Кварки и глуони – произходът на видимата материя

За да разберем стабилността на видимите форми на материята - всичко от звездите до планетите и хората - ние трябва да разберем как кварките и глуоните взаимодействат. Това е същността на въпроса за кварките във физиката.

Видимата материя е изградена от атоми, чиято маса се дължи главно на протоните и неутроните в състава на атомните ядра. Електроните, обикалящи около ядрото нямат практически принос към атомната маса. Но протоните и неутроните (всеки изграден от три кварка) са много по-масивни от сбора на съставните им частици. Откъде идва тази допълнителна "екстра" маса?

Както вече е общоприето частицата Хигс бозон е причина за масата на фундаменталните частици като кварки, които сами по себе си не могат да са отговорни за масата на повечето от видимата материя във Вселената.

Трите вида кварки, които съставят нуклоните изграждат около един процент от тяхната маса. Останалата част идва от взаимодействието между кварки и глуони, познато като силно ядрено взаимодействие. Силното взаимодействие между кварките се осъществява посредством физично поле, чийто кванти (посредници на взаимодействието) се наричат глуони (англ. glue – лепило). Глуоните нямат маса на покой. Кварките в нуклоните са в непрекъснат процес на обмен на глуони, които ги свързват (слепват) в стабилна конструкция.

Силното взаимодействие се проявява чрез връзката между кварките посредством обмен на глуони, както и при връзката между самите глуони. Силното взаимодействие нараства по интензивност при опит кварките да бъдат разделени. Единственият начин това да се осъществи е сблъсък на тежки йони при изключително високи енергии т.е. при ускоряването им почти до скоростта на светлината в съвременните ускорители на елементарни частици – в Големия адронен колайдер (Large Hadron Collider - LHC) към ЦЕРН в Европа и Релативисткия ускорител на тежки йони (Heavy Ion Collider Relativistic - RHIC) в Брукхейвън, САЩ.

Тези сблъсъци пресъздават условия, които последно са съществували в началото на Вселената, преди кварките да се свържат и да формират протоните и неутроните. Изучаването на поведението на "свободните" кварки и глуони в първичната кварк-глуонна плазма трябва да помогне на учените да разберат по-добре силното взаимодействие и как то генерира толкова много маса, която виждаме, когато частиците се сливат, за да образуват обикновената материя.

Като се има предвид, че видимата материя представлява едва малка част от общата Вселената - само пет процента, а останалата част се състои от тъмната материя и загадъчната тъмна енергия - това е достатъчно, за да направи физиците от цял свят твърде заети още за известно време.