為什麼質子的質量大於組成它的各部分質量之和

你知道嗎，質子的質量大於它各個組成部分質量之和。現在，科學家總算搞清楚了亞原子粒子到底如何產生質量效用。

質子由更小的、被稱為夸克的粒子構成，所以自然的想法是，把每個夸克零件的質量加在一起，就可以得到質子的質量。然而，實際計算後就能發現，全部零件的質量加起來仍然太小，無法解釋質子的質量。最新的詳細計算表明，質子只有9%的重量來自構成它的夸克。11月23日在《物理評論快報》上發表的論文指出，質子的大部分質量是由其內部複雜的量子效應貢獻的。

夸克從與希格斯玻色子的相互作用中獲得質量，後者是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子，2012年首次被我們發現。但是，「夸克的質量很小，」上述論文的合作者、萊剋星頓肯塔基大學的理論物理學家Keh-Fei Liu說。因此，對於質子，無法用希格斯場來解釋。

相反，質子相當於9.38億個電子的質量，大部分來自量子色動力學或QCD——量子色動力學，描述夸克和膠子相互作用的理論——的複雜性。直接使用QCD理論進行具體計算是非常困難的，因此從理論上研究質子的性質，科學家們依賴於一種被稱為格子QCD的技術，把空間和時間分解成網格，而夸克存在於網格之中。

使用這種技術，物理學家先前已經計算出了質子的質量。但加利福尼亞勞倫斯伯克利國家實驗室的理論物理學家AndréWalker-Loud說，之前未能對質量的數值給出解釋。不過現在好了， 「這令人興奮，因為它標誌著……我們真正地邁入了理論新時代」，格子QCD可以更好地處理核物理學問題。

Liu和他的同事發現，質子除了9％來自夸克的質量外，還有32％來自內部夸克的能量。 (這是因為能量和質量是同一枚硬幣的兩面，這要歸功於愛因斯坦著名的等式E=mc^2。)質子的其他成分，被稱為膠子的無質量粒子，負責將夸克黏合在一起，它們的作用能量貢獻了另外36％。

剩下的23％是由於夸克和膠子在質子內以複雜的方式相互作用時發生的量子效應。這些相互作用導致QCD無視了被稱為標度不變性的原理。根據標度不變性，拉伸或壓縮空間和時間對理論結果沒有任何影響。因為質量粒子本身就是理論的某個尺度，因此當QCD不服從標度不變性時，質子就會獲得質量。

費米實驗室的理論物理學家Andreas Kronfeld 說，這一結果並不未令我們感到驚訝。物理學界長期以來一直懷疑質子的質量是以這種方式構成的。但是，他補充說，「用真正的計算取代信念，代表了科學的進步。」

本文譯自 sciencenews，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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