Gran parte della massa di un protone proviene dall’energia delle particelle da cui è composto

La massa di un protone è maggiore della semplice somma delle sue parti. Alla fine, gli scienziati hanno capito che cosa rappresenta il peso di questa particella subatomica.

I protoni sono costituiti da particelle ancora più piccole conosciute come quark. Potrebbe sembrare ragionevole che semplicemente sommando le masse dei quark si ottenga la massa di un protone. Eppure non è così.

Quella somma è troppo piccola per spiegare la massa del protone. Nuovi calcoli dettagliati mostrano che solo il 9% del peso di un protone proviene dalla massa dei suoi quark. Il resto deriva da effetti complicati che si verificano all’interno della particella.

I quark ottengono le loro masse da un processo collegato al bosone di Higgs. Questa è una particella elementare rilevata per la prima volta nel 2012. Ma “le masse dei quark sono minuscole“, spiega il fisico teorico Keh-Fei Liu. Coautore del nuovo studio, lavora presso l’Università del Kentucky a Lexington. Quindi per i protoni, osserva, la spiegazione di Higgs non è all’altezza.

Invece, la maggior parte dei 938 milioni di elettron-volt del protone proviene da qualcosa noto come QCD. QCD è l’abbreviazione di cromodinamica quantistica (KWON-tum Kroh-moh-dy-NAM-iks). La QCD è una teoria che spiega la zangolatura delle particelle all’interno del protone. Gli scienziati studiano matematicamente le proprietà del protone usando la teoria. Ma fare calcoli usando la QCD è piuttosto difficile. Quindi semplificano le cose usando una tecnica chiamata QCD (lattice). Si tratta di dividere il tempo e lo spazio in una griglia. I quark possono esistere solo sui punti della griglia.

Sembra complicato? Lo è. Sono poche le persone a comprendere veramente questo concetto (quindi siamo in buona compagnia).

I ricercatori hanno descritto la loro nuova scoperta su Physical Review Letters.

Impressionante impresa

I fisici avevano usato già, in precedenza, questa tecnica per calcolare la massa del protone. Ma fino ad ora, non avevano separato le parti del protone che fornivano parte della sua massa, spiega André Walker-Loud, fisico teorico del Lawrence Berkeley National Laboratory in California. “È emozionante“, dice, “perché è un segno che … abbiamo davvero colpito questa nuova era,” un’era in cui il QCD del reticolo può essere utilizzato per comprendere meglio i nuclei degli atomi.

Liu e colleghi hanno scoperto che oltre alla massa proveniente dai quark, un altro 32% della massa dei protoni proviene dall’energia dei quark che si aggirano all’interno del protone (Questo perché energia e massa sono due facce della stessa medaglia: Albert Einstein lo ha dimostrato con la famosa equazione, E = mc^2. E sta per energia, m è la massa e c è la velocità della luce).

Ora viene una cosa davvero strana: le particelle senza massa chiamate gluoni, che fanno da collante tra i quark, contribuiscono con un altro 36 percento della massa di un protone attraverso la loro energia.

Il restante 23 percento deriva dagli effetti che si verificano quando i quark e i gluoni interagiscono in modi complicati. Questi effetti sono il risultato della meccanica quantistica quello strano ramo della fisica che descrive cose l’immensamente piccolo.

“I risultati dello studio non sono sorprendenti,” afferma Andreas Kronfeld, fisico teorico al Fermilab di Batavia, Illinois. Gli scienziati avevano a lungo sospettato che la massa del protone si cmponesse più o meno in questo modo. “Ma,” aggiunge, “le nuove scoperte sono rassicuranti. Questo tipo di calcolo sostituisce una convinzione con la conoscenza scientifica“.