Ein Modell der inneren Struktur eines Protons und der dazugehörigen Felder. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.

Woher kommt die Masse eines Protons?

Wenn Sie der Meinung sind, dass Sie die Komponenten einfach addieren können, sind Sie zu 99% knapp!

"Widerstand gegen die organisierte Masse kann nur von dem Menschen geleistet werden, der in seiner Individualität so gut organisiert ist wie die Masse selbst." - Carl Jung

Wenn Sie die Teilchen, aus denen Ihr Körper besteht, in immer kleinere Teile aufteilen würden, würden Sie feststellen, dass bei jedem Schritt auf dem Weg - zumindest in Bezug auf die Masse - das Ganze der Summe seiner Teile entspricht. Wenn Sie Ihren Körper in seine einzelnen Knochen, Fette und Organe aufspalten würden, würden sie sich zu einem ganzen Menschen summieren. Wenn Sie sie weiter in Zellen aufteilen, summieren sich die Zellen immer noch zu derselben Masse wie Sie. Zellen können in Organellen unterteilt werden, Organellen in einzelne Moleküle, Moleküle in Atome und Atome in Protonen, Neutronen und Elektronen. Auf dieser Ebene gibt es einen winzigen, aber spürbaren Unterschied: Die einzelnen Protonen, Neutronen und Elektronen sind dank der nuklearen Bindungsenergie etwa 1% von einem Menschen entfernt.

Der Kern eines Kohlenstoffatoms hat eine Masse, die dank der nuklearen Bindungsenergie etwa 0,8% niedriger ist als die einzelnen Protonen und Neutronen, aus denen es besteht. Bildnachweis: Delia Walsh von http://slideplayer.com/slide/6002405/.

Ein Kohlenstoffatom, das aus sechs Protonen und sechs Neutronen besteht, ist ungefähr 0,8% leichter als die einzelnen Partikelbestandteile, aus denen es besteht. Kohlenstoff entsteht durch Kernfusion von Wasserstoff zu Helium und dann von Helium zu Kohlenstoff. Die freigesetzte Energie treibt die meisten Arten von Sternen sowohl in ihrer normalen als auch in ihrer roten Riesenphase an, und die „verlorene Masse“ ist der Ursprung dieser Energie dank Einsteins E = mc ^ 2. So funktionieren die meisten Arten von Bindungsenergie: Der Grund, warum es schwieriger ist, mehrere Dinge, die miteinander verbunden sind, auseinander zu ziehen, liegt darin, dass sie Energie freigesetzt haben, als sie zusammengefügt wurden, und Sie Energie einsetzen müssen, um sie wieder freizusetzen.

Aus diesem Grund ist es so verwunderlich, dass die kombinierten Massen der Teilchen, aus denen das Proton besteht - die drei verschiedenen Quarks im Herzen - nur 1% der Masse des gesamten Protons ausmachen.

Die Partikel des Standardmodells mit Massen (in MeV) oben rechts. Ein Proton, bestehend aus zwei Up- und einem Down-Quark, hat eine Masse von ~ 938 MeV / c ^ 2. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Amt für Wissenschaft, US-Energieministerium, Partikeldatengruppe, unter einer c.c.a.-3.0-Unported-Lizenz.

Die Art und Weise, wie sich Quarks an Protonen binden, unterscheidet sich grundlegend von allen anderen bekannten Kräften und Wechselwirkungen. Anstatt dass die Kraft stärker wird, wenn sich Objekte nähern - wie die Gravitations-, elektrischen oder magnetischen Kräfte -, sinkt die Anziehungskraft auf Null, wenn sich Quarks willkürlich nähern. Und anstatt dass die Kraft schwächer wird, wenn sich Objekte weiter entfernen, wird die Kraft, die die Quarks wieder zusammenzieht, stärker, je weiter sie sich entfernen.

Diese Eigenschaft der starken Kernkraft ist als asymptotische Freiheit bekannt, und die Teilchen, die diese Kraft vermitteln, sind als Gluonen bekannt. Irgendwie kommt die Energie, die das Proton zusammenhält, die anderen 99,0% der Protonenmasse von diesen Gluonen.

Anstelle von drei grünen (Valenz-) Quarks, die durch (frühlingshafte) Gluonen verbunden sind, ist die Struktur des Protons viel komplizierter, wobei zusätzliche (See-) Quarks und Gluonen das Innere des Protons bevölkern. Bildnachweis: das Deutsche Elektronensynchrotron (DES) sowie die Kooperationen HERA und ZEUS.

Aufgrund der Funktionsweise der starken Nuklearstreitkräfte bestehen große Unsicherheiten darüber, wo sich diese Gluonen zu irgendeinem Zeitpunkt tatsächlich befinden. Wir haben derzeit ein festes Modell der durchschnittlichen Gluonendichte innerhalb eines Protons, aber wenn wir wissen möchten, wo die Gluonen tatsächlich mit größerer Wahrscheinlichkeit lokalisiert sind, sind mehr experimentelle Daten sowie bessere Modelle zum Vergleich der Daten erforderlich. Die jüngsten Fortschritte der Theoretiker Björn Schenke und Heikki Mäntysaari könnten die dringend benötigten Modelle liefern. Wie Mäntysaari ausführlich beschrieb:

Es ist sehr genau bekannt, wie groß die durchschnittliche Gluondichte innerhalb eines Protons ist. Was nicht bekannt ist, ist genau, wo sich die Gluonen innerhalb des Protons befinden. Wir modellieren die Gluonen so, dass sie sich um die drei [Valenz] Quarks befinden. Dann steuern wir die Menge der im Modell dargestellten Schwankungen, indem wir festlegen, wie groß die Gluonenwolken sind und wie weit sie voneinander entfernt sind.
Die innere Struktur eines Protons mit Quarks, Gluonen und Quark-Spin. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.

Wenn Sie zwei Teilchen wie Protonen, ein Proton und ein Schwerion oder zwei Schwerionen zusammenstoßen, können Sie sie nicht einfach als Proton-Proton-Kollisionen modellieren. Stattdessen wird eine Verteilung von drei Arten von Kollisionen angezeigt: Quark-Quark-Kollisionen, Quark-Gluon-Kollisionen oder Gluon-Gluon-Kollisionen. Es sind die Komponenten in diesen subatomaren Partikeln, die tatsächlich kollidieren, und nicht die gesamten Strukturen (die Protonen) selbst. Während bei niedrigeren Energien fast immer Quarks kollidieren, haben die höheren Energien, die von RHIC, dem Relativistic Heavy Ion Collider, in Brookhaven und vom LHC am CERN erreicht werden, eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit für Gluon-Gluon-Wechselwirkungen, mit dem Potenzial, das aufzudecken Lage der Gluonen innerhalb eines Protons selbst. Mäntysaari fuhr fort:

Dieser Vorgang findet überhaupt nicht statt, wenn das Proton immer gleich aussieht. Je mehr Schwankungen wir haben, desto wahrscheinlicher ist es, dass dieser Prozess stattfindet.
Ein besseres Verständnis der inneren Struktur eines Protons, einschließlich der Verteilung der

Die Kombination dieses neuen theoretischen Modells und der sich ständig verbessernden LHC-Daten wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die innere Grundstruktur von Protonen, Neutronen und Kernen im Allgemeinen besser zu verstehen und somit zu verstehen, woher die Masse der bekannten Objekte im Universum stammt . Der größte Segen für diese Art von Forschung wäre jedoch die Entwicklung eines Elektronenionencolliders (EIC), der von vielen Kollaborationen auf der ganzen Welt vorgeschlagen wird. Im Gegensatz zu RHIC oder LHC, die mit Ionen Protonen kollidieren - was zu einem sehr unübersichtlichen Endsignal führt - wäre ein EIC viel kontrollierter, da es keine internen, unkontrollierbaren Bewegungen innerhalb eines Elektrons gibt, die die experimentellen Ergebnisse verfälschen.

Ein Schema des weltweit ersten Elektronenionencolliders (EIC). Das Hinzufügen eines Elektronenrings (rot) zum relativen Schwerionencollider (RHIC) in Brookhaven würde das eRHIC erzeugen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC Gruppe.

Wenn Sie die innere Struktur eines Protons oder einer Ansammlung von Kernen untersuchen möchten, ist eine tiefe unelastische Streuung der einzige Weg. Wenn man bedenkt, dass Collider diese Reise vor weniger als einem Jahrhundert begonnen haben und dass wir jetzt Energien erreichen, die ungefähr um den Faktor 10.000 höher sind als zu Beginn, kann es sein, dass wir endlich in Reichweite sind, um genau zu untersuchen und zu verstehen, wie Materie ihre Masse erhält. Das Quark-Gluon-Plasma im Zellkern und die damit verbundenen Schwankungen könnten endlich bereit sein, uns seine Geheimnisse zu enthüllen. Und wenn dies der Fall ist, kann sich eines der ältesten Rätsel der Physik, von dem die Masse der bekannten Materie stammt (auch nach der Entdeckung der Higgs noch ein Rätsel), der Menschheit endlich ergeben.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!