¿Por qué el neutrón es un poco más pesado que el protón? [duplicar]

Con los últimos conocimientos de QCD, ¿hay alguna explicación de por qué el neutrón es ligeramente más pesado que el protón? ¿Se puede reducir a una fórmula simple?

¿Estás pidiendo una explicación rigurosa completa y comprobada? ¿O será suficiente "las diferentes combinaciones de quarks de valencia interactuando con el vacío QCD de diferentes maneras, lo que produce estados con diferentes energías, como se ha demostrado usando la red QCD"?
"Diferentes composiciones de quarks de valencia": el protón es uud, el neutrón es udd. "Interactuar con el vacío QCD de diferentes maneras": dado que las interacciones no son perturbadoras en estas energías, no hay mucho más que pueda decir aquí.
Las masas de los quarks representan menos del 1% de la masa de los nucleones. La mayor parte de la masa proviene de la energía cinética de los gluones. Calcular esa energía es complicado porque los gluones tienen carga de color, lo que hace que los diagramas de integrales/Feynmann sean confusos, a diferencia de QED, donde convergen muy bien. Por lo tanto, necesita mucho tiempo de computadora incluso para calcular una solución aproximada.
Si los protones fueran más pesados ​​que los neutrones, entonces los protones se descompondrían. El universo sería muy diferente si el hidrógeno fuera inestable. Supongo que el único tipo de estrellas serían las estrellas de neutrones y no se producirían átomos complejos.

Respuestas (2)

Hay una respuesta parcial fácil a la pregunta. El protón es (uud) y el neutrón es (udd). El quark up es de 2,2 MeV y el quark down de 4,7 MeV. Así que hay un aumento de masa de 2,5 MeV con el neutrón. El protón es 938,272 MeV y el neutrón es 939,565 MeV, que es entonces 1,293 MeV más pesado. ¡Eso es raro! El neutrón tiene una diferencia de masa más pequeña que la que se basa simplemente en las masas de los quarks.

La respuesta completa es un problema enormemente difícil. Los bosones o gluones de calibre QCD están autoatrapados, de modo que, si bien no tienen masa, su autointeracción limita su energía en forma de masa. De hecho, esta es la mayoría de la masa en hadrones y bariones. Esto forma la base del problema de la brecha de masa. La teoría del calibre de celosía en las computadoras ha arrojado algo de luz sobre esto y predijo bastante bien la masa de los bariones. Una respuesta matemática-física exacta está esperando en las alas, y ClayMath como un premio de un millón de dólares por una respuesta. Con el protón hay más una brecha de masa debido a las interacciones con los gluones. Además, el protón que se está cargando puede tener alguna corrección de masa renormalizada solo de QED que compensa el aumento de masa solo de los quarks.

Solo pensé que si todos los quarks tuvieran el mismo impulso promedio, entonces sus diferencias de energía serían más pequeñas que sus diferencias de energía en reposo. Me pregunto si eso tiene algo que ver con eso.
@zooby Aquí hay un análisis numérico usando la red QCD que también explica las diferentes cargas eléctricas de los quarks: arxiv.org/abs/1505.07057 . Menciono esto para corroborar la afirmación de Lawrence de que "La teoría de calibre de celosía en las computadoras ha arrojado algo de luz sobre esto..." Este es uno de los relativamente pocos análisis QCD de celosía numérica que he visto que se enfoca en las diferencias de masa bariónica debido a las asimetrías ( masa, carga) entre los quarks up y down.
@ Zooby QCd tiene una propiedad llamada anti-screening, donde el flujo del grupo de renormalización para la constante de acoplamiento lo aumenta con menor energía. Podemos trabajar lo suficientemente bien con estados de dispersión a alta energía porque la constante de acoplamiento disminuye ∼   gramo 2 / 4 π yo o gramo ( Λ / mi ) hasta donde recuerdo. A muy baja energía, el acoplamiento se vuelve grande y los esquemas de renormalización para calcular estos estados ligados no funcionan bien. Esta es la razón de la celosía QCD. Entonces, lo extraño es que a medida que la energía o el impulso de los quarks en un hadrón se vuelve pequeño, las cosas se vuelven locas.

Durante años, la explicación esperada ha sido que la contribución de una fuerza fuerte a la diferencia de masa, que se origina en la diferencia de masa entre los quarks up y down, supera la contribución electromagnética a la diferencia de masa.

Hubo dos artículos teóricos sobre este tema, a principios de este año 1 2 . El mecanismo que obtuve al rozarlos es que el mesón eta se mezcla con el pión neutro (consulte el primer artículo, página 7), y luego el pión interactúa con el mesón omega (consulte el segundo artículo, al final de la introducción). Es decir, creo que estas son las interacciones específicas que producen la contribución de fuerza fuerte a la diferencia de masa del nucleón.

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