¿Por qué la masa del protón es un valor tan preciso?

¿Por qué la masa del protón es un valor tan preciso?

Un protón se compone de 3 quarks de valencia neta y lo que a menudo se describe como "energía de enlace" o "un trillón de gluones, quarks y antiquarks que se autoaniquilan y aparecen". Los quarks son solo alrededor del 1% de la masa, pero el misterio para mí es entender por qué todo este 99% de energía de unión dinámica "amorfa" en un protón (o neutrón) equivale a la masa o energía consistente y muy exacta que es.

Tal vez habría adivinado que la masa de un protón individual tendría un rango más amplio, que la cantidad de energía de enlace sería más variable

¿Te preguntas si la energía del estado fundamental de un átomo de hidrógeno es variable?
El hecho de que su imagen QCD metafórica del protón parezca borrosa y "todo vale", no significa que no represente una teoría precisa y bien definida (QCD): es difícil de simular, y mucho menos calcular analíticamente.
Siempre que un protón sea una partícula estable, sin importar de qué esté compuesto, puede medir su masa con precisión arbitraria. Es posible que necesite medir durante un intervalo de tiempo lo suficientemente largo. El error que ve se basa en el dispositivo de medición, no en el protón.
Medir la masa no ocurre en un (proverbial) vacío. Cuando diseñe un experimento para medir la masa del protón, tendrá que relacionar su medición con otros experimentos por consideraciones teóricas. En el nivel más bajo, necesita un procedimiento para relacionar el MeV / C 2 que la masa se suele dar en kg. En un nivel superior, comparará la masa del protón con la de otro objeto (por ejemplo, un positrón) y tendrá que explicar cómo se comportan de manera diferente en formas no relacionadas con la masa. Esto para decir que lo que describe es una pequeña parte de las complejidades de extraer un número significativo.
Versión abreviada de mi comentario: el valor es un valor teórico que intenta estar lo más libre posible de prejuicios. La reciente confusión sobre el radio del protón después de nuevas mediciones con muones es una buena lección sobre la cantidad de modelos que se utilizan en estos números promedio que terminan siendo tabulados en las referencias. PD: Acabo de darme cuenta de que hay un artículo de Wikipedia sobre el rompecabezas del radio del protón, pero aún no lo he leído: en.wikipedia.org/wiki/Proton_radius_puzzle
¡Hola! Una vez leí que una supercomputadora tardó 200 horas en calcular el giro del protón en un medio. Sé que esto no es lo mismo que masa, pero sin embargo. Sin embargo, el giro del protón se mide "fácilmente" como una mitad (no con precisión pero bastante cerca, debido a QED, como el famoso cálculo del momento magnético del electrón que correspondía hasta 10 (?) dígitos después del punto).
También este artículo puede ayudarte. Masas nucleares calculadas desde cero.

Respuestas (5)

Tu dices:

un trillón de gluones, quarks y antiquarks que se autoaniquilan y vuelven a existir

y si bien esta es una forma muy común de describir el interior de un hadrón como un protón, en realidad es bastante engañoso. Nada aparece y luego vuelve a desaparecer. Pero explicar lo que realmente está sucediendo es un poco complicado.

Nuestra mejor teoría actual para describir partículas es la teoría cuántica de campos. En esta teoría los objetos fundamentales son campos cuánticos que existen en todas partes del universo. Las partículas como los quarks no son objetos fundamentales. En cambio, son solo estados del campo cuántico. Esto explica muy bien cómo se pueden crear y aniquilar partículas en colisionadores como el LHC, porque podemos comenzar con un estado de partículas cero del campo cuántico y agregarle energía para excitarlo a estados que corresponden a números de partículas distintos de cero. Asimismo, un estado del campo que corresponde a partículas puede decaer a un estado con menos partículas o sin ellas.

Pero si bien hay estados del campo que corresponden a lo que llamamos partículas , este es en realidad un caso bastante especial. Específicamente, este es solo el caso cuando tenemos una partícula aislada que no interactúa con ninguna otra partícula. Estos se denominan estados de Fock del campo. Pero el campo tiene un número infinito de otros estados que no son estados de Fock, por lo que no corresponden a partículas. El problema es que no sabemos cómo resolver las ecuaciones del campo para obtener estos estados. En cambio, tenemos que usar métodos aproximados para calcular propiedades como su masa.

Y este es el caso de los estados ligados que llamamos hadrones. Un protón es un estado del campo cuántico pero no es un estado de Fock. En principio, podríamos escribir la ecuación del campo y resolverla para obtener el estado correspondiente a un protón, pero en la práctica simplemente no sabemos cómo hacerlo, así que tenemos que aproximarlo. Hacemos esto aproximando el estado como una colección de partículas virtuales, y es por eso que las descripciones de la ciencia popular hablan de partículas que aparecen y desaparecen nuevamente. Donde los artículos de ciencia popular se equivocan es que estas partículas virtuales son un dispositivo computacional y no existen. No puedo enfatizar esto lo suficiente: las partículas virtuales son solo una forma de calcular las propiedades de los estados de campo que no son estados de Fock y, por lo tanto, no corresponden a partículas.

Esto nos ha alejado mucho de su pregunta, pero ahora podemos entender por qué la masa de un protón está bien definida. Es porque es un estado bien definido de campos cuánticos y como tal tiene una masa bien definida. Simplemente no corresponde a un número bien definido de partículas, razón por la cual no son solo tres quarks o norte quarks y metro gluones o cualquier otra colección de partículas.

Si está interesado en obtener más información sobre esto, es posible que desee ver mi respuesta a ¿Las fluctuaciones de vacío realmente ocurren todo el tiempo? donde uso un argumento similar para explicar por qué el vacío tampoco fluctúa.

Esta es una buena discusión, pero la respuesta real "porque ... un estado bien definido [tiene] una masa bien definida" debería ir en la parte superior.
Un hadrón no es un estado de Fock, pero aún puede expresarse como una combinación lineal de estados de Fock porque los estados de Fock forman una base para el espacio de Hilbert (hasta problemas de UV). Y si es así, la pregunta es buena: ¿cómo puede una combinación lineal de estados de Fock ser un estado propio de energía?
Aunque los quarks marinos no existen, podemos hacer rebotar neutrinos en ellos . (Busque la descripción del experimento CDHS).
@EricDavidKramer, los estados de partículas libres no forman una base para el estado de Hilbert de un campo interactivo. Este es el teorema de Haag . Entonces no puedes escribir un hadrón como una combinación lineal de estados de Fock.
El teorema de @ JohnRennie Haag es un problema de UV, por lo que escribí "hasta problemas de UV". Si toma un corte y vuelve a normalizar, los estados de Fock en cierto sentido forman una base para el espacio de Hilbert regulado. Y en cualquier caso, deberíamos poder hablar de un protón sin preocuparnos por lo que sucede en la UV.
Gracias. La respuesta que aclara la naturaleza de lo que hay dentro de los protones, básicamente rechazando la noción pop sci de "un mar de partículas", me brinda una mejor manera de ver mis suposiciones que me llevaron a hacer esta pregunta. La "energía de enlace" no puede considerarse variable, sus estados cuánticos están definidos con precisión en el protón tan precisamente definidos como la noción de que son 3 quarks de valencia... Supongo que la respuesta corta es que el conjunto de estados de campos cuánticos que definen un protón es muy preciso, sumados, dan la propiedad de masa a un valor que también es bastante preciso

La masa del protón se ha medido para ser 938.27208816 ( 29 ) METRO mi V / C 2 , el valor entre paréntesis el error en la medición.

El trabajo de un modelo teórico al modelar el protón es intentar explicar la medida.

lo que a menudo se describe como "energía vinculante"

No es una buena descripción, como si imaginaras un modelo de tipo atómico más complicado debido a más partículas. La interacción fuerte está involucrada en el modelado de hadrones, y las soluciones simples e incluso la herramienta de la teoría cuántica de campos es inútil debido a la gran constante de acoplamiento de las interacciones fuertes.

La teoría de QCD en la red

Lattice QCD es un enfoque no perturbativo bien establecido para resolver la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD) de quarks y gluones. Es una teoría de calibre reticular formulada sobre una cuadrícula o entramado de puntos en el espacio y el tiempo. Cuando el tamaño de la red se toma infinitamente grande y sus sitios infinitesimalmente cercanos entre sí, se recupera el continuo QCD

Ha logrado modelar los espectros hadrónicos con algunas entradas. He aquí una presentación del estado del modelo teórico.

El espectro hadrónico es una investigación en progreso tanto experimental como teóricamente .

Descubrir experimentalmente el origen de la masa del protón es uno de los principales objetivos del próximo colisionador de electrones e iones. Este trabajo ha abierto la puerta a más cálculos numéricos y comprensión teórica de la estructura del nucleón, incluida la descomposición del espín del protón en términos de espín de quark, momento angular orbital de quark y momento angular de cola, cuya medición es también un objetivo principal del electrón-ión. colisionador

El origen de la masa de protones es un tema bastante sutil, en realidad es creado por una dinámica complicada de campos de quarks y gluones. Hasta donde entiendo este problema, el valor conocido para la masa del protón es una energía del estado fundamental del protón, que es un estado propio de la excitación hamiltoniana correspondiente en la teoría QCD. Hay estados excitados con mayor energía, masa correspondientemente. Sin embargo, en caso de temperatura y densidad no muy altas, el estado fundamental dominará fuertemente.

Pero, ¿no necesitamos un nivel de energía de referencia para describir el nivel de energía del estado fundamental? ¿Es esta referencia la energía del vacío?
@Astik: bueno, diría que sí. Sin embargo, el problema es un poco sutil, porque la estructura del vacío QCD no es trivial y la creación de partículas de protones es posible en presencia de otros nucleones o partículas. Por lo general, se supone que la influencia del entorno es significativamente menor que la de la escala QCD.

En mecánica cuántica, el estado propio de energía es un estado estacionario: es decir, invariable con el tiempo (aparte de una fase). Esta imagen no funciona con la idea de partículas virtuales que aparecen y desaparecen, y eso es un problema con las analogías demasiado clásicas.

Una partícula, por definición, es un estado propio de energía. Eso significa que el estado es constante en el tiempo.

El "vacío", es decir, el estado sin gluones ni quarks, no es un estado propio de energía cuando se incluyen las interacciones porque, como dices, los quarks y los gluones aparecerán y desaparecerán. Pero un estado ligado de quarks y gluones es un estado propio de energía. Eso significa que hay una manera de combinar quarks y gluones de tal manera que cuando se activan las interacciones, la materia que se aniquila es reemplazada exactamente por lo que se está creando y el estado es constante. Uno de esos estados se llama protón. Y la energía de ese estado que permanece constante se llama masa protónica.

En una teoría de interacción, una partícula no es un estado propio de energía porque los estados propios de energía no son también estados propios del operador numérico. Las partículas son solo estados propios de energía en la teoría del campo libre. Por el contrario, el estado de vacío en las teorías que interactúan es un estado propio de energía (aunque tampoco es un estado propio del operador numérico). Así que es exactamente lo contrario de lo que has escrito.
Pero un protón libre es un estado propio de energía, ¿no es así?
@AntonTykhyy Por partícula nos referimos a una partícula fundamental como un quark o un gluón, es decir, un estado de Fock, no un estado compuesto como un protón. El protón es de hecho un estado propio de energía de los campos cuánticos, pero no es una partícula fundamental.
@JohnRennie La razón por la que dije que el vacío no es un estado propio de energía es que llamo al vacío el estado sin partículas: a | 0 ⟩ . Si una partícula no es un estado propio, entonces este vacío tampoco puede serlo. Debes estar llamando al vacío el estado tal que H | ψ ⟩ = 0 . No estoy seguro de cuál es el significado físico de ese estado.
@JohnRennie Y la razón por la que dije que el protón es un estado propio es que afirmo que si toma un estado que ya es un estado propio (como su $H\psi\rangle=0) y agrega un protón, el nuevo estado será sea ​​un estado propio del "QCD hamiltoniano" (que, por supuesto, en realidad no existe), que depende solo de quarks y gluones, pero no tiene operador de campo para protones. Pero todavía estoy confundido acerca de esto y estoy abierto a sus pensamientos.
El estado de vacío de un campo interactivo es el estado de energía más bajo, es decir, el condensado. Este es un estado propio de energía. Sin embargo, no es un estado propio del operador numérico, por lo que no es | 0 ⟩ ni puede escribirse como una suma de los estados de Fock, aunque normalmente agitamos los brazos y suponemos que puede aproximarse de esta manera.
Estoy de acuerdo en que el estado de energía más bajo también se llama vacío, pero en cualquier proceso físico asumimos que la interacción se desvanece en el pasado y el futuro asintóticos (aunque esto debería ser técnicamente ilegal según el teorema de Haag), por lo que el vacío que usamos para definir el La matriz S es la a | 0 ⟩ = 0 vacío, y este es el "vacío" que usamos para calcular el propagador, por lo que también está bien llamarlo vacío. Y creo que su vacío de condensado se puede aproximar como una suma de estados de Fock, una vez más hasta los problemas de UV.
¿Por qué la masa del protón es un valor tan preciso?
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