczanie energii do protonu nie skutkuje uwolnieniem kwarków, gdyż siła ich wiązania w protonie rośnie wraz z odległością. Oznacza to, że energia wiązania musi być dodatnia, a co za tym idzie masa protonu jest większa niż suma mas kwarków, z których on się składa. To, że energia wiązania stanowi aż 99% masy protonu, można przypuszczalnie wiązać z tym, że oddziaływania silne są wyjątkowo silne w porównaniu do innych odziaływań fundamentalnych. Niemniej jednak obecny stan wiedzy dotyczącej oddziaływań silnych nie pozwala na policzenie energii wiązania protonu, a tym samym jego masy.