Woher kommt der Großteil der Masse der gewöhnlichen Materie? [Duplikat]

Ihre Frage fragt, warum die "aktuellen Quarkmassen" [siehe http://pdg.lbl.gov/2011/download/rpp-2010-booklet.pdf auf Seite 21] der Quarks, aus denen ein Proton besteht, nicht stimmen zur Masse des Protons. Das Problem ist, dass bei den leichten Quarks die „aktuellen Quarkmassen“ sehr verschieden von den „Konstituentenquarkmassen“ sind [siehe Wikipedia]. "Konstituentenquarkmassen" bedeutet im Grunde: Was Sie von einem naiven Modell erwarten würden, in dem das Proton uud und das Neutron udd ist. Während "aktuelle Quarkmassen" bedeutet: Was Sie in einem massenunabhängigen Subtraktionsschema wie erwarten würden$\bar {MS}$in einer Größenordnung von$\mu\sim 2GeV$, was im Grunde eine ausgefallene Art ist, "es ist kompliziert" zu sagen.

Der Grund dafür ist, dass die starke Kernkraft (AKA Quantenchromodynamik) "asymptotisch frei" ist, dh sie ist nur bei sehr hohen Energien in Bezug auf einzelne Teilchen leicht zu verstehen. Bei niedrigen Energien, wie z. B. in Protonen, kann der "Quarksack", aus dem das Proton besteht, nicht als einzelnes Teilchen betrachtet werden, da es eine große und schwer zu bestimmende Wechselwirkung zwischen den Quarks und Gluonen innerhalb des Protons gibt. Diese Wechselwirkungsenergie kann als "Massenunterschied" bezeichnet werden, obwohl es genauso gut wäre zu sagen, dass ein Proton NICHT nur aus drei Quarks besteht. Vielmehr besteht es aus vielen, vielen Quark-Anti-Quark-Paaren und Gluonen, auf denen drei "zusätzliche" Quarks sitzen: u, u und d

Das Äquivalenzprinzip sagt uns, dass Energie und Masse eigentlich nur zwei Seiten derselben Medaille sind und miteinander in Beziehung stehen$E = m c^2$. Umstellen, das bekommen wir$m = E/c^2$, also anstatt zu fragen, woher all diese Masse kommt, fragen wir uns, woher all diese Energie kommt. Im Fall des Protons gibt es einige Quarks und Gluonen, aus denen es besteht, und diese tragen sicherlich ein wenig zur Energie in Form ihrer Ruheenergie (der Masse dieser Teilchen) bei, aber das meiste stammt aus der potentiellen Energie von die starke Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Bestandteilen des Protons. Da das Ausmaß dieser Wechselwirkungen viel größer ist als die Ruhemassen der Up- und Down-Quarks, stammt der größte Teil der Energie des Protons eher von dieser als von der bloßen Masse eines der konstituierenden Quarks.

Angenommen, Sie hätten zwei Elektronen sehr nahe beieinander und Sie hätten ihre Gesamtmasse zusammen gemessen. Sie würden die Masse mit etwas mehr als der doppelten Masse eines Elektrons messen, da auch viel potenzielle Energie darin liegt, diese beiden geladenen Teilchen so nahe beieinander zu haben. Ebenso ist die Masse eines Wasserstoffatoms etwas geringer als die Masse eines Protons plus die Masse eines Elektrons, da das Proton und das Elektron zusammen eine negative elektromagnetische potentielle Energie haben (sie ziehen sich gegenseitig an), die negativ zur Masse beiträgt des Wasserstoffatoms.

Die drei Quarks, von denen Sie sprechen, werden normalerweise als Valenzquarks des Protons bezeichnet, und ihr Beitrag zur Masse des Protons ist es nicht. Wenn wir in Teilchenbeschleunigern mit hochenergetischen Strahlen auf Protonen treffen, entdecken wir, dass Protonen aus einer Ansammlung kleinerer Bestandteile bestehen (wie Quarks und Gluonen, die ständig in Teilchen-Antiteilchen-Paaren erzeugt und zerstört werden). Bei niedrigeren Energien das Proton scheint aus drei Quarks zu bestehen, aber bei Kollisionen mit höherer Energie stellen wir fest, dass das Proton tatsächlich aus einer Menge solcher Teilchen besteht. Diese Teilchen bilden die „fehlende“ Masse des Protons.

Bearbeiten: Das Proton so zu betrachten, als wäre es ein Teilchen, wäre falsch, da es tatsächlich aus Quantenfeldern besteht. (Wie alles andere auch.) Diese Felder „wirken“ unterschiedlich, je nachdem, wie viel Energie Sie „aufbringen“, um sie zu beobachten. Bei niedrigeren Energien verhält sich das Proton wie drei Teilchen, aber Sie können beobachten, dass es bei höheren Energien aus einer viel dichteren Mischung besteht.

(Tut mir leid, wenn ich komische Wörter wie „act out“ und „supply“, „QM“ und „words“ verwendet habe, passt nicht so gut zu mir.)