La massa dei nucleoni

Come il protone e il neutrone acquistano la loro massa

I nucleoni (protoni e neutroni) sono strutture complesse, i cui costituenti principali sono tre "quark di valenza": uud per il protone e udd per il neutrone. La carica elettrica del quark u (up) e del quark d (down) è rispettivamente di +2/3 e -1/3 la carica elementare e, quando le cariche elettriche dei quark si sommano nei nucleoni conferiscono carica +e al protone e carica 0 al neutrone.

Ogni sapore di quark (u e d) esiste in tre stati di carica possibili chiamati colori, comunemente designati come rosso, verde e blu. I colori dei quark sono continuamente scambiati tramite assorbimento ed emissione di gluoni. Questo è il meccanismo dell'interazione forte descritto dalla teoria chiamata CromoDinamica Quantistica (QCD).
Gli adroni possono esistere solo in combinazioni di colore neutro: tre quark diversamente colorati per i barioni o una coppia colore-anticolore per i mesoni. Questa regola implica il confinamento permanente dei quark negando la possibilità di osservare un quark libero e isolato dagli altri.

La diffusione (scattering) ad alta energia tra nucleoni conferma la loro struttura composita, analisi dettagliate del trasferimento delle quantità di moto in esperimenti di "scattering" dimostrano che la massa intrinseca dei quark u e d sono dell'ordine di 1,9 ±0,2 MeV/c^2 e 4,6 ±0,2 MeV/c^2, rispettivamente (per confronto si ricorda che l'elettrone ha una massa di 0,511 MeV/c^2).
Secondo quanto esposto si deduce che la massa combinata di tre quark può rendere conto solo di circa l'1% della massa del protone 938,3 MeV/c^2 o del neutrone 939,6 MeV/c^2.

Risulta quindi evidente che la preponderanza di massa dei nucleoni nasce dall'energia dei gluoni scambiati tra i quark oltre che dalla mutua interazione tra di loro (a differenza dei fotoni, che non hanno carica, i gluoni portano singolarmente cariche di colore e anticolore che li fanno interagire fortemente tra di loro).
La relazione m=E/c^2 mostra come l'energia possa creare la massa e inoltre il campo gluonico è anche in grado di produrre coppie virtuali di quark-antiquark.

Quarks, gluoni e coppie virtuali quark-antiquark

A causa della forza delle interazioni coinvolte nella QCD la teoria delle perturbazioni non è sufficiente per i calcoli come invece avviene in ElettroDinamica Quantistica (QED), tuttavia le masse del protone e del neutrone possono essere approssimate usando la teoria del reticolo di gauge (lattice gauge theory). Le elaborazioni effettuate con i supercomputer più potenti attualmente disponibili hanno portato a stime per i valori di massa fino a circa il 2%.

Roberto