Fisica Quantistica: Scoperto da dove viene la massa del protone.

La massa di un protone è molto più della semplice somma degli elementi che la compongono. E ora gli scienziati sanno esattamente da dove viene la massa della particella subatomica. I protoni sono costituiti da particelle ancora più piccole chiamate quark, quindi è normale che il semplice fatto di aggiungere le masse dei quark ti darà la massa del protone. Tuttavia, tale somma è troppo piccola per spiegare il volume del protone. E il nuovo cento per cento della forza del protone proviene dalla massa dei quark costituenti. Il resto della massa protonica deriva dagli effetti complicati che si verificano nella particella. E’ la conclusione alla quale sono arrivati un gruppo di scienziati sulla loro nuova pubblicazione in Physical Review Letters.

I quark ottengono le loro masse da un processo collegato al bosone di Higgs, una particella elementare rilevata per la prima volta nel 2012. Ma “le masse dei quark sono piccole”, dice il coautore dello studio e fisico teorico Keh-Fei Liu dell’Università di Kentucky a Lexington. Quindi, per i protoni, la spiegazione di Higgs non è all’altezza. Al contrario, la maggior parte dei 938 milioni di elettron-volt della massa del protone è dovuta alla complessità della cromodinamica quantistica, o QCD, la teoria che spiega l’agitazione delle particelle

all’interno del protone. Fare calcoli con la QCD è estremamente difficile, quindi per studiare teoricamente le proprietà del protone, gli scienziati si affidano a una tecnica chiamata reticolo QCD.

Usando questa tecnica, i fisici avevano precedentemente calcolato la massa del protone. Ma gli scienziati non avevano capito da dove provenisse questa massa, fino ad ora, dice il fisico teorico André Walker-Loud del Lawrence Berkeley National Laboratory in California. “È eccitante perché è un segno che abbiamo davvero raggiunto una nuova era” in cui è possibile utilizzare la rete QCD per capire meglio la fisica nucleare.

Secondo questa nuova ricerca, oltre al 9 percento della massa protonica che deriva dal peso dei quark, il 32 percento proviene dall’energia dei quark all’interno del protone. Altri occupanti del protone, particelle senza massa chiamate gluoni che aiutano a tenere insieme i quark, contribuiscono con un altro 36 percento attraverso la loro energia. Il restante 23 percento sorge a causa degli effetti quantistici che si verificano quando i quark e i gluoni interagiscono all’interno del protone. I risultati dello studio sono sorprendenti, afferma il fisico teorico Andreas Kronfeld. Gli scienziati hanno a lungo sospettato che la massa del protone si fosse formata in questo modo. Ma, dice, “questo tipo di calcolo sostituisce una credenza con la conoscenza scientifica”.