Согласно стандартной модели, протон состоит из трех кварков, между которыми находится глюонная среда, передающая сильные взаимодействия. Сильные взаимодействия имеют три разных типа – их называют красными, зелеными и синими.

Международная команда физиков из Университета Вупперталя (Bergische Universität Wuppertal, Wuppertal, Germany), Института фон Неймана (John von Neumann–Institut für Computing, Deutsches Elektronen-Synchrotron) и Института Теоретической физики Будапешта (Institute for Theoretical Physics, Eötvös University, Budapest, Hungary) провела численный эксперимент, целью которого было чисто теоретическое вычисление масс протона и нейтрона.

99% всей массы видимой материи во Вселенной приходится на эти частицы. Согласно стандартной модели, протон состоит из трех кварков, масса которых по разным оценкам составляет от 1% до 5% общей массы протона. Всю остальная массу частицы составляет энергия сильного взаимодействия.

Ученым удалось получить численные решения уравнений квантовой хромодинамики, описывающих протон. Для численного решения использовалась целочисленная сетка, которая заменила в приближенном решении непрерывное пространство-время. Для этого понадобился год счета с использованием сети распределенных вычислений Jülich Supercomputing Centre, мощность которой составляет 200 триллионов операций в секунду. При расчете необходимо было обработать матрицу из 10000 триллионов чисел. Полученная теоретически масса протона совпала с данными эксперимента с точностью до 2%. Предыдущие численные эксперименты давали оценку массы протона с точностью 10%.

Физики заявили, что теория достаточно точно описывает реальность, и математическую модель можно использовать как для расчета других характеристик элементарных частиц, например, заряда, так и для поиска результатов еще неизвестных в современной физике.

Одним из результатов эксперимента стала проверка знаменитой формулы Эйнштейна, связывающей материю и энергию: E = mc2. Эта формула подтверждена с высокой точностью для ядерных взаимодействий. Как заметил участник эксперимента венгерский физик Стефан Дьюр (Stefan Dürr), эксперимент подтвердил, что на фундаментальном уровне материя похожа на хлопья, и практически вся состоит из энергии.

Исследование опубликовано в журнале Science: «Ab Initio Determination of Light Hadron Masses» (Ab Initio Determination of Light Hadron Masses, – S. Dürr, Z. Fodor, J. Frison, C. Hoelbling, R. Hoffmann, S. D. Katz, S. Krieg, T. Kurth, L. Lellouch, T. Lippert, K. K. Szabo, G. Vulvert,– Science 21 November 2008: Vol. 322. no. 5905, pp. 1224 – 1227

Евгений Биргер