Почему масса протона является такой точной величиной?

Почему масса протона является такой точной величиной?

Протон состоит из 3 чистых валентных кварков и того, что часто называют «энергией связи» или «миллионом глюонов, кварков и антикварков, которые самоаннигилируют и появляются». Кварки составляют всего около 1% массы, но для меня загадкой является понимание того, почему вся эта 99% «аморфная» динамическая энергия связи в протоне (или нейтроне) составляет постоянную и очень точную массу или энергию, которой он является.

Я мог бы предположить, что масса отдельного протона просто будет иметь больший диапазон, что количество энергии связи будет более изменчивым.

Вам интересно, переменна ли энергия основного состояния атома водорода?
Тот факт, что ваша метафорическая КХД-картина протона кажется нечеткой и «все допустимо», не означает, что она не представляет собой точную и четко определенную теорию (КХД): ее просто трудно смоделировать, не говоря уже о расчете аналитически.
Пока протон является стабильной частицей, из чего бы он ни состоял, вы можете измерить его массу с произвольной точностью. Возможно, вам придется проводить измерения в течение достаточно длительного интервала времени. Ошибка, которую вы видите, основана на измерительном устройстве, а не на протоне.
Измерение массы не происходит в (известном) вакууме. Когда вы планируете эксперимент по измерению массы протона, вам придется связать свои измерения с другими экспериментами с помощью теоретических соображений. На самом низком уровне вам нужна процедура, чтобы связать МэВ / с 2 что масса обычно указывается в кг. На более высоком уровне вы сравните массу протона с массой другого объекта (скажем, позитрона), и вам придется учитывать, как они ведут себя по-разному, независимо от массы. Это говорит о том, что то, что вы описываете, является небольшой частью сложностей извлечения значимого числа.
Краткая версия моего комментария: ценность — это теоретическая ценность, которая пытается быть как можно более свободной от предубеждений. Недавняя путаница с радиусом протона после новых измерений с использованием мюонов является хорошим уроком того, насколько моделирование связано с этими усредненными числами, которые в конечном итоге приводятся в таблицах в ссылках. ps Я только что заметил, что в Википедии есть статья о загадке протонного радиуса, но я ее еще не читал: en.wikipedia.org/wiki/Proton_radius_puzzle
Привет! Однажды я читал, что суперкомпьютеру потребовалось 200 часов, чтобы вычислить, что спин протона равен половине. Я знаю, что это не то же самое, что масса, но тем не менее. Однако спин протона «легко» измерить как половину (не точно, но довольно близко, из-за КЭД, точно так же, как знаменитый расчет магнитного момента электрона, который соответствовал до 10 (?) цифр после запятой).
Также эта статья может вам помочь Массы ядер рассчитаны с нуля

Ответы (5)

Ты говоришь:

миллионы глюонов, кварков и антикварков самоуничтожаются и возникают

и хотя это очень распространенный способ описания внутренней части адрона как протона, на самом деле он вводит в заблуждение. Ничто не возникает, а затем снова исчезает. Но объяснить, что на самом деле происходит, немного сложно.

На сегодняшний день лучшей теорией для описания частиц является квантовая теория поля. В этой теории фундаментальными объектами являются квантовые поля, существующие повсюду во Вселенной. Частицы, такие как кварки, не являются фундаментальными объектами. Вместо этого они являются просто состояниями квантового поля. Это прекрасно объясняет, как частицы могут создаваться и уничтожаться на коллайдерах, таких как БАК, потому что мы можем начать с нулевого состояния частиц квантового поля и добавить к нему энергию, чтобы возбудить его до состояний, соответствующих ненулевому числу частиц. Точно так же состояние поля, которое соответствует частицам, может перейти в состояние с меньшим количеством частиц или без них.

Но хотя существуют состояния поля, соответствующие тому, что мы называем частицами , на самом деле это довольно частный случай. В частности, это только тот случай, когда у нас есть изолированная частица, которая не взаимодействует ни с какими другими частицами. Они называются фоковскими состояниями поля. Но поле имеет бесконечное число других состояний, которые не являются состояниями Фока, поэтому они не соответствуют частицам. Проблема в том, что мы не знаем, как решить уравнения поля, чтобы получить эти состояния. Вместо этого мы должны использовать приближенные методы для вычисления таких свойств, как их масса.

И это относится к связанным состояниям, которые мы называем адронами. Протон — это состояние квантового поля, но это не фоковское состояние. В принципе, мы могли бы написать уравнение для поля и решить его, чтобы получить состояние, соответствующее протону, но на практике мы просто не знаем, как это сделать, поэтому приходится аппроксимировать его. Мы делаем это, аппроксимируя состояние как совокупность виртуальных частиц, и именно поэтому в научно-популярных описаниях говорится о том, что частицы появляются и снова исчезают. Где научно-популярные статьи ошибаются, так это в том, что эти виртуальные частицы являются вычислительным устройством и их не существует. Я не могу не подчеркнуть этого достаточно: виртуальные частицы — это просто способ вычисления свойств состояний поля, которые не являются состояниями Фока и, следовательно, не соответствуют частицам.

Это увело нас далеко от вашего вопроса, но теперь мы можем понять, почему масса протона хорошо определена. Это потому, что это четко определенное состояние квантовых полей и, как таковое, имеет четко определенную массу. Это просто не соответствует четко определенному числу частиц, поэтому это не просто три кварка или н кварки и м глюоны или любой другой набор частиц.

Если вам интересно узнать об этом больше, вы можете посмотреть мой ответ на вопрос « Действительно ли колебания вакуума происходят постоянно?» где я использую аналогичный аргумент, чтобы объяснить, почему вакуум на самом деле тоже не колеблется.

Это хорошее обсуждение, но фактический ответ «потому что... четко определенное состояние [имеет] четко определенную массу» должен быть наверху.
Адрон не является фоковским состоянием, но его все же можно выразить как линейную комбинацию фоковских состояний, потому что фоковские состояния составляют основу гильбертова пространства (вплоть до УФ-проблем). И если это так, то возникает хороший вопрос — как может некоторая линейная комбинация фоковских состояний быть собственным энергетическим состоянием?
Хотя морских кварков не существует, мы можем отталкивать от них нейтрино . (Ищите описание эксперимента CDHS.)
@EricDavidKramer состояния свободных частиц не составляют основу гильбертова состояния взаимодействующего поля. Это теорема Хаага . Таким образом, вы не можете представить адрон как линейную комбинацию состояний Фока.
Теорема @JohnRennie Haag - это проблема с УФ, поэтому я написал «до проблем с УФ». Если вы возьмете отсечение и перенормируете, то состояния Фока в некотором смысле образуют основу для регулируемого гильбертова пространства. И в любом случае мы должны иметь возможность говорить о протоне, не беспокоясь о том, что происходит в УФ-диапазоне.
Спасибо. Ответ, разъясняющий природу того, что находится внутри протонов, в основном отвергающий поп-научное понятие «море частиц», дает мне лучший способ взглянуть на мои предположения, которые заставили меня задать этот вопрос. «Энергию связи» нельзя считать переменной, ее квантовые состояния точно определены в протоне так же точно, как понятие о том, что они являются тремя валентными кварками ... Я полагаю, что краткий ответ состоит в том, что набор состояний квантовых полей, которые определяют протон очень точен, сложенные вместе, они дают свойству массы значение, которое также является весьма точным

Было измерено, что масса протона 938.27208816 ( 29 ) М е В / с 2 , значение в скобках ошибка измерения.

Задача теоретической модели при моделировании протона состоит в том, чтобы попытаться объяснить измерение.

то, что часто называют «энергией связи».

Это не очень хорошее описание, как если бы вы представляли модель атомного типа просто более сложной из-за большего количества частиц. Сильное взаимодействие задействовано в моделировании адронов, а простые решения и даже инструмент квантовой теории поля бесполезны из-за большой константы связи сильных взаимодействий.

Теория КХД на решетке

Решетчатая КХД — это хорошо зарекомендовавший себя непертурбативный подход к решению теории квантовой хромодинамики (КХД) кварков и глюонов. Это калибровочная теория решетки, сформулированная на сетке или решетке точек в пространстве и времени. Когда размер решетки берется бесконечно большим, а ее узлы бесконечно близко друг к другу, восстанавливается континуум КХД

Ему удалось смоделировать адронные спектры с учетом некоторых входных данных. Вот презентация состояния теоретической модели.

Адронный спектр исследуется как экспериментально, так и теоретически .

Выяснить происхождение массы протона экспериментально — одна из основных целей предстоящего электронно-ионного коллайдера. Эта работа открыла двери для более численных расчетов и теоретического понимания структуры нуклонов, включая спиновое разложение протона с точки зрения спина кварка, орбитального углового момента кварка и клеевого углового момента, измерение которых также является ведущей целью электронно-ионного анализа. коллайдер.

Происхождение массы протона — довольно тонкий вопрос, на самом деле оно создается сложной динамикой кварковых и глюонных полей. Насколько я понимаю этот вопрос, известное значение массы протона - это энергия основного состояния протона, которое является некоторым собственным состоянием соответствующего гамильтониана, возбуждения в теории КХД. Существуют возбужденные состояния с более высокой энергией, массой соответственно. Однако при не очень высоких температуре и плотности основное состояние будет сильно доминировать.

Но разве нам не нужен эталонный уровень энергии для описания уровня энергии основного состояния? Является ли эта ссылка энергией вакуума?
@Astik - ну, я бы сказал, да. Однако вопрос немного тонкий, потому что структура вакуума КХД весьма нетривиальна, и рождение протонной частицы возможно в присутствии других нуклонов или частиц. Обычно предполагается, что влияние окружения значительно меньше, чем масштаба КХД.

В квантовой механике собственное энергетическое состояние — это стационарное состояние, то есть неизменное во времени (кроме фазы). Эта картина не работает с идеей появления и исчезновения виртуальных частиц, и это проблема слишком классических аналогий.

Частица, по определению, является собственным энергетическим состоянием. Это означает, что состояние постоянно во времени.

«Вакуум», т. е. состояние без глюонов и кварков, не является собственным энергетическим состоянием, когда учитываются взаимодействия, потому что, как вы говорите, кварки и глюоны будут возникать и исчезать. Но связанное состояние кварков и глюонов является собственным энергетическим состоянием. Это означает, что есть способ комбинировать кварки и глюоны таким образом, что при включении взаимодействий аннигилирующее вещество точно заменяется тем, что создается, а состояние остается постоянным. Одно из этих состояний называется протоном. И энергия этого состояния, которое остается постоянным, называется массой протона.

В теории взаимодействия частица не является собственным состоянием энергии, потому что собственные состояния энергии не являются также собственными состояниями числового оператора. Частицы являются только энергетическими собственными состояниями в теории свободного поля. Напротив, вакуумное состояние во взаимодействующих теориях является энергетическим собственным состоянием (хотя и не собственным состоянием числового оператора). Так что это прямо противоположно тому, что вы написали.
Но свободный протон — это собственное энергетическое состояние, не так ли?
@AntonTykhyy Под частицей мы подразумеваем фундаментальную частицу, такую ​​​​как кварк или глюон, то есть состояние Фока, а не составное состояние, такое как протон. Протон действительно является собственным энергетическим состоянием квантовых полей, но не фундаментальной частицей.
@JohnRennie Причина, по которой я сказал, что вакуум не является собственным энергетическим состоянием, заключается в том, что я называю вакуум состоянием без частиц: а | 0 ⟩ . Если частица не является собственным состоянием, то и этот вакуум не может быть таковым. Вы, должно быть, называете вакуумом такое состояние, что ЧАС | ψ ⟩ "=" 0 . Я не уверен, каково физическое значение этого состояния.
@JohnRennie И причина, по которой я сказал, что протон является собственным состоянием, заключается в том, что я утверждаю, что если вы возьмете состояние, которое уже является собственным состоянием (например, ваше $H\psi\rangle=0), и добавите протон, новое состояние будет быть собственным состоянием «гамильтониана КХД» (которого, конечно, на самом деле не существует), который зависит только от кварков и глюонов, но не имеет полевого оператора для протонов. Но я все еще в замешательстве по этому поводу, и я открыт для ваших мыслей.
Вакуумное состояние взаимодействующего поля является низшим энергетическим состоянием, т.е. конденсатом. Это собственное энергетическое состояние. Однако это не собственное состояние числового оператора, поэтому оно не | 0 ⟩ его также нельзя записать в виде суммы состояний Фока, хотя мы обычно размахиваем руками и предполагаем, что его можно аппроксимировать таким образом.
Я согласен с тем, что состояние с наименьшей энергией также называется вакуумом, но в любом физическом процессе мы предполагаем, что взаимодействие исчезает в асимптотическом прошлом и будущем (хотя это должно быть технически недопустимо согласно теореме Хаага), и поэтому вакуум, который мы используем для определения S-матрица а | 0 ⟩ "=" 0 вакуум, и это «вакуум», который мы используем для расчета пропагатора, поэтому также можно называть его вакуумом. И я думаю, что ваш вакуум конденсата можно аппроксимировать как сумму состояний Фока, опять же, вплоть до проблем с УФ.
Почему масса протона является такой точной величиной?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v