Kwarki to cząstki elementarne i podstawowy składnik materii. Są to najmniejsze rzeczy, jakie znamy i nie składają się z niczego mniejszego ani prostszego. Kwarki występują w sześciu różnych „smakach”: góra, dół, urok, dziwny, góra i dół. Nigdy nie występują same w naturze, ale zawsze w połączeniu z innymi kwarkami, tworząc protony i neutrony w jądrze atomu oraz inne cząstki subatomowe, takie jak mezony. Uważa się, że kwarki są budulcem protonów i neutronów, które stanowią większość materii we wszechświecie.

Naukowcy badają, w jaki sposób materia uzyskuje swoją masę, ograniczając kwarki.

Zaproponowano nową metodę badania kwarków, podstawowych cząstek tworzących protony i neutrony w jądrach atomowych. Tego innowacyjnego podejścia nigdy wcześniej nie próbowano i może ono dostarczyć odpowiedzi na wiele fundamentalnych pytań w fizyce, w szczególności o pochodzenie masy w materii.

Badanie materii może przypominać otwieranie stosu rosyjskich lalek matrioszek, każdy poziom w dół odsłania inny znajomy, ale inny układ elementów, mniejszy i trudniejszy do zbadania niż poprzedni. W naszej codziennej skali mamy przedmioty, które możemy zobaczyć i dotknąć. Niezależnie od tego, czy chodzi o wodę w szklance, czy o samą szklankę, są to głównie układy cząsteczek zbyt małych, aby je zobaczyć. Narzędzia fizyki, mikroskopy, akceleratory cząstek i tak dalej, pozwalają nam zajrzeć głębiej, aby odkryć, że cząsteczki składają się z atomów. Ale na tym się nie kończy — atomy składają się z jądra otoczonego elektronami.

Jądro z kolei to układ nukleonów (protonów i neutronów), co daje[{” attribute=””>atom its properties and its mass. But it doesn’t end here either; the nucleons are further composed of less familiar things known as quarks and gluons. . And it’s at this scale that limits to our knowledge of fundamental physics present a block. As to explore quarks and gluons, they must ideally be isolated from each other; however, at present, this seems to be impossible. When particle accelerators smash atoms and create showers of atomic debris, quarks and gluons bind again too quickly for researchers to explore them in detail. New research from the University of Tokyo’s Department of Physics suggests we could soon open up the next layer of the matryoshka doll.

“To better understand our material world, we need to do experiments and to improve upon experiments, we need to explore new approaches to the way we do things,” said Professor Kenji Fukushima. “We have outlined a possible way to identify the mechanism responsible for quark confinement. This has been a longstanding problem in physics, and if realized, could unlock some deep mysteries about matter and the structure of the universe.”

The mass of subatomic quarks is incredibly small: Combined, the quarks in a nucleon make up less than 2% of the total mass, and gluons appear to be entirely massless. So, physicists suggest the majority of atomic mass actually comes from the way in which quarks and gluons are bound, rather than from the things themselves. They are bound by the so-called strong force, one of the four fundamental forces of nature, including electromagnetism and gravity, and it’s believed the strong force itself endows a nucleon with mass. This is part of a theory known as quantum chromodynamics (QCD), where “chromo” comes from the Greek word for color, which is why you sometimes hear quarks referred to as being red, green, or blue, despite the fact they’re colorless.

“Rigorous proof that the strong force gives rise to mass remains out of reach,” said Fukushima. “The obstacle is that QCD describes things in such a way that makes theoretical calculations hard. Our achievement is to demonstrate that the strong force, within a special set of circumstances, can realize quark confinement. We did this by interpreting some observed parameters of quarks as a new variable we call the imaginary angular velocity. Though purely mathematical in nature, it can be converted back into real values of things we can control. This should lead to a means to realize an exotic state of rapidly rotating quark matter once we learn how to turn our idea into an experiment.”

Reference: “Perturbative Confinement in Thermal Yang-Mills Theories Induced by Imaginary Angular Velocity” by Shi Chen, Kenji Fukushima and Yusuke Shimada, 8 December 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.242002

The study was funded by the Japan Society for the Promotion of Science.