Протоны состоят из еще меньших частиц, называемых кварками, поэтому можно ожидать, что простое сложение масс кварков должно давать массу протона. Однако их сумма слишком мала, чтобы объяснить массу протона. И новые, детальные расчеты показывают, что только 9 процентов энергии протона приходится на массу составляющих кварков. Остальная масса протона происходит из сложных процессов, происходящих внутри частицы.

Кварки получают свои массы в результате процесса, связанного с бозоном Хиггса – элементарной частицей, впервые обнаруженной в 2012 году. Но «массы кварков крошечные», – говорит соавтор исследования и физик-теоретик Кех-Фей Лю из Университета Кентукки в Лексингтоне. Поэтому они имеют не слишком важное значение для объяснения массы протона.

Вместо этого большая часть массы протона обусловлена сложностями квантовой хромодинамики (КХД), которая объясняет вспенивание частиц в протоне. Выполнение расчетов с КХД чрезвычайно сложно, поэтому чтобы теоретически изучать свойства протона, ученые полагаются на метод, называемый решетчатой КХД, в котором пространство и время разбиваются на участки, на которых находятся кварки.

Используя эту технику, физики ранее рассчитали массу протона, но до сих пор не могли объяснить, почему она такова. Теоретик-физик Андре Уокер-Лоуд из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии заявил, что исследователи попали «в новую эру», в которой решетчатая КХД может использоваться для лучшего понимания ядерной физики.

Лю и его коллеги обнаружили, что в дополнение к 9 процентам массы протона, которая поступает из кварков, 32 процента исходит из энергии кварков, летающих внутри протона (если вспомнить известное уравнение Эйнштейна E = mc², то понятно, что энергия и масса – две стороны одной и той же монеты). Другие составляющие протона – безмассовые частицы, называемые глюонами, которые помогают удерживать кварки вместе, вносят еще 36 процентов массы через свою энергию.

Оставшиеся 23 процента приходят из-за квантовых эффектов, которые возникают, когда кварки и глюоны сложным образом взаимодействуют в протоне. Эти взаимодействия заставляют КХД игнорировать принцип, называемый масштабной инвариантностью. В масштабных инвариантных теориях растяжение или сжатие пространства и времени не имеет никакого отношения к результатам теории. Массивные частицы обеспечивают теорию масштабом, поэтому, когда КХД бросает вызов масштабной инвариантности, протоны также набирают массу.

Результаты исследования не удивительны, по словам теоретического физика Андреаса Кронфельда из Фермилаба в Батавии (штат Иллинойс). Ученые давно подозревают, что масса протона составляется таким образом. Но, по его словам, «такого рода вычисления заменяют веру в научные знания».