Dissecting the Mass of the Proton

APS/Alan Stonebraker

APS/Alan Stonebraker

Næsten al masse i kendt stof er indeholdt i protoner og neutroner – de partikler, der udgør atomernes kerner. Men hvordan får protonerne og neutronerne deres masse? Hver af disse partikler, eller “nukleoner”, er sammensat af et tæt, skummende rod af andre partikler: kvarker, som har masse, og gluoner, som ikke har masse. Alligevel udgør kvarkernes masse kun 1 % af protonens eller neutronens masse, idet størstedelen af protonens masse udelukkende stammer fra kvarkernes og gluonernes bevægelse og indeslutning. Yi-Bo Yang fra Michigan State University, East Lansing, og kolleger har nu for første gang kvantificeret fire separate bidrag til protonens masse ved hjælp af en beregning baseret på kvantekromodynamik (QCD), den grundlæggende teori om den stærke vekselvirkning i kernen og en hjørnesten i partikelfysikkens standardmodel. Selv om denne firedelte nedbrydning har været kendt i mere end 20 år , har fysikernes forståelse af den kun været kvalitativ.

Karks, der udgør proton og neutron, er fundamentale partikler, som får deres masse gennem Higgs-mekanismen. Den samme mekanisme forklarer ikke massen af protonen, som består af to up-kvarker ( 2,4MeV∕c2 hver) og en down-kvark ( 5,0MeV∕c2) . Det er klart, at summen af disse tre masser ligger langt under den faktiske protonmasse, 938,27MeV∕c2. Kvantemekanikken fortæller os nu, at der også er masse (eller tilsvarende energi) forbundet med indeslutningen af kvarkerne i protonen, hvis diameter er ca. 10-15 m. Hvis man bruger et usikkerhedsprincip-argument, så udmønter partiklernes indesluttede position sig i et stort momentum og bør tilføje omkring 300MeV∕c2 – i den rigtige boldpark af protonens masse, men stadig for lille. (Lignende argumenter gælder for neutronen, som består af to nedadgående kvarker og en opadgående kvark.)

Faktisk har der eksisteret nøjagtige standardmodelforudsigelser af både protonens og neutronens masse i et årti . Ved de lave energier, der er relevante for en kerne, kan disse masser forudsiges ud fra blot tre parametre: en overordnet masseskala, som er dynamisk frembragt i QCD, og op- og ned-kvark-parametrene. Proton- og neutronmasserne kendes meget mere præcist fra eksperimentet, end det nogensinde vil være muligt med standardmodellens forudsigelser. Fysikere vil imidlertid gerne forstå, hvordan masserne opstår fra QCD, på samme måde som de kan forudsige brintspektret ud fra kvanteteori.

Yang og kolleger har gjort netop dette og for første gang bestemt de forskellige bidrag til protonens masse, der stammer fra kvark- og gluondynamikken . Forskerne benytter sig af en kraftfuld metode, der er kendt som lattice QCD, som placerer kvarker på stederne i et gitter og gluoner på forbindelserne mellem dem. Denne strenge repræsentation af QCD kan gennemføres numerisk, og det er den eneste QCD-baserede metode, der kan give kvantitative forudsigelser på længdeskalaer, der kan sammenlignes med protonens eller større. (På disse skalaer er vekselvirkningerne mellem kvarker og gluoner så stærke, at de ikke kan håndteres med Feynman-diagrammer og andre “perturbative” metoder). Gitter QCD er imidlertid en dyr teknik. Diskretiseringen skaber fejl, og for at fjerne dem er det nødvendigt at tage gitterafstanden, a, til nul. Dette trin opnås i praksis ved at udføre flere beregninger ved forskellige værdier af a, hvilket medfører en høj numerisk omkostning, der stiger som a-6. Ikke desto mindre er gitter QCD blevet betydeligt modnet i de seneste år og har gjort det muligt at foretage den mest præcise bestemmelse af kvarkmasserne og mange egenskaber ved lette og tunge mesoner , som består af en kvark og en antikvark.

En tre-kvark-partikel som nukleonen er eksponentielt mere kompliceret for gitter QCD, og vellykkede beregninger, hvor alle usikkerhedskilder er kontrolleret, har været sjældne. I deres arbejde overvinder Yang og samarbejdspartnere nogle af komplikationerne ved hjælp af nye beregningsmetoder, som de sammen med andre har udviklet . Disse fremskridt satte dem i stand til at beregne bidraget til protonmassen fra fire kilder kendt som kvarkkondensatet ( ∼9%), kvarkenergien ( ∼32%), gluonfeltstyrkenergien ( ∼37%) og det anomale gluonbidrag ( ∼23%) (fig. 1). Det mindste bidrag, kvarkkondensatet, er en blanding af op- og nedkvarker og et “hav” af virtuelle strange kvarker, og det er det eneste bidrag, der ville forsvinde, hvis kvarkmasserne var nul. De tre andre termer er alle relateret til dynamikken i kvarkerne og gluonerne og deres indespærring i protonen. Kvarkenergien og gluonernes feltstyrke svarer til den kinetiske energi af henholdsvis de indesluttede kvarker og gluoner. Det anomale udtryk er en ren kvanteeffekt. Den er forbundet med QCD-masseskalaen og består af bidrag fra kondensater af alle kvarkvarianter, herunder strange-, charm-, bottom- og topkvarker. Yang og kollegers beregninger viser, at hvis op-, ned- og strange-kvark-masserne alle var nul, ville protonen stadig have mere end 90 % af sin eksperimentelle masse. Med andre ord stammer næsten al den kendte masse i universet fra dynamikken af kvarker og gluoner.

Fysikere har længe ønsket at forstå fremkomsten af nukleonernes masse i forhold til standardmodellen, og resultaterne fra Yang og kolleger er et vigtigt bidrag til dette mål. Deres arbejde og andre lignende arbejder er også tegn på en ny æra, hvor vores forståelse af nukleoner i stigende grad er præget af kvantitative forudsigelser baseret på lattice QCD. Så sent som i år brugte forskere lattice QCD til at bestemme nukleonernes aksialladning, en allestedsnærværende størrelse i kernefysikken, med en hidtil uset præcision på 1% . Lattice QCD kombineret med kraftfulde analytiske metoder til forenkling af QCD-beregninger vil føre til en bedre forståelse af nukleonens understruktur , som undersøges på forskellige collidere rundt om i verden og vil være et af fokuspunkterne i en foreslået maskine kaldet Electron-Ion Collider. I sidste ende er det håbet, at gitter QCD kan anvendes på en kerne (flere nukleoner). Kerner anvendes som detektorer i flere eksperimentelle søgninger efter fysik, der ligger uden for standardmodellen, f.eks. mørkt stof, et permanent elektrisk dipolmoment og neutrinoløst dobbelt-beta-sammenfald. Fortolkningen af disse eksperimenter kræver en kvantitativ forståelse af kernefysikken, som er forankret i standardmodellen. Denne form for komplekse problemer ligger i stigende grad inden for gitter QCD takket være tilgængeligheden af de næsten exaskala-computere, Sierra og Summit, som kommer online nu og er 10 til 15 gange kraftigere end selv dem, som Yang og medarbejdere har brugt.

Denne forskning er offentliggjort i Physical Review Letters.

1. Y.-B. Yang, J. Liang, Y.-J. Bi, Y. Chen, T. Draper, K.-F. Liu, and Z. Liu, “Proton mass decomposition from the QCD energy momentum tensor,” Phys. Rev. Lett. 121, 212001 (2018).
2. X.-D. Ji, “QCD analysis of the mass structure of the nucleon,” Phys. Rev. Lett. 74, 1071 (1995).
3. S. Aoki et al., “Review of lattice results concerning low-energy particle physics,” Eur. Phys. J. C 77, 112 (2017); Kvarker har ikke en masse i den forstand, som elektronen har. Men en masseparameter for kvarkerne kan stadig defineres rigorøst med et specificeret renormaliseringsskema og skala. De masser, der er citeret af Aoki et al. er i det såkaldte MS-bar-skema på en skala på 2 GeV.
4. S. Durr et al., “Ab initio determination of light hadron masses,” Science 322, 1224 (2008).
5. A. Bazavov et al., “Up-, down-, strange-, charm-, and bottom-quark masses from four-flavor lattice QCD,” Phys. Rev. D 98, 054517 (2018).
6. K-F. Liu, J. Liang, og Y.-B, Yang, “Variance reduction and cluster decomposition,” Phys. Rev. D 97, 034507 (2018).
7. Y.-B. Yang, M. Gong, J. Liang, J. Liang, H.-W. Lin, K.-F. Liu, D. Pefkou, og P. Shanahan, “Nonperturbatively renormalized glue momentum fraction at the physical pion mass from lattice QCD,” Phys. Rev. D 98, 074506 (2018).
8. Y.-B. Yang, R. Sufian, A. Alexandru, T. Draper, M.J. Glatzmaier, K.-F. Liu, og Y. Zhao, “Glue spin and helicity in the proton from lattice QCD,” Phys. Rev. Lett. 118, 102001 (2017).
9. C. C. Chang et al., “A per-cent-level determination of the nucleon axial coupling from quantum chromodynamics,” Nature 558, 91 (2018).
10. H.-W. Lin et al., “Partonfordelinger og gitter QCD-beregninger: A community white paper,” Prog. Part. Nucl. Phys. 100, 107 (2018).

Om forfatteren

André Walker-Loud er en Staff Scientist ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Han fik sin ph.d. fra University of Washington i Seattle. Derefter havde han postdoktorale forskningsstillinger ved University of Maryland, The College of William & Mary (W&M) og LBNL efterfulgt af en fælles udnævnelse som assisterende professor i fysik ved W&M og som senior staff scientist ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility. I sin forskning bruger han gitter QCD og effektiv feltteori til at opnå en kvantitativ forståelse af, hvordan kernefysik opstår ud fra QCD. Han er også interesseret i at undersøge standardmodellens grænser ved at afprøve fundamentale symmetrier i nukleare miljøer.

Fagområder

Flere artikler