فیزیکدانان بالاخره فهمیدند که چرا ماده جرم دارد.

به گزارش مجله خبری نگار،علیرغم این واقعیت که پروتون‌ها و نوترون‌ها از کوارک‌ها - ذرات بنیادی با جرم‌های بسیار کوچک - تشکیل شده‌اند، خودشان ده‌ها برابر سنگین‌تر از مجموع اجزای سازنده‌شان هستند. این راز مدت‌هاست که دانشمندان را گیج کرده است. معلوم شده است که مکانیسم هیگز، که به کوارک‌ها جرم می‌دهد، کمتر از ۲٪ از جرم نوکلئون را توضیح می‌دهد. بقیه به معنای واقعی کلمه "از ناکجاآباد ظاهر می‌شوند" - از فرآیند‌های برهمکنش قوی که توسط کرومودینامیک کوانتومی (QCD) توصیف شده است. تیمی از متخصصان آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی جفرسون کامل‌ترین توصیف تا به امروز از مکانیسم‌هایی را که جرم هادرون‌ها - ذرات شرکت‌کننده در برهمکنش قوی - توسط آنها تولید می‌شود، ارائه کرده‌اند. این اثر در مجله Symmetry منتشر شده است.

کرومودینامیک کوانتومی فرض می‌کند که جرم از انرژی موجود در میدان‌های کوارک‌ها و گلوئون‌ها ناشی می‌شود - به اصطلاح اثر تولید جرم هادرونی. در هادرون‌ها، گلوئون‌ها می‌توانند با خودشان برهمکنش داشته باشند و دینامیک نیروی قوی را بسیار پیچیده و متغیر با فاصله می‌کنند.

در فواصل کوچک، قابل مقایسه با اندازه یک پروتون، کوارک‌ها و گلوئون‌ها خواص خود را به عنوان ذرات "خالی" از دست می‌دهند و "پوشیده" می‌شوند - احاطه شده توسط ابر‌هایی از ذرات مجازی که دائماً ظاهر و ناپدید می‌شوند. در این رژیم، کوارک‌های پوشیده جرمی تقریباً ۴۰۰ MeV به دست می‌آورند و سه کوارک از این دست، در تعامل، پروتونی با جرم تقریباً ۱ GeV تشکیل می‌دهند. این جرم تولید شده پویا است که تقریباً کل جرم پروتون - و در نتیجه، تمام ماده قابل مشاهده در جهان - را تشکیل می‌دهد.

دانشمندان آزمایشگاه جفرسون نزدیک به ۳۰ سال است که در حال جمع‌آوری داده‌ها و مطالعه ساختار پروتون و حالت‌های برانگیخته آن هستند. با استفاده از رویکرد پیوستار شوینگر، که وابستگی فاصله‌ای برهمکنش قوی را توصیف می‌کند، محققان محاسبات نظری را با مشاهدات تجربی مقایسه کردند.

مقایسه نظریه و آزمایش به وضوح نشان داد که کوارک‌های «پوشیده» با جرم پویا در حال ظهور، عناصر کلیدی ساختار پروتون و حالت‌های برانگیخته آن هستند. این امر به طور قابل توجهی مدل نظری تولید جرم هادرون را تقویت کرد.

بسیاری از سوالات همچنان بی‌پاسخ مانده‌اند. آزمایش‌های برنامه قدیمی CEBAF با انرژی ۶ گیگا الکترون‌ولت، محدوده مسافتی را پوشش می‌داد که تقریباً ۳۰٪ از جرم هادرون در آن تشکیل می‌شود. داده‌های برنامه فعلی ۱۲ گیگا الکترون‌ولت به ما این امکان را می‌دهد که به منطقه‌ای که تقریباً نیمی از جرم را تشکیل می‌دهد، نگاهی دقیق‌تر بیندازیم.

آزمایش‌های آینده با پرتو‌های الکترونی با انرژی حتی بالاتر، امکان بررسی کل محدوده فواصلی را که بخش غالب جرم هادرون در آنها وجود دارد، فراهم می‌کند.

ویکتور موکیف از آزمایشگاه جفرسون تأکید کرد: «وقتی تصویر کاملی به دست آوریم، می‌توانیم به طور کامل نحوه تشکیل جرم پروتون‌ها و سایر ذرات را درک کنیم. این یکی از مهم‌ترین مسائل در فیزیک هسته‌ای مدرن است.»