Magija mase protona: kvantna hromodinamika 101

Postoje stvari koje jako zbunjuju fizičare i onda oni svojim istraživanjima zbunjuju nas. Možda nama te stvari ne znače puno, ali jako su važne - i to ne samo fizičarima. 

Recimo, problem leži u činjenici da masa nukleusa svega 9% dolazi od mase kvarkova koji čine protone i neutrone. Jednostavno, u kosmosu postoji jedan dio neobjašnjene normalne mase, one koju ne zovemo tamna materija. Mase koja čini mene, vas, svijet oko nas. Masa elektrona je zanemarljivo mala tako da masa atoma uglavnom potječe od nukleusa. 

Higgsov mehanizam - mehanizam interakcije elementarnih čestica sa Higgsovim poljem oko Higgsovog bozona, objašnjava samo masu elementarnih čestica i to je bit detekcije ove čestice 2019. godine. Ali to nije dovoljno. Objašnjava, recimo, masu kvarkova, ali masa kvarkova ne objašnjava masu nukleusa atoma. Dakle, sad je, nadam se jasnije, važnost rješavanja ovog problema u fizici. 

Masa protona iznosi oko 938 MeV/c²  a dobar dio te mase dolazi iz mehanizma kvantne hromodinamike, teorije koja objašnjava interakciju gluona i kvarkova. U Standardnom modelu, gluoni su bozoni, zbog svog spina i statistike kojoj se "povinuju" i nemaju masu. Da ne bih previše objašnjavala nešto što je zaista gradivo studija fizika, i nije  ni meni previše dostupno - zamislimo da su ti gluoni "ljepak" koji lijepi ona tri kvarka u neutronima i protonima. Proton ima dva gornja i 1 donji kvark, dok se neutron sastoji iz 2 donja i 1 gornjeg kvarka, a sve to spajaju gluoni. 

Dakle, kvantna hromodinamika objašnjava jaku nuklearnu silu između kvarkova i gluona. Zapravo, gluoni su "nosioci" jake nuklearne sile, oni su "superljepak" nukleusa. Ova sila djeluje na malom udaljenosti, ali je najjača sila u prirodi, jača od elektromagnetske sile. I da - ona je razlog što se toliko pozitivnih protona ne "razleti" na sve strane. Jer, ne zaboravimo - čestice istoimenog naboja bi se trebale odbijati. 

Također, ta tri kvarka unutar nukleona (protona ili neutrona) se i kreću i to praktično brzinom svjetlosti, na jako malo prostoru te zaista treba jaka sila da ih drži zajedno. 

Termin "kvantna hromodinamika" ima veze sa bojama, od grčkog "chromos", koje vam je već poznato iz termina hromosomi i hromatin. Međutim, iako se u shematskim prikazima kvarkovi u nukleonima prikazuju u tri boje - plavoj, crvenoj i zelenoj, kvarkovi nemaju boju. Oni su mnogo manji nego talasne dužine ovih dijelova spektra. Boje se koriste samo simbolično, kao analogija. 

Da bi neka čestica-nukleon postojala, ona mora biti bezbojna - bijela, i samo one koje su složene od kvarkova različite boje, mogu postojati. To je analogija sa fizičkom činjenicom da bijela, zelena i crvena svjetlost, kao osnovne, produciraju bijelu svjetlost (ne, ne radi se o mješanju boja na paleti, nego o miješanju svjetlost, o tome sam govorila ovdje). Drugi način je da česticu grade kvark i antikvark "komplementarne boje", recimo, "antizeleni", "anticrveni". Zapravo, ovdje ono što zovemo "boja" i tako shematski prikazujemo, zapravo su kvantna svojstva kvarkova, "naboj boje". 

Dodatnih 32% mase protona dolazi od energije kvarkova koji se komprimiraju unutar protona. To je zato što su energija i masa dvije strane istog novčića, ono što nam je Albert Einstein pokušao objasniti  svojoj poznatoj jednadžbi E = mc². Gluoni, koji su sami bez mase  doprinose i  dodatnih 36% mase protona svojom energijom. Preostalih 23 % proizlazi iz komplikovane interakcije kvarkova  i gluona. Ti su učinci rezultat kvantne mehanike. Dakle, dio mase se stvori iz energije interakcija. 

Evo tri videa u kojima se objašnjava kvantna hromodinamika/kromodinamika (quantum chromodynaamics - QCD):