0416. Come si compone la massa totale del protone?

Si sa che un protone è fatto di 2 quark UP ed 1 quark DOWN, le cui masse sono: massa quark up 2.4 MeV/c², massa quark down 4.8 MeV/c². Come mai la massa del protone è 938,28 MeV/c² cioè dell'ordine dei 1000 MeV/c² invece di 2x 2,4+4,8 ...... 9,6 MeV/c² somma dei suoi costituenti ??? perchè non si fa la semplice somma delle masse?

 da Gianluca Fiorucci

Caro Webnauta, la tua osservazione è molto acuta: come hai effettivamente osservato la somma delle masse dei quark è diversa dalla massa del nucleone .

Evidentemente l'assunzione che il nucleone sia formato solo da 'quei' tre quark è errata, infatti il nucleone è un sistema molto più complesso. Sappiamo che la teoria che descrive le interazioni tra i quark (QCD o Quantum Chromo Dynamics) è una teoria molto complicata che a tutt'oggi non si riesce a risolvere in modo analitico. Sappiamo però che gli ingredienti essenziali della QCD sono, oltre ai quark, i gluoni ovvero i quanti mediatori dell'interazione. 

Dalla relazione di Einstein E=mc² [144] sappiamo che l'energia equivale alla massa e che quindi l'energia associata all'interazione forte (gluoni) può trasformarsi in massa (quark) e, visto che la natura delle interazioni forti fa si che ci sia una continua creazione ed annichilazione di quark e gluoni, se riuscissimo a fare una fotografia dell'interno del nucleone vedremmo un ribollire di particelle che si trasformano continuamente con un numero di quark, anti-quark e gluoni che cambia in continuazione.

In questo senso associare una massa ad una particella che ha in continuazioni interazioni e subisce trasformazioni è più una convenzione che una realtà fisica. Comunque, in certe condizioni, è possibile definire la massa dei quark associati alla QCD (detti 'quark correnti') che, come tu riporti, ha valori di qualche MeV .

Tutta questa complessità, particelle che vengono create e distrutte in continuazione, può essere semplificata con una descrizione efficace che riconduce le proprietà del nucleone (massa, carica momento magnetico, ...) alla somma di tre oggetti (detti 'quark costituenti'). Attenzione però che la realtà fisica dei quark costituenti non è rigorosa ma solo una approssimazione della realtà. Anzi, se vuoi, è quasi miracoloso che con questa semplice ipotesi si riesca a costruire un modello (il modello a quark degli adroni) che riproduce molte delle proprietà (statiche) del nucleone. Un confronto dei risultati ottenuti in molti esperimenti, in particolare quelli eseguiti ad energie elevate, mostra tutti i limiti di questa semplificazione e per una corretta interpretazione dei dati sperimentali e' necessario invocare tutta la complessità della QCD.

Puoi approfondire l'argomento leggendo i percorsi divulgativi riportati nel sito di ScienzaPerTutti: PERCORSI

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Marco Battaglieri, fisico

ultimo aggiornamento giugno 2014