¿De dónde viene la masa del protón?

El misterio de la masa del protón

El protón, partícula fundamental que, junto con el neutrón, constituye el núcleo de los átomos, tiene una masa de aproximadamente \(1,6726 \times 10^{-27}\) kg. Sin embargo, si sumamos las masas de sus constituyentes elementales—dos quarks up y un quark down—solo obtenemos una fracción mínima de esta masa. ¿De dónde proviene entonces la mayor parte de la masa del protón? La respuesta radica en uno de los descubrimientos más fascinantes de la física moderna: la energía de las interacciones entre quarks y gluones dentro del protón.

Composición del protón

Según el Modelo Estándar de la física de partículas, el protón está compuesto por tres quarks de "valencia" (dos quarks up y un quark down) mantenidos juntos por la interacción fuerte, mediada por partículas llamadas gluones. Sin embargo, la simple suma de las masas de los quarks de valencia representa solo alrededor del 1% de la masa total del protón:

\(m_{proton} \approx 938 \text{ MeV}/c^2\)
\(m_{up} \approx 2,3 \text{ MeV}/c^2\)
\(m_{down} \approx 4,8 \text{ MeV}/c^2\)
\(2m_{up} + m_{down} \approx 9,4 \text{ MeV}/c^2 \approx 1\% m_{proton}\)

El 99% restante proviene principalmente de la energía cinética de los quarks y de la energía de los gluones que los unen, según la famosa equivalencia masa-energía de Einstein \(E = mc^2\).

El papel crucial de la interacción fuerte

La interacción fuerte es tan poderosa que confina los quarks dentro del protón. Los gluones, portadores de esta fuerza, intercambian continuamente energía entre los quarks y también crean pares virtuales quark-antiquark que aparecen y desaparecen constantemente. Este "mar" de partículas virtuales contribuye significativamente a la masa del protón.

La teoría que describe estas interacciones es la Cromodinámica Cuántica (QCD), que tiene la particularidad de tener una constante de acoplamiento que disminuye a alta energía (libertad asintótica) pero aumenta a baja energía, explicando por qué los quarks no pueden ser aislados.

Cálculos teóricos y verificaciones experimentales

Calcular la masa del protón a partir de los primeros principios de la QCD representa un desafío computacional inmenso que requiere supercomputadoras y técnicas de cálculo en red. Estas simulaciones confirman que la mayor parte de la masa proviene efectivamente de la energía de los gluones y de la energía cinética de los quarks.

Experimentalmente, la dispersión inelástica profunda de electrones en protones ha permitido sondear la estructura interna del protón y validar las predicciones de la QCD sobre la distribución de quarks y gluones.

Fuente: Reviews of Modern Physics - Estructura del protón y Nature - Cálculos de la masa del protón en QCD en red.