De onde vem a massa do próton?

O mistério da massa do próton

O próton, partícula fundamental que, juntamente com o nêutron, constitui o núcleo dos átomos, possui uma massa de aproximadamente \(1,6726 \times 10^{-27}\) kg. No entanto, se somarmos as massas de seus constituintes elementares—dois quarks up e um quark down—obtemos apenas uma fração mínima dessa massa. De onde vem, então, a maior parte da massa do próton? A resposta está em uma das descobertas mais fascinantes da física moderna: a energia das interações entre quarks e glúons dentro do próton.

Composição do próton

De acordo com o Modelo Padrão da física de partículas, o próton é composto por três quarks de "valência" (dois quarks up e um quark down) mantidos juntos pela interação forte, mediada por partículas chamadas glúons. No entanto, a simples soma das massas dos quarks de valência representa apenas cerca de 1% da massa total do próton:

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

Os 99% restantes vêm principalmente da energia cinética dos quarks e da energia dos glúons que os ligam, de acordo com a famosa equivalência massa-energia de Einstein \(E = mc^2\).

O papel crucial da interação forte

A interação forte é tão poderosa que confina os quarks dentro do próton. Os glúons, portadores dessa força, trocam energia continuamente entre os quarks e também criam pares virtuais quark-antiquark que aparecem e desaparecem constantemente. Esse "mar" de partículas virtuais contribui significativamente para a massa do próton.

A teoria que descreve essas interações é a Cromodinâmica Quântica (QCD), que tem a particularidade de ter uma constante de acoplamento que diminui em altas energias (liberdade assintótica), mas aumenta em baixas energias, explicando por que os quarks não podem ser isolados.

Cálculos teóricos e verificações experimentais

Calcular a massa do próton a partir dos primeiros princípios da QCD representa um desafio computacional imenso, exigindo supercomputadores e técnicas de cálculo em rede. Essas simulações confirmam que a maior parte da massa vem, de fato, da energia dos glúons e da energia cinética dos quarks.

Experimentalmente, o espalhamento inelástico profundo de elétrons em prótons permitiu sondar a estrutura interna do próton e validar as previsões da QCD sobre a distribuição de quarks e glúons.

Fonte: Reviews of Modern Physics - Estrutura do próton e Nature - Cálculos da massa do próton em QCD em rede.