Dissecting the Mass of the Proton

APS/Alan Stonebraker

APS/Alan Stonebraker

×

Niemal cała masa znanej materii jest zawarta w protonach i neutronach – cząstkach, które tworzą jądra atomów. Ale w jaki sposób protony i neutrony uzyskują swoją masę? Każda z tych cząstek, czyli „nukleonów”, składa się z gęstej, spienionej plątaniny innych cząstek: kwarków, które mają masę, i gluonów, które jej nie mają. Jednak masa kwarków stanowi zaledwie 1% masy protonu lub neutronu, przy czym większość masy protonu pochodzi wyłącznie z ruchu i uwięzienia kwarków i gluonów. Yi-Bo Yang z Michigan State University w East Lansing i współpracownicy po raz pierwszy określili ilościowo cztery oddzielne wkłady do masy protonu za pomocą obliczeń opartych na chromodynamice kwantowej (QCD), fundamentalnej teorii silnych oddziaływań w jądrze i kamieniu węgielnym standardowego modelu fizyki cząstek. Podczas gdy ten czteroczęściowy rozkład jest znany od ponad 20 lat , zrozumienie go przez fizyków było tylko jakościowe.

Kwarki, które tworzą proton i neutron są fundamentalnymi cząstkami, które otrzymują swoje masy poprzez mechanizm Higgsa. Ten sam mechanizm nie wyjaśnia masy protonu, który składa się z dwóch kwarków górnych (2.4MeV∕c2 każdy) i jednego kwarka dolnego (5.0MeV∕c2). Oczywiście suma tych trzech mas jest znacznie mniejsza od rzeczywistej masy protonu, która wynosi 938,27MeV∕c2. Mechanika kwantowa mówi nam, że istnieje również masa (lub równoważnie – energia) związana z zamknięciem kwarków w protonie, którego średnica wynosi około 10-15m. Używając argumentu z zasady nieoznaczoności, ograniczone położenie cząstek przekłada się na duży pęd i powinno dodawać około 300MeV∕c2 – we właściwym parku kulistym masy protonu, ale wciąż zbyt małej. (Podobne argumenty dotyczą neutronu, który składa się z dwóch kwarków dolnych i kwarka górnego.)

W rzeczywistości dokładne przewidywania modelu standardowego dotyczące zarówno masy protonu jak i neutronu istnieją od dekady. Przy niskich energiach istotnych dla jądra, masy te można przewidzieć na podstawie tylko trzech parametrów: ogólnej skali masy, która jest dynamicznie generowana w QCD, oraz parametrów kwarku górnego i dolnego. Masy protonów i neutronów są znane z eksperymentu znacznie dokładniej niż będzie to kiedykolwiek możliwe na podstawie przewidywań modelu standardowego. Jednak fizycy chcieliby zrozumieć, w jaki sposób masy te wyłaniają się z QCD, podobnie jak mogą przewidzieć widmo wodoru na podstawie teorii kwantowej.

Yang i współpracownicy właśnie tego dokonali, określając po raz pierwszy różne wkłady do masy protonu, które wynikają z dynamiki kwarków i gluonów. Badacze oparli się na potężnej metodzie znanej jako kratowa QCD, która umieszcza kwarki na miejscach kraty, a gluony na połączeniach między nimi. Ta rygorystyczna reprezentacja QCD może być zaimplementowana numerycznie i jest to jedyna metoda oparta na QCD, która może dokonać ilościowych przewidywań na skalach długości porównywalnych z protonem lub większych. (W tych skalach oddziaływania pomiędzy kwarkami i gluonami są tak silne, że nie można ich rozpatrywać za pomocą diagramów Feynmana i innych metod „perturbacyjnych”). Jednakże, kratowa QCD jest drogą techniką. Dyskretyzacja tworzy błędy, a usunięcie ich wymaga wyzerowania odstępu kratowego, a. W praktyce krok ten osiąga się wykonując wiele obliczeń przy różnych wartościach a, co wiąże się z wysokim kosztem numerycznym, który skaluje się jako a-6. Niemniej jednak, kratowe QCD znacznie dojrzało w ostatnich latach, pozwalając na najbardziej precyzyjne określenie mas kwarków i wielu własności lekkich i ciężkich mezonów, które składają się z kwarka i antykwarka.

Cząstka trójkwarkowa, taka jak nukleon, jest wykładniczo bardziej skomplikowana dla kratowego QCD, a udane obliczenia, z kontrolowanymi wszystkimi źródłami niepewności, były rzadkością. W swojej pracy Yang i współpracownicy przezwyciężyli niektóre z tych komplikacji używając nowych metod obliczeniowych, które wraz z innymi opracowali. Te postępy pozwoliły im obliczyć wkład do masy protonu z czterech źródeł znanych jako kondensat kwarkowy ( ∼9%), energia kwarkowa ( ∼32%), energia natężenia pola gluonowego ( ∼37%) i anomalny wkład gluonowy ( ∼23%) (Rys. 1). Najmniejszy wkład, kondensat kwarkowy, jest mieszaniną kwarków górnych i dolnych oraz „morza” wirtualnych kwarków dziwnych i jest jedynym, który zniknąłby, gdyby masy kwarków wynosiły zero. Pozostałe trzy terminy związane są z dynamiką kwarków i gluonów oraz ich uwięzieniem w protonie. Energia kwarkowa i natężenie pola gluonowego równają się energii kinetycznej odpowiednio zamkniętych kwarków i zamkniętych gluonów. Termin anomalny jest efektem czysto kwantowym. Jest on związany ze skalą masy QCD i składa się z wkładów od kondensatów wszystkich smaków kwarków, w tym kwarków dziwnych, uroczych, dolnych i górnych. Obliczenia Yanga i współpracowników pokazują, że gdyby masy kwarków górnego, dolnego i dziwnego wynosiły zero, proton nadal miałby ponad 90% swojej eksperymentalnej masy. Innymi słowy, prawie cała znana masa we Wszechświecie pochodzi z dynamiki kwarków i gluonów.

Fizycy od dawna chcieli zrozumieć powstawanie masy nukleonów w kategoriach modelu standardowego, a odkrycia Yanga i współpracowników są ważnym wkładem do tego celu. Ich praca i inne podobne prace oznaczają również nową erę, w której nasze rozumienie nukleonów jest w coraz większym stopniu kształtowane przez ilościowe przewidywania oparte na kratowym QCD. Nie dalej jak w tym roku naukowcy użyli sieci QCD do wyznaczenia ładunku osiowego nukleonu, wszechobecnej wielkości w fizyce jądrowej, z bezprecedensową dokładnością 1%. Lattice QCD, w połączeniu z potężnymi metodami analitycznymi upraszczającymi obliczenia QCD, doprowadzi do lepszego zrozumienia podstruktury nukleonu, która jest badana w różnych zderzaczach na całym świecie i będzie jednym z celów proponowanego urządzenia zwanego Zderzaczem Elektronowo-Jonowym. Ostatecznie istnieje nadzieja, że kratowa QCD będzie mogła być zastosowana do jądra (wielu nukleonów). Jądra są wykorzystywane jako detektory w wielu eksperymentalnych poszukiwaniach fizyki wykraczającej poza model standardowy, takich jak ciemna materia, stały elektryczny moment dipolowy i bezneutrinowy rozpad podwójnej beta. Interpretacja tych eksperymentów będzie wymagała ilościowego zrozumienia fizyki jądrowej, która jest zakorzeniona w modelu standardowym. Ten rodzaj złożonego problemu jest coraz bardziej w sferze lattice QCD dzięki dostępności prawie eksaskalowych komputerów, Sierra i Summit, które pojawiają się teraz w sieci i są 10 do 15 razy potężniejsze niż nawet te używane przez Yanga i współpracowników.

Te badania zostały opublikowane w 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); Kwarki nie mają masy w takim sensie, w jakim ma ją elektron. Ale parametr masy dla kwarków może być nadal rygorystycznie zdefiniowany przy określonym schemacie renormalizacji i skali. Masy podawane przez Aoki et al. są w tzw. schemacie MS-bar w skali 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, and Y.-B, Yang, „Variance reduction and cluster decomposition,” Phys. Rev. D 97, 034507 (2018).
7. Y.-B. Yang, M. Gong, J. Liang, H.-W. Lin, K.-F. Liu, D. Pefkou, and 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, and 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., „Parton distributions and lattice QCD calculations: A community white paper,” Prog. Part. Nucl. Phys. 100, 107 (2018).

About the Author

André Walker-Loud jest Staff Scientist w Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Tytuł doktora uzyskał na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle. Następnie odbył staże podoktorskie na University of Maryland, The College of William & Mary (W&M) oraz w LBNL, po czym został mianowany adiunktem fizyki w W&M oraz starszym pracownikiem naukowym w Thomas Jefferson National Accelerator Facility. W swoich badaniach wykorzystuje sieciowe QCD i efektywną teorię pola, aby uzyskać ilościowe zrozumienie tego, jak fizyka jądrowa wyłania się z QCD. Jest również zainteresowany sondowaniem ograniczeń modelu standardowego poprzez testowanie fundamentalnych symetrii w środowiskach jądrowych.

Czytaj PDF

Subject Areas

Więcej artykułów