Processing math: 100%

Skąd się bierze masa protonu?

Pytanie

Pyta Krystian

Moje pytanie związane jest z mechanizmem nadawania masy cząstkom elementarnym. Z tego co się orientuje istnieją dwa. Jeden z nich to mechanizm Brouta-Englerta-Higgsa. Jednak pytanie dotyczy drugiego mechanizmu. Proton „nabiera” masę w wyniku spontanicznego łamania symetrii chiralnej. Chciałem prosić o opis jak należy wyobrażać sobie nadawanie masy protonowi w ten sposób – jakąś analogię, lub jak należy to rozumieć będąc zwykłym zjadaczem chleba, a nie fizykiem/matematykiem. Druga rzecz która mnie zastanawia to dlaczego mówimy, że proton nabiera masę w wyniku łamania symetrii chiralnej. Przecież składa się on z kwarków, które zachowują się jak cząstki masywne bo oddziałują z polem Higgsa – czyli wydawałoby się, że masa protonu pochodzi od kwarków, a te z kolei mają masę dzięki mechanizmowi Brouta-Englerta-Higgsa.

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Mechanizm BEH (Brouta-Englerta-Higgsa) wymaga, aby pole Higgsa przyjęło niezerową wartość próżni. Jest to możliwe w Modelu Standardowym, ale nie dla wszystkich możliwych wartości jego parametrów, lecz jedynie w przypadku, gdy tzw. parametr masowy pola Higgsa jest ujemny. Możemy teoretycznie rozważyć przypadek, gdy ten parametr jest dodatni (tj. mechanizm BEH nie zachodzi), i zapytać, czy w takim przypadku proton będzie miał niezerową masę.

Okazuje się, że proton w takim przypadku nadal będzie miał niezerową masę, choć będzie złożony z bezmasowych kwarków i gluonów. Gdy proton spoczywa, jego składniki poruszają się, i ich energia kinetyczna daje znaczny wkład do masy protonu, zgodnie ze wzorem E=mc^2.

Czy to oznacza, że każdy stan związany musi mieć niezerową masę? Nie, w rozważanej granicy (bezmasowych kwarków) stan związany kwarku u i anytykwarku \bar d (mezon \pi^+) będzie miał zerową masę. Będzie się poruszał z prędkością światła, tak samo jak jego składniki, a zatem w żadnym inercjalnym układzie odniesienia nie będzie spoczywał. Energia kinetyczna składników nie zawsze musi prowadzić do występowania niezerowej masy.

Dzięki obliczeniom numerycznym na tzw. sieciach mamy możliwość wyznaczenia masy protonu w hipotetycznej granicy bezmasowych kwarków. Masa ta wynosi około 882\,{\rm MeV}/c^2 – patrz wielkość M_0 w tabeli I w artykule znajdującym się pod tym odnośnikiem. Mierzona wartość masy protonu wynosi około 938\,{\rm MeV}/c^2. Widzimy więc, że większość masy protonu nie pochodzi od mechanizmu BEH. Zauważmy też, że część pochodząca od mechanizmu BEH (około 56\,{\rm MeV}/c^2) jest znacznie większa od sumy mas kwarków walencyjnych w protonie – suma ta wynosi około 10\,{\rm MeV}/c^2.

W tym momencie możemy przejść do pytania o symetrię chiralną. Teorię oddziaływań silnych (QCD) definiujemy przez określenie wielkości nazywanej lagranżjanem. W granicy bezmasowych kwarków lagranżjan ten jest niezmienniczy ze względu na transformacje chiralne, polegające na mnożeniu lewoskrętnych i prawoskrętnych pól kwarkowych przez różne od siebie liczby zespolone o module 1. Z drugiej strony wiele obserwacji pokazuje nam, że stan próżni nie jest niezmienniczy ze względu na te transformacje. Mówimy w takim przypadku o spontanicznym złamaniu symetrii chiralnej.

Spontaniczne łamanie symetrii chiralnej interpretujemy jako konsekwencję faktu, że pewne pola przyjmują w próżni niezerowe wartości. Polami tymi są iloczyny pól kwarkowych, a ich niezerowe wartości oczekiwane w próżni nazywamy kondensatami kwarkowymi. Zauważmy, że iloczyn pól kwarkowych może mieć niezerową wartość oczekiwaną nawet w sytuacji, gdy wartość oczekiwana dowolnego pojedyńczego pola kwarkowego wynosi zero. Można to zrozumieć na podstawie analogii z Gaussowskim rozkładem prawdopodobieństwa, w którym \langle x\rangle=0 oraz \langle x^2 \rangle \neq 0.

Można pokazać, że gdyby symetria chiralna nie była łamana, to masa protonu musiałaby wynosić zero. Większość masy protonu pochodzi zatem od spontanicznego łamania symetrii chiralnej, tj. od oddziaływania składników protonu z próżniowym kondensatem kwarkowym. Mamy więc pewne podobieństwo do zjawiska nadawania masy np. elektronowi, które zachodzi dzięki oddziaływaniu elektronu z polem Higgsa przyjmującym niezerową wartość w próżni.

Na pytanie o masę protonu odpowiadaliśmy też tu.