Înțelegerea originii masei particulelor subatomice, cum ar fi protonii și neutronii, este una dintre marile provocări ale fizicii moderne. Aceste particule, numite hadroni, sunt elementele de bază ale materiei vizibile din univers. Datorită calculelor recente și tehnologiilor de ultimă oră, cercetătorii au făcut un pas mai aproape de rezolvarea acestui puzzle fundamental.
Hadronii, precum protonii și neutronii, se găsesc în inima atomului, în nucleu. Aceste particule sunt ele însele formate din quarci, chiar și elemente mai mici, legate între ele printr-o forță extrem de puternică numită interacțiune puternică. Această forță este purtată de particule numite gluoni care acționează ca un fel de lipici pentru a ține quarcii împreună.
Pentru a vizualiza aceste structuri complexe, imaginați-vă un proton ca o sferă formată din cărămizi (quarci) ținute împreună de ciment invizibil (gluoni). Această analogie ascunde o subtilitate: masa quarcilor reprezintă doar o mică parte din masa totală a protonului. Deci de unde vine restul? Aici intervine un concept cheie în fizică: anomalia de urmă.
Anomalia de urmă este un instrument teoretic folosit de cercetători pentru a explora distribuția masei în particulele subatomice. În termeni simpli, ne permite să relaționăm energia și impulsul quarcilor și gluonilor cu contribuția lor la masa totală a hadronilor.
Într-un studiu, publicat recent în Physical Review D, oamenii de știință au folosit această metodă pentru a examina două tipuri de particule subatomice: nucleoni (protoni și neutroni) și pioni (particule formate dintr-un quarc și un antiquarc). Ei au calculat distribuția masei în interiorul acestor particule comparând-o cu distribuția sarcinii lor electrice.
Rezultatele calculului au dezvăluit modele fascinante:
La pioni, distribuția masei seamănă cu cea a sarcinii electrice a neutronilor, care sunt neutri, dar au zone de sarcini pozitive și negative.
În protoni și neutroni, distribuția masei este similară cu cea a sarcinii protonilor unde domină sarcinile pozitive.
Aceste asemănări evidențiază o legătură profundă între masă și sarcină în particulele subatomice. De exemplu, pionii joacă un rol special în legarea nucleonilor din nucleul atomic. Structura lor pare să reflecte și această funcție esențială.
Pentru a explora aceste descoperiri în continuare, oamenii de știință vor apela la un instrument promițător: acceleratorul electron-ion (EIC), care este în prezent în curs de dezvoltare la Brookhaven National Laboratory din Statele Unite. Acest accelerator de particule va face posibilă studierea coliziunilor dintre electroni și protoni cu o precizie fără precedent. Pentru a înțelege mai bine, putem compara această metodă cu cea folosită pentru descoperirea structurii duble helix a ADN-ului: la fel cum difracția cu raze X a făcut posibilă dezvăluirea formei moleculelor biologice, analiza coliziunilor electron-protoni va permite cartografierea distribuția masei în particule subatomice. Noile calcule efectuate de cercetători sunt doar un pas într-o călătorie științifică mai amplă. Prin combinarea abordărilor teoretice cu datele din experimente precum cele planificate la ciocnitorul electron-ion, oamenii de știință speră să demistifice una dintre cele mai fundamentale proprietăți ale materiei.
Aceste progrese nu privesc doar concepte abstracte sau teorii complexe. Ei ating întrebări fundamentale despre Universul însuși. Masa particulelor subatomice joacă un rol cheie în formarea atomilor, moleculelor și în cele din urmă a întregii materii vizibile, inclusiv stelele, planetele și noi înșine.
