Disecția masei protonului

APS/Alan Stonebraker

APS/Alan Stonebraker

Practic toată masa materiei cunoscute este conținută în protoni și neutroni – particulele care alcătuiesc nucleele atomilor. Dar cum își dobândesc protonii și neutronii masa? Fiecare dintre aceste particule, sau „nucleoni”, este compusă dintr-o mulțime densă și spumoasă de alte particule: quarci, care au masă, și gluoni, care nu au. Cu toate acestea, masele quarcurilor reprezintă doar 1% din masa unui proton sau neutron, cea mai mare parte a masei protonului provenind exclusiv din mișcarea și izolarea quarcurilor și gluonilor. Yi-Bo Yang de la Michigan State University, East Lansing, și colegii săi au cuantificat acum, pentru prima dată, patru contribuții separate la masa protonului cu ajutorul unui calcul bazat pe cromodinamica cuantică (QCD), teoria fundamentală a interacțiunii puternice în nucleu și o piatră de temelie a modelului standard al fizicii particulelor . În timp ce această descompunere în patru părți este cunoscută de mai bine de 20 de ani , înțelegerea ei de către fizicieni a fost doar calitativă.

Quarkii care alcătuiesc protonul și neutronul sunt particule fundamentale, care își obțin masele prin mecanismul Higgs. Același mecanism nu explică masa protonului, care este alcătuit din doi quarci up ( 2,4MeV∕c2 fiecare) și un quarc down ( 5,0MeV∕c2) . În mod evident, suma acestor trei mase este departe de masa reală a protonului, 938,27MeV∕c2. Acum, mecanica cuantică ne spune că există, de asemenea, o masă (sau, în mod echivalent, energie) asociată cu confinarea quarcilor în proton, al cărui diametru este de aproximativ 10-15m. Utilizând un argument bazat pe principiul incertitudinii, poziția confinată a particulelor se traduce printr-un impuls mare și ar trebui să adauge aproximativ 300MeV∕c2 – în parcul corect al masei protonului, dar încă prea mică. (Argumente similare se aplică neutronului, care este alcătuit din doi quarci down și un quarc up.)

De fapt, predicțiile exacte ale modelului standard atât pentru masa protonului cât și a neutronului există de un deceniu . La energiile joase relevante pentru un nucleu, aceste mase pot fi prezise pornind de la doar trei parametri: o scară de masă globală, care este generată dinamic în QCD, și parametrii quarcilor up și down. Masele protonului și neutronului sunt cunoscute mult mai precis din experimente decât va fi vreodată posibil din predicțiile modelului standard. Cu toate acestea, fizicienii ar dori să înțeleagă cum apar masele din QCD, în același mod în care pot prezice spectrul hidrogenului din teoria cuantică.

Yang și colegii săi au făcut exact acest lucru, determinând pentru prima dată diferitele contribuții la masa protonului care apar din dinamica quarcilor și gluonilor . Cercetătorii se bazează pe o metodă puternică cunoscută sub numele de lattice QCD, care plasează quarcii pe locurile unei rețele și gluonii pe legăturile dintre ele. Această reprezentare riguroasă a QCD poate fi implementată numeric și este singura metodă bazată pe QCD care poate face predicții cantitative pe scări de lungime comparabile cu cea a protonului sau mai mari. (La aceste scări, interacțiunile dintre quarci și gluoni sunt atât de puternice, încât nu pot fi tratate cu diagramele Feynman și alte metode „perturbative”). Cu toate acestea, QCD în rețea este o tehnică costisitoare. Discretizarea creează erori, iar pentru a le elimina este necesar să se ia spațierea rețelei, a, la zero. Acest pas este realizat în practică prin efectuarea mai multor calcule la diferite valori ale lui a, cu un cost numeric ridicat care se mărește cu a-6. Cu toate acestea, QCD cu rețea s-a maturizat semnificativ în ultimii ani, permițând determinarea cu cea mai mare precizie a maselor quarcilor și a multor proprietăți ale mezonilor ușori și grei , care sunt compuși dintr-un quarc și un antiquark.

O particulă cu trei quarci, precum nucleonul, este exponențial mai complicată pentru QCD cu rețea, iar calculele reușite, cu toate sursele de incertitudine controlate, au fost rare. În lucrarea lor, Yang și colaboratorii au depășit unele dintre complicații prin utilizarea unor noi metode de calcul pe care ei, împreună cu alții, le-au dezvoltat . Aceste progrese le-au permis să calculeze contribuția la masa protonului din patru surse cunoscute sub numele de condensatul quarcului ( ∼9%), energia quarcului ( ∼32%), energia intensității câmpului gluonic ( ∼37%) și contribuția gluonică anormală ( ∼23%) (Fig. 1). Cea mai mică contribuție, condensatul de quarci, este un amestec de quarci up și down și o „mare” de quarci ciudați virtuali, și este singura care ar dispărea dacă masele quarcilor ar fi zero. Ceilalți trei termeni sunt toți legați de dinamica quarcilor și gluonilor și de confinarea lor în interiorul protonului. Energia quarcului și intensitatea câmpului gluonic echivalează cu energia cinetică a quarcurilor confinate și, respectiv, a gluonilor confinați. Termenul anomal este un efect pur cuantic. Acesta este asociat cu scara de masă QCD și constă în contribuții de la condensatele de toate aromele de quarc, inclusiv quarcurile strange, charm, bottom și top. Calculele efectuate de Yang și colegii săi arată că, dacă masele quarcurilor up, down și strange ar fi toate zero, protonul ar avea totuși mai mult de 90% din masa sa experimentală. Cu alte cuvinte, aproape toată masa cunoscută din Univers provine din dinamica quarcilor și gluonilor.

Fizicienii doresc de mult timp să înțeleagă apariția masei nucleonului în termenii modelului standard, iar descoperirile lui Yang și ale colaboratorilor reprezintă o contribuție importantă la acest obiectiv. Lucrarea lor și alte lucrări asemănătoare semnifică, de asemenea, o nouă eră, în care înțelegerea noastră a nucleonilor este din ce în ce mai mult modelată de predicțiile cantitative bazate pe QCD în rețea. Chiar în acest an, cercetătorii au folosit rețeaua QCD pentru a determina sarcina axială a nucleonului, o cantitate omniprezentă în fizica nucleară, cu o precizie fără precedent de 1% . Lattice QCD, cuplată cu metode analitice puternice pentru simplificarea calculelor QCD, va duce la o mai bună înțelegere a substructurii nucleonului , care este explorată la diverse acceleratoare de particule din întreaga lume și care ar fi unul dintre obiectivele principale ale unei mașini propuse numite Electron-Ion Collider. În cele din urmă, se speră ca QCD în rețea să poată fi aplicată la un nucleu (mai mulți nucleoni). Nucleele sunt utilizate ca detectoare în mai multe cercetări experimentale pentru fizica dincolo de modelul standard, cum ar fi materia întunecată, un moment de dipol electric permanent și dezintegrarea dublu-beta fără neutrinol. Interpretarea acestor experimente va necesita o înțelegere cantitativă a fizicii nucleare care își are rădăcinile în modelul standard. Acest tip de problemă complexă este din ce în ce mai mult în domeniul QCD în rețea datorită disponibilității computerelor aproape la scară mare, Sierra și Summit, care intră acum în funcțiune și sunt de 10 până la 15 ori mai puternice chiar și decât cele folosite de Yang și colaboratorii săi.

Acest studiu este publicat în Physical Review Letters.

1. Y.-B. Yang, J. Liang, Y.-J. Bi, Y. Chen, T. Draper, K.-F. Liu, și 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 alii, „Review of lattice results concerning low-energy particle physics,” Eur. Phys. J. C 77, 112 (2017); Quarks not have a mass in the sense that the electron does. Dar un parametru de masă pentru quarci poate fi totuși definit în mod riguros cu o schemă de renormalizare și o scară specificate. Masele citate de Aoki et al. sunt în așa-numita schemă MS-bar la o scară de 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 și 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, R. Sufian, A. Alexandru, T. Draper, M.J. Glatzmaier, K.-F. Liu, și 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 și colab., „Parton distributions and lattice QCD calculations: A community white paper”, Prog. Part. Nucl. Phys. 100, 107 (2018).

Cu privire la autor

André Walker-Loud este cercetător de personal la Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Și-a obținut doctoratul la Universitatea din Washington, Seattle. A ocupat apoi poziții de cercetare postdoctorală la Universitatea din Maryland, la The College of William & Mary (W&M) și la LBNL, urmate de o numire comună ca profesor asistent de fizică la W&M și ca cercetător principal de personal la Thomas Jefferson National Accelerator Facility. În cercetările sale, el utilizează QCD în rețea și teoria câmpurilor efective pentru a obține o înțelegere cantitativă a modului în care fizica nucleară reiese din QCD. El este, de asemenea, interesat în sondarea limitelor modelului standard prin testarea simetriilor fundamentale în medii nucleare.

Subiecte

Mai multe articole