Почему протон тяжелее суммы своих кварков
Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка, однако сложить массы этих частиц и получить массу протона не выйдет: вклад самих кварков составляет лишь небольшую её часть. Основная масса возникает внутри протона — из энергии, связанной с движением кварков и взаимодействиями между ними.
Кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием. Его переносчики — глюоны — не просто скрепляют кварки: они тоже участвуют в сложной, непрерывно меняющейся системе. Кварки и глюоны движутся, взаимодействуют и порождают кратковременные пары частиц и античастиц. Энергия всего этого внутреннего движения и взаимодействий вносит вклад в массу протона.
Энергия тоже имеет массу
Связь между энергией и массой выражает знаменитая формула Эйнштейна E = mc². Она означает, что энергия системы соответствует некоторой массе. Поэтому масса протона — это не только сумма масс составляющих его частиц, но и масса, эквивалентная энергии, заключённой в их взаимодействиях.
Это не значит, что внутри протона спрятан запас энергии, который можно просто извлечь, как топливо. Речь о свойствах связанной квантовой системы: сильное взаимодействие определяет, как кварки и глюоны движутся и удерживаются вместе, а суммарная энергия этой системы проявляется как масса протона.
Что здесь объясняет поле Хиггса
Поле Хиггса связано с массой многих элементарных частиц, в том числе кварков. Но сами кварки дают протону лишь малую долю его массы. Остальное появляется благодаря сильному взаимодействию — поэтому открытие бозона Хиггса подтвердило существование поля, но не объяснило, откуда берётся большая часть массы привычного вещества.
Иными словами, почти вся масса атомных ядер — а значит, и большая часть массы окружающих нас предметов — связана с энергией, которая удерживает кварки внутри протонов и нейтронов.
