W samym sercu materii kryje się paradoks, który od lat nie daje spokoju fizykom jądrowym. Proton i neutron – cegiełki atomów – składają się z trzech lekkich kwarków. Kwarki swoje “gołe” masy zawdzięczają mechanizmowi Higgsa, potwierdzonemu w 2012 r. w CERN. Ale problem w tym, że wkład Higgsa do masy protonu to zaledwie ułamek całości, mniej niż 2 proc. Reszta… pojawia się jakby znikąd.
Czytaj też: Fizyka kwantowa na nowo zdefiniowana. Naukowcy znaleźli sposób na ominięcie legendarnej bariery
Victor Mokeev z Jefferson Lab mówi:
To jasno pokazuje, że dominująca część masy materii nie pochodzi z Higgsa.Pozostałe ponad 98 proc. wyłania się z innych zjawisk.
Od lat wiadomo było, że źródłem masy hadronów – czyli protonów, neutronów i innych cząstek silnie oddziałujących – musi być coś w samej naturze oddziaływania silnego. Ale dopiero najnowsze badania prowadzone w ciągu ostatnich trzech dekad zaczynają odsłaniać szczegółową mapę tego procesu. To zjawisko naukowcy nazywają Emergence of Hadron Mass (EHM) – wyłanianiem się masy hadronów.
Ile waży proton?
Kwarki i gluony podlegają regułom chromodynamiki kwantowej (QCD). Silne oddziaływanie, które więzi kwarki w protonie, jest tak potężne i tak nieliniowe, że wzbudza w nich nieustanny ruch, tworzenie i anihilację par kwark-antykwark oraz splątane pole gluonowe. To właśnie z tej energii rodzi się niemal cała masa protonu.
Czytaj też: Echo Higgsa w nadprzewodnikach. Fizycy odkryli coś niebywałego
Na odległościach rzędu rozmiaru hadronu – około 10-13 cm – kwarki przestają przypominać lekkie “nagie” cząstki o masach kilku MeV. Zostają otoczone przez chmury gluonów i wirtualnych kwarków, stają się tzw. kwarkami ubranymi, a ich masa rośnie niemal stukrotnie, do ok. 400 MeV. To właśnie trzy takie “ubrane” kwarki, powiązane dynamiczną, silną interakcją, tworzą proton o masie blisko 1 GeV. W tym ujęciu masa nie jest stałą własnością cząstki, lecz procesem – wynikiem ewolucji oddziaływania silnego wraz z odległością i energią.
Aby zrozumieć EHM, trzeba zmierzyć, jak zmienia się “ubranie” kwarków, czyli jak zależy ich efektywna masa od pędu i odległości. To wyjątkowo trudne zadanie, wymagające ogromnej precyzji eksperymentalnej oraz ścisłej współpracy teorii i fenomenologii.
Jefferson Lab dysponuje kluczowym narzędziem: akceleratorem CEBAF oraz gigantycznym detektorem CLAS12 w hali eksperymentalnej B. Elektrony rozpędzone do 12 GeV trafiają w protony, wzbudzając ich stany i produkując bogate kaskady cząstek. Analiza tych reakcji pozwala zrekonstruować strukturę protonu i jego ekscytacji w sposób niedostępny w żadnym innym laboratorium.
CLAS12 jest następcą wcześniejszego detektora CLAS, który przy energiiach 6 GeV umożliwił badanie obszaru odpowiedzialnego za ok. 30 proc. generowanej masy hadronów. Obecnie eksperymenty 12-GeV-owe rozciągają tę mapę do połowy zakresu, w którym powstaje masa protonu. Wszystko wskazuje, że planowane rozszerzenie energii akceleratora pozwoli uchwycić cały proces – od “nagiego” kwarka aż po w pełni uformowany hadron.
Jak podkreśla Daniel Carman, fizyk eksperymentalny z Jefferson Lab:
To rezultat dziesięcioleci pracy. Żaden pojedynczy eksperyment nie mógłby tego dokonać. To kamień milowy.
Eksperymenty wykazują, że masywniejsze, ubierane kwarki są rzeczywistymi stopniami swobody odpowiedzialnymi za budowę protonu i jego stanów wzbudzonych. Innymi słowy: proton naprawdę “waży” dlatego, że silne oddziaływanie nadaje kwarkom masę poprzez samo istnienie pola gluonowego i jego ekstremalną dynamikę.
To potwierdza fundamentalną tezę EHM: masa nie jest dana – ona wyłania się z interakcji.
Choć postęp jest ogromny, fizycy z Jefferson Lab podkreślają, że to dopiero początek. Dane z ery 12 GeV wciąż napływają, a ich analiza może potrwać lata. Jednocześnie planowane są eksperymenty przy jeszcze większych energiach – potencjalnie 22 GeV – które umożliwią pokrycie całego zakresu, w którym silne oddziaływanie generuje masę hadronów.