Учените са открили откъде всъщност идва 98% от масата на цялата Вселена

Ако се вгледате по-внимателно в това, от какво е съставена познатата ни материя, числата започват да се държат странно. Протоните и неутроните се състоят от кварки, свързани помежду си с глуони, но масата на протона и неутрона се оказва много по-голяма от сбора на масите на отделните кварки, които ги изграждат. Така възниква фундаменталният въпрос: откъде идва тази „допълнителна“ маса.

От гледна точка на Стандартния модел кварките получават своята „гола“ маса чрез механизма на Хигс. Съществуването му беше потвърдено от експериментите в Големия адронен колайдер в ЦЕРН, а Питър Хигс получи Нобелова награда за тази идея. Но тази красива картина има важна уговорка. Физиците смятат, че приносът на механизма на Хигс към масата на протона и неутрона е по-малък от 2%. Останалите проценти се крият някъде.

„Това ясно показва, че по-голямата част от масата на реалната материя не се поражда от Хигс. Останалата част се появява в резултат на нови ефекти, възникващи от взаимодействията.“

казва Виктор Мокеев, член на лабораторията “Джеферсън“. Лаборатория „Джеферсън“ и експерт по феноменология

Тази „липсваща“ маса и нейният механизъм отдавна се смятат за една от основните загадки на ядрената физика. Сега учени от Националната лаборатория „Томас Джеферсън“ в САЩ съобщават, че са успели да надникнат по-дълбоко от всякога в този процес.

Ключовата идея е, че допълнителната „тежест“ на протоните и други силно взаимодействащи частици, наричани общо адрони се поражда от динамиката на квантовата хромодинамика (QCD). Силното взаимодействие превръща енергията, съхранена в полетата на кварките и глюоните, в маса. Този ефект се нарича „Поява на адронна маса“ и се разграничава под отделния термин Emergence of Hadron Mass, или EHM.

През последното десетилетие разбирането за това, откъде идва преобладаващата част от видимата маса на Вселената, напредна значително. Водещ е подходът, основан на QCD, известен като континуален метод на Швингер. Той позволява да проследим как силното взаимодействие варира в зависимост от разстоянието или еквивалентно от импулса на частиците.

Свързвайки този теоретичен подход с експеримента, физиците анализираха данни от преди 30 години, събрани в лабораторията „Джеферсън“. Тази работа включва резултати, вариращи от първите експерименти през 90-те години на миналия век до това, което е направено и все още се планира с ускорителя на по-високи енергии. Резултатите от този мащабен анализ са на корицата на специален брой на списание Symmetry, а самите изследователи го наричат крайъгълен камък.

Квантовата хромодинамика описва поведението на най-елементарните познати съставки на материята: кварките и глуоните. Всички адрони и в крайна сметка всички атомни ядра се раждат в процесите на QCD. Особеност на силното взаимодействие е, че глуоните могат да взаимодействат сами със себе си. Без тази особеност, подчертава Мокеев, Вселената би изглеждала съвсем различно. Именно тя прави възможно богатото разнообразие от частици и „истинските“ адронни явления, които наблюдаваме.

Поради самовлиянието на глюоните силното взаимодействие се променя много бързо с разстоянието. В мащаби, сравними с размера на адроните, около 10 минус тринадесетата степен на сантиметъра, вече не е възможно да се говори за „голи“ кварки и глуони като подходящи градивни елементи на теорията. Вместо тях се появяват така наречените „облечени“ кварки и глюони. „Облечените“ служат като облаци от плътно свързани кварки и глюони, които непрекъснато се раждат и анихилират.

В тази област на разстояние „облечените“ кварки получават динамично генерирана маса, която се променя с разстоянието. Появява се естествено обяснение за възникването на адронната маса. Почти безмасовите „голи“ кварки с маси от само няколко MeV се превръщат в „облечени“ кварки с маси от порядъка на 400 MeV. Силното взаимодействие между три такива „облечени“ кварка вътре в протона в крайна сметка дава маса от около 1 GeV, а заедно с нея и масите на възбудените състояния на протона в диапазона от 1 до 3 GeV.

Оттук възниква основният въпрос. Възможно ли е от експерименталните данни за протона и неговите възбудени състояния да се реконструира как точно се променя масата на „облечения“ кварк в зависимост от импулса и разстоянието, т.е. буквално да се „види“ процесът на възникване на масата.

За тази цел в лабораторията „Джеферсън“ се използва ускорителят CEBAF, който е в състояние да ускорява електрони до енергии до 12 GeV и да ги насочва в мишени от ядра. В една от експерименталните зали се намира триетажният детектор CLAS12, който е усъвършенствана версия на по-старото съоръжение CLAS. CLAS12 може да улови голям брой частици, които се раждат от разсейването на електрони върху протони, като същевременно покрива широк диапазон от ъгли на отклонение.

Анализите на данните от CLAS и CLAS12, при които електроните „сондират“ протона и го възбуждат, предоставят информация за вътрешната работа на тези възбудени състояния. След това тези експериментални резултати се сравняват с предсказанията на метода на Швингер за континуума, който описва точно как кварките и глуоните еволюират с разстоянието. По този начин картината на възникване на адронната маса се проверява в детайли.

Сравнението на теорията и експеримента показва, че именно „облечените“ кварки с динамично раждаща се маса действат като активни степени на свобода, които определят структурата на протона и неговите възбудени състояния. Това засилва увереността, че данните, получени в лабораторията на Джеферсън, наистина позволяват да се изучават механизмите, които пораждат основната част от масата на адроните.

Самите изследователи подчертават, че подобна работа е невъзможна без тясно обединение на експеримент, феноменология и теория. Необходими са прецизни измервания, внимателна обработка на данните и сложни изчислителни методи, които обединяват всички части в цялостна картина.

Въпреки това, както посочва Мокеев, картината далеч не е пълна. Експериментите при 6 GeV в CEBAF са изследвали областта на импулса, където се раждат около 30% от масата на адроните. Данните от настоящата епоха от 12 GeV, които все още се събират и анализират, разширяват обхвата до около половината от този диапазон. Бъдещите експерименти с още по-енергични електронни снопове трябва да запълнят оставащите празнини.

Когато тези данни бъдат налични, физиците очакват буквално да „картографират“ целия диапазон от разстояния, на които възникват по-голямата част от масата и структурата на адроните. Tогава ще стане много по-ясно защо светът около нас изобщо има обичайната гравитация, въпреки че основните му градивни елементи са почти лишени от маса.