La masa de sus átomos proviene de una partícula sin masa (que no es el bosón de Higgs)

La masa de los átomos que le componen y por tanto su masa tiene un origen peculiar.

Hace algo más de 11 años, en julio de 2012, se observó por primera vez el bosón de Higgs, una partícula teorizada a finales de la década de los 60 que es la responsable de darle masa a las demás partículas fundamentales.

Podríamos pensar por tanto que si este bosón de Higgs es el que da masa a las partículas fundamentales, la masa de las partículas compuestas, como protones y neutrones, o incluso de los átomos, vendrá simplemente de sumar las primeras masas.

Sería lógico pensar que el bosón de Higgs da masa a nuestros átomos, aunque fuera indirectamente.

Y sin embargo el universo es más complejo que eso, incluso a las escalas más pequeñas posibles.

Un protón solemos describirlo como una agrupación de 3 quarks.

Lo mismo para el neutrón, cambiando las cantidades involucradas de cada quark.

Estos quarks son de tipo up y de tipo down.

De entre los seis tipos de quarks que existen, estos dos son los más ligeros, forman la primera generación de quarks.

Los cuatro restantes tienen propiedades idénticas, pero masas mucho mayores.

Se estima que los quarks up y down por separado (otro concepto que se resiste a simplificaciones) tienen una masa mucho menor que la del protón o neutrón que componen.

Pero otra vez, el universo si resiste a cualquier simplificación. Un protón es un objeto cuántico.

Como consecuencia, es un objeto regido por probabilidades, indeterminaciones y superposiciones.

A la escala de las partícula subatómicas la escala no se mide en kilogramos, ni siquiera en mili, micro o nanogramos.

Utilizamos otras unidades equivalentes, pero mucho más útiles.

A escalas subatómicas recurrimos a la famosa equivalencia entre masa y energía que nos descubrió Albert Einstein hace ya más de 100 años.

Es decir, a una de las fórmulas más famosas de la ciencia, la que dice que E=mc2.

Cuando hablamos de electrones, protones o neutrones, expresamos la masa como una energía dividida por la velocidad de la luz al cuadrado.

Pero tampoco utilizamos la unidad habitual para expresar energías macroscópicas, que es el julio, o la caloría. Utilizamos el electronvoltio.

Un electronvoltio se define como la energía que ganaría un electrón si lo sometemos a una diferencia de potencial de un voltio.

Esta es una energía más bien pequeña, porque un electrón es algo diminuto y ligero y porque un voltio no es demasiado voltaje.

Los electrones tienen una masa de aproximadamente 511 mil electronvoltios, mientras que los protones están sobre los 938 millones de electronvoltios y los neutrones un poquito más arriba, con unos 940 millones de electronvoltios.

Los electronvoltios suelen abreviarse como “eV” y los miles se representan con una “k”, como en “kilo”, y los millones con una “M”, como en “mega”.

Por tanto decimos que la masa del protón es de aproximadamente 938 MeV/c2.

Pues bien, a esta escala la masa de un quark up es de unos 2 MeV/c2 mientras que la de un quark down es de unos 4 Mev/c2.

Si un protón está formado de dos quarks up y un quark down, la masa debida a los quarks es únicamente 8MeV/c2.

¿De dónde vienen los 930 restantes?

Vienen, directa o indirectamente, de una partícula sin masa, del gluón, y de la energía que tienen los quark por estar confinados en un espacio pequeño.

Este gluón es la partícula responsable de transmitir o mediar la interacción nuclear fuerte, que es la que mantiene a los quarks unidos formando un protón o un neutrón.

Y el gluón, efectivamente, no tiene masa.

Sin embargo sí tiene otras propiedades que hacen que esta interacción fuerte sea muy diferente de, por ejemplo, la electromagnética, la que mantiene a los electrones orbitando alrededor de un núcleo atómico.

Los gluones pueden interaccionar entre sí, a diferencia de los fotones, que cumplen el mismo papel en esta interacción electromagnética.

Los fotones solo interaccionan con partículas con carga eléctrica y como ellos mismos son neutros, dos fotones que se encuentran se ignoran mutuamente.

Los gluones interaccionan con todo lo que tenga carga de color.

Puesto que ellos tienen este tipo de carga, interaccionan si se encuentran.

Esto hace que puedan existir estados ligados (aunque bastante inestables) compuestos únicamente de gluones, conocidos como glueballs.

Esto confiere a la interacción fuerte ciertas características, como la libertad asintótica, que hace que los quarks se atraigan más fuertemente cuanto más separados están (al contrario que le ocurriría a un protón y un electrón).

Con todo, la energía almacenada en los gluones encargados de mediar la interacción entre los 3 quarks que constituyen un protón o un neutrón, es la que constituye la contribución principal a su masa.

También la energía cinética de los quarks aporta algo a esta cantidad.

Al estar moviéndose estas partículas en un espacio confinado, como es el protón, su energía cinética, la debida a su movimiento, contribuye a la masa de la partícula compuesta resultante, el protón.

Esta energía extra puede tomar la forma de quarks virtuales.

Parejas de quark-antiquark que aparecen durante un breve periodo de tiempo antes de aniquilarse mutuamente.

Estos quarks virtuales contribuyen a la masa del protón, sin realmente contribuir a su composición.

Fuente: Muy Interesante