Протоны и нейтроны — основные «кирпичики» атомных ядер — в сотни раз тяжелее, чем сумма масс трёх кварков, из которых они состоят. Механизм Хиггса, открытый в 2012 году, отвечает лишь за жалкие 1–2% массы нуклонов. Остальные 98% появлялись «из ниоткуда» — и до недавнего времени никто не мог точно описать, как именно.

Ответ нашёлся в квантовой хромодинамике

Международная команда физиков из Национальной ускорительной лаборатории имени Джефферсона (Jefferson Lab, США) опубликовала в журнале Symmetry работу, которая считается самым полным на сегодня объяснением рождения массы адронов — частиц, участвующих в сильном взаимодействии.

Согласно квантовой хромодинамике (КХД), масса протона — это почти полностью энергия, заключённая в полях кварков и глюонов. Внутри протона глюоны способны взаимодействовать сами с собой, создавая невероятно сложную и меняющуюся с расстоянием динамику.

На малых расстояниях (порядка размера протона) кварки перестают быть «голыми» и окружаются облаком виртуальных частиц — становятся «одетыми». Именно в этом состоянии каждый кварк приобретает динамическую массу около 400 МэВ, а три таких «одетых» кварка, взаимодействуя между собой, дают протон массой почти 1 ГэВ (938 МэВ). Это и есть те самые 98 % массы обычного вещества.

30 лет экспериментов и окончательное доказательство

С 1990-х годов Jefferson Lab собирал данные о структуре протона и его возбуждённых состояний на ускорителе CEBAF. Используя метод континуумного подхода Швингера, учёные впервые смогли сопоставить теоретические расчёты КХД с реальными экспериментальными наблюдениями на всём диапазоне расстояний.

Результат однозначен: именно «одевание» кварков и динамика сильного взаимодействия полностью объясняют массу протона и других адронов.

Что дальше

Данные старой 6-ГэВ программы покрывали зону, где рождается около 30 % массы. Текущая 12-ГэВ программа уже добралась до половины. Будущие эксперименты с ещё более энергичными пучками позволят «увидеть» весь диапазон и окончательно закрыть вопрос.

«Когда мы получим полную картину, мы по-настоящему поймём, как из почти безмассовых кварков рождается почти вся масса видимой Вселенной», — подчеркнул один из авторов исследования Виктор Мокеев.

Вкратце

98 % массы протонов, нейтронов и, соответственно, всей обычной материи во Вселенной возникает не из поля Хиггса, а из чистой энергии сильного взаимодействия — когда кварки «одеваются» облаками виртуальных глюонов. Физики Jefferson Lab впервые доказали это экспериментально и теоретически. Одна из величайших загадок физики XX–XXI века наконец-то решена.