Proton ve Nötronun Kütleleri
Atom çekirdekleri, proton ve nötronlardan oluşur. Kuark olarak adlandırılan temel parçacıkların bir araya gelmesiyle oluşan bu yapı taşları, baryon olarak adlandırılan parçacık ailesinin üyeleridir.
Elektriksel olarak yüklü olan protonlar iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluşurken yüksüz nötronlar bir yukarı kuark ve iki aşağı kuarktan oluşur. Yapıları farklı olan proton ve nötronun kütleleri de doğal olarak farklıdır.
Atomların kararlı bir yapıya sahip olması nötronların protonlardan daha ağır olmasının sonucudur. Serbest haldeyken kararsız olan nötronlar, beta ışıması yaparak kendilerinden daha hafif olan proton ve elektronlara parçalanır. Ancak protonlar, baryon grubu parçacıkların en küçük kütleli üyeleri oldukları için kararlıdır. Çünkü ışıma yaparak daha küçük kütleli parçacıklara dönüşmeleri mümkün değildir.
Ölçümler nötronun kütlesinin protonunkinden %0,14 daha fazla olduğunu gösteriyor. Eğer bu değer %0,05’ten daha az olsaydı hidrojen atomları ters-beta bozunmasıyla kolaylıkla nötronlara dönüşürdü. Ya da bu değer %0,05’ten biraz daha fazla olsaydı, Büyük Patlama’dan sonra oluşan hidrojen miktarı çok daha az, helyum-4 miktarı ise çok daha fazla olurdu. Dolayısıyla ilk yıldızlar Büyük Patlama’dan sonrakine benzer bir biçimde oluşmazdı. Bunların yanı sıra eğer nötronun kütlesi protonunkinden çok daha büyük olsaydı, nötronlar çok daha hızlı bir biçimde proton ve elektronlara parçalanırdı. Böylece yıldızlardaki çekirdek tepkimeleri ve dolayısıyla ağır atomların sentezlenmesi hayli zorlaşırdı. Kısacası bugün gözlemlediğimiz evren, proton ile nötronun kütleleri arasındaki ufak farkın doğrudan bir sonucudur.
Uluslararası bir araştırma grubu, proton ve nötronun kütleleri arasındaki farkı kuramsal yöntemler kullanarak hesapladı. Kuantum kromodinamiği ve kuantum elektrodinamiğine dayalı bu hesaplar sırasında yeni bir benzetim tekniği de geliştirildi. Bu ve geçmişte yapılan çalışmalar, proton ve nötronların kütlelerinin büyük ölçüde ve Einstein’ın E=mc2 formülüyle uygunluk içinde kuarkların enerjilerinden kaynaklandığını gösteriyor. Esasen elektrik yüklü protonları çevreleyen elektrik alan, protonların kütlesini yüksüz nötronlarınkine göre yaklaşık %1 oranında artırıyor. Ancak kuarklar arasındaki kütle farkı nötronların protonlardan yaklaşık %0,14 daha ağır olmasına neden oluyor. Kuramsal hesaplar yoluyla elde edilen bu sonuçlar, 1972 yılında Harald Fritzsch, Murray Gell-Mann ve Heinrich Leutwyler tarafından geliştirilen ve güçlü etkileşimi açıklayan kuantum kromodinamiği kuramını destekliyor.
