Woher kommt die Masse des Protons?

Das Geheimnis der Protonenmasse

Das Proton, ein Elementarteilchen, das zusammen mit dem Neutron den Atomkern bildet, hat eine Masse von etwa \(1,6726 \times 10^{-27}\) kg. Wenn wir jedoch die Massen seiner elementaren Bestandteile – zwei Up-Quarks und ein Down-Quark – addieren, erhalten wir nur einen winzigen Bruchteil dieser Masse. Woher kommt also der größte Teil der Masse des Protons? Die Antwort liegt in einer der faszinierendsten Entdeckungen der modernen Physik: der Energie der Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen innerhalb des Protons.

Die Zusammensetzung des Protons

Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik besteht das Proton aus drei sogenannten „Valenz“-Quarks (zwei Up-Quarks und ein Down-Quark), die durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten werden und von Teilchen namens Gluonen getragen werden. Allerdings beträgt die einfache Summe der Massen der Valenzquarks nur etwa 1 % der Gesamtmasse des Protons:

\(m_{Proton} \ungefähr 938 \text{ MeV}/c^2\)
\(m_{up} \ca. 2,3 \text{ MeV}/c^2\)
\(m_{down} \ca. 4,8 \text{ MeV}/c^2\)
\(2m_{oben} + m_{unten} \ungefähr 9,4 \text{ MeV}/c^2 \ungefähr 1\% m_{Proton}\)

Die restlichen 99 % stammen hauptsächlich aus der kinetischen Energie der Quarks und der Energie der Gluonen, die sie binden, gemäß Einsteins berühmter Masse-Energie-Äquivalenz \(E = mc^2\).

Die entscheidende Rolle einer starken Interaktion

Die starke Wechselwirkung ist so stark, dass sie die Quarks im Proton einschließt. Gluonen, die diese Kraft tragen, tauschen kontinuierlich Energie zwischen Quarks aus und bilden außerdem virtuelle Quark-Antiquark-Paare, die ständig erscheinen und verschwinden. Dieses „Meer“ virtueller Teilchen trägt wesentlich zur Masse des Protons bei.

Die Theorie, die diese Wechselwirkungen beschreibt, ist die Quantenchromodynamik (QCD), die die Besonderheit hat, dass sie eine Kopplungskonstante hat, die bei hoher Energie abnimmt (asymptotische Freiheit), bei niedriger Energie jedoch zunimmt, was erklärt, warum Quarks nicht isoliert werden können.

Theoretische Berechnungen und experimentelle Überprüfungen

Die Berechnung der Masse des Protons anhand der Grundprinzipien der QCD stellt eine immense rechnerische Herausforderung dar, die Supercomputer und Lattice-Computing-Techniken erfordert. Diese Simulationen bestätigen, dass der Großteil der Masse tatsächlich aus der Energie von Gluonen und der kinetischen Energie von Quarks stammt.

Experimentell ermöglichte uns die tief inelastische Streuung von Elektronen an Protonen, die innere Struktur des Protons zu untersuchen und QCD-Vorhersagen hinsichtlich der Verteilung von Quarks und Gluonen zu validieren.

Quelle :Modern Physics Review – Struktur des ProtonsUndNatur – Protonenmassenberechnungen in der Gitter-QCD.