Maailmankaikkeuden massan alkuperä

Viime viikolla eräs alan vanha guru piti yliopistolla seminaarin maailmankaikkeuden näkyvän massan alkuperästä. Siis näkyvän massan. Puheessa ei puututtu pimeään aineeseen eikä mihinkään muuhun spekulatiiviseen. Vitsi oli tietenkin se, että kyseessä ei ollut mikään puhe Higgsin bosonista tai jostain esoteerisesta hitufysiikan teoriasta. Puhe koski ihan protonin sisäisten vuorovaikutusten teoriaa eli kvanttiväridynamiikkaa. Nämä vuorovaikutukset luovat suurimman osan protonien massasta ja siten noin 95% maailmankaikkeuden näkyvästä massasta.

Protoni koostuu kahdesta ylös-kvarkista ja yhdestä alas-kvarkista ja Higgsin mekanismi antaa toki näille kvarkeille lepomassat, mutta kaikki viittaa siihen, että nuo ”paljaat” massat eivät ole järin suuret. Ylös-kvarkin massan arvioidaan olevan luokkaa 2 ja alas-kvarkin noin 5 yksiköissä MeV/c2 (yksi MeV/c2 on noin 1.8×10−30 kilogrammaa). Vertailun vuoksi piskuisella elektronilla on näissä yksiköissä massa 0.5. Koska protoni painaa vaa’alla noin 938 MeV/c2 suurin osa protonin massasta on jotain muuta kuin alkeishiukkasten lepomassaa. Sen ajatellaan syntyvän kvarkkien välisissä vuorovaikutuksissa. Vahva ydinvuorovaikutus, niin kuin kaikki vuorovaikutukset, välittyy mittakenttäbosonien kautta, jotka ydinvuorovaikutusten kohdalla on gluoneja. Gluoneilla ei ole lepomassaa ensinkänään, mutta vuorovaikuttavalla kvarkki-gluoni-puurolla protonin sisällä sen sijaan on valtavasti liike- ja sidosenergiaa. Energia on massaa kun käytetään raa’asti Einsteinin kaavaa E=mc2.  Tuon energian voi laskea kvanttiväridynamiikan teoriasta, jos rahkeet vaan riittävät. Nämä laskut ovat muuten maailman vaikeimpiin laskuihin kuuluvia laskuja. Isot supertietokoneet ovat ruksuttaneet niitä vuosikausia. Joitain vuosia sitten tietokoneiden tehot ovat kasvaneet niin paljon, että protonin massa on voitu laskea niin tarkasti, että virhe on vain luokkaa 1%. Kun pöly on laskeutunut, saadaan tulos, että kvarkki-gluoni-puuron sidosenergia muodostaa lähes 99% protonin massasta.

Eli reality check. Higgsin bosoni on ihan kiva, mutta suurin osa maailmankaikkeuden näkyvästä massasta on kuorrutusta suhteellisen kevyiden alkeishiukkasten päällä.

Mainokset