I protoni sono costituiti da particelle ancora più piccole chiamate quark, quindi ci si aspetta di poter sommare le masse dei quarkper avere quella del protone. Tuttavia, questa somma è troppo piccola per spiegare la massa del protone. E nuovi calcoli dettagliati mostrano che solo il 9% del peso del protone proviene dalla massa dei quark costituenti. Il resto della massa del protone deriva da effetti che si verificano all’interno della particella, i ricercatori hanno riportato questa scoperta il 23 novembre pubblicando alcune lettere passate in revisione.
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 minuscole“, dice il coautore dello studio e fisico teorico Keh-Fei Liu dell’Università del Kentucky a Lexington. Quindi, per i protoni, la spiegazione di Higgs non è all’altezza.
Invece, la maggior parte dei 938 milioni di volt elettronici del protone è dovuta alla complessità della cromodinamica quantistica, o QCD, la teoria che spiega la zangolatura 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 QCD a reticolo, in cui spazio e tempo sono suddivisi in una griglia, sulla quale si trovano i quark.
Usando questa tecnica, i fisici riuscirono precedentemente a calcolare la massa del protone, ma a quel punto la comunità scientifica si divise in due rami di pensiero. Secondo il fisico teorico André Walker-Loud del Lawrence Berkeley National Laboratory in California. “È eccitante perché è un segno che abbiamo davvero scoperto qualcosa di nuovo“.
Non solo quark, ma la scoperta fu già ipotizzata
Oltre al 9 percento della massa del protone che proviene dal peso dei quark, il 32 percento proviene dall’energia dei quark che si aggirano all’interno del protone. (Questo perché energia e massa sono due facce della stessa medaglia, grazie alla famosa equazione di Einstein, E = mc2). Altri occupanti del protone, particelle senza massa chiamate gluoni che aiutano a tenere insieme i quark, contribuiscono invece con il 36 percento.
Il restante 23 percento sorge a causa degli effetti quantistici che si verificano quando i quark e i gluoni interagiscono in modo complicato all’interno del protone. Quelle interazioni fanno sì che la QCD sfugga a un principio chiamato invarianza di scala. Nelle teorie invarianti di scala, allungare o restringere lo spazio e il tempo non fa differenza per i risultati delle teorie. Le particelle forniscono alla teoria una scala, quindi quando il QCD sfida l’invarianza di scala, anche i protoni guadagnano massa.
Ma i risultati dello studio non sono del tutto sorprendenti, afferma il fisico teorico Andreas Kronfeld del Fermilab di Batavia, Illinois. Gli scienziati hanno a lungo sospettato che la massa del protone fosse nata in questo modo.