¿De dónde procede la mayor parte de la masa de la materia habitual? [duplicar]

Su pregunta es por qué las "masas de quarks actuales" [ver http://pdg.lbl.gov/2011/download/rpp-2010-booklet.pdf en la página 21] de los quarks que forman un protón no se suman a la masa del protón. El problema es que, para los quarks ligeros, las "masas de quarks actuales" son muy diferentes de las "masas de quarks constituyentes" [ver wikipedia]. "Masas de quarks constituyentes" básicamente significa: lo que esperaría de un modelo ingenuo donde el protón es uud y el neutrón es udd. Mientras que "masas de quarks actuales" significa: lo que esperaría en un esquema de resta independiente de la masa como$\bar {MS}$a una escala de$\mu\sim 2GeV$, que básicamente es una forma elegante de decir "es complicado".

La razón por la que son diferentes es porque la fuerza nuclear fuerte (también conocida como cromodinámica cuántica) es "asintóticamente libre", es decir, solo es fácil de entender a muy altas energías en términos de partículas individuales. A bajas energías, como en los protones, la "bolsa de quarks" que forman el protón no puede considerarse como partículas individuales porque existe una interacción grande y difícil de determinar entre los quarks y los gluones dentro del protón. Se puede pensar que esta energía de interacción "compensa la diferencia de masa", aunque sería igual de bueno decir que un protón NO está formado por solo tres quarks. Más bien se compone de muchos pares de quarks-anti-quarks y gluones encima de los cuales se encuentran tres quarks "extra": u, u y d.

El principio de equivalencia nos dice que la energía y la masa son en realidad solo dos caras de la misma moneda y están relacionadas por$E = m c^2$. Reorganizando, obtenemos que$m = E/c^2$, así que en lugar de preguntar de dónde viene toda esa masa, preguntémonos de dónde viene toda esa energía. En el caso del protón, hay algunos quarks y gluones que lo componen, y ciertamente aportan un poco de energía en forma de energía en reposo (la masa de estas partículas), pero la mayor parte proviene de la energía potencial de la fuerte interacción entre las diversas partículas constituyentes del protón. Dado que la escala de estas interacciones es mucho mayor que el resto de las masas de los quarks up y down, la mayor parte de la energía del protón proviene de este y no de las masas desnudas de cualquiera de los quarks constituyentes.

De manera similar, suponga que tiene dos electrones muy cerca uno del otro y mide su masa total juntos. Medirías que la masa es un poco más del doble de la masa de un electrón, porque también hay mucha energía potencial al tener esas dos partículas cargadas tan juntas. De manera similar, la masa de un átomo de hidrógeno es ligeramente menor que la masa de un protón más la masa de un electrón, porque el protón y el electrón juntos tienen una energía potencial electromagnética negativa (se atraen entre sí) que contribuye negativamente a la masa. del átomo de hidrógeno.

Los tres quarks de los que hablas suelen llamarse quarks de valencia del protón, y su contribución a la masa del protón no lo es. En los aceleradores de partículas, cuando golpeamos protones con haces de alta energía, descubrimos que los protones están formados por un grupo de constituyentes más pequeños (como quarks y gluones, que se crean y destruyen constantemente en pares de partículas y antipartículas). A energías más bajas, el protón parece estar hecho de tres quarks, pero para colisiones de mayor energía, encontramos que el protón en realidad está compuesto de cargas de tales partículas. Estas partículas constituyen la masa 'faltante' del protón.

Editar: mirar el protón como si fuera una partícula sería incorrecto, porque en realidad está formado por campos cuánticos. (como todo lo demás). Estos campos 'actúan' de manera diferente según la cantidad de energía que 'suministras' para observarlos. Para energías más bajas, el protón se comporta como tres partículas, pero puedes observar que está formado por una mezcla mucho más densa a energías más altas.

(Lo siento si usé palabras extrañas como actuar y suministrar, QM y las palabras no me van muy bien).