Откуда берется масса вещества во Вселенной? Ученые знают, что почти 99% её сосредоточено в атомных ядрах, но объяснить происхождение массы протонов и нейтронов до сих пор не удавалось. Исследователи из Санкт-Петербургского университета предложили неожиданный путь решения загадки, объединив теорию поляронов из физики твердого тела и квантовую хромодинамику.
Протоны и нейтроны состоят из кварков, но их собственная масса объясняет лишь около 1% веса частицы. Остальное приходится на энергию взаимодействий. Уже более 60 лет физики ищут модель, способную воспроизвести это число, но успеха не было.
Команда СПбГУ заметила, что поведение кварков в нуклонах может напоминать процесс утяжеления электронов в кристаллах. Там частица «одевается» в облако взаимодействий и становится намного тяжелее — так возникает полярон.
«Мы предположили, что сходный механизм может действовать и для кварков внутри протонов и нейтронов, что могло бы объяснить их массу и помочь разгадать загадку массы почти всего вещества».
— Сергей Афонин, профессор СПбГУ
Новая модель показала: если в уравнение из физики поляронов подставить параметры кварковых взаимодействий, масса нейтрона и протона воспроизводится с высокой точностью. Более того, удалось описать и такие характеристики, как пион-нуклонный сигма-член.
В классической картине протон и нейтрон состоят из трёх кварков. В новой интерпретации один кварк играет роль аналога электрона в поляроне, а остальные становятся частью «облака», определяющего свойства системы. Для удобства исследователи создали «словарь» перевода между физикой поляронов и физикой сильных взаимодействий.
Соавтором работы стал профессор Александр Тулуб, ученик Владимира Фока — одного из основателей квантовой механики. Это придает открытию особую преемственность в истории российской науки.
Источник: The European Physical Journal C / СПбГУ
