Esta es una gran pregunta. De hecho, esta es una pregunta típica de estudiantes de doctorado en física nuclear o de partículas como parte del examen preliminar o de candidatura. Lo que lo hace interesante es que nos dice algunas cosas muy profundas sobre el neutrón, el protón y la fuerza fuerte.
Comencemos con una corrección importante a su pensamiento. Un neutrón no es un protón más un electrón. Cuando un protón y un electrón se unen, forman un átomo de hidrógeno neutro directamente de la tabla periódica. Sabemos que la imagen de neutrones es un poco más complicada porque cuando están unidos en núcleos pesados, los protones pueden convertirse en neutrones y positrones (electrones pero con carga eléctrica opuesta). Entonces, esto no puede ser donde va la diferencia de masa . Un neutrón es algo distinto de un electrón más un protón.
A continuación, podemos considerar el campo electromagnético del protón. ¡La carga también puede contribuir a una masa de partículas, pero la carga de protones la empuja de la manera incorrecta! ¡El cargo adicional debería hacerlo aún más pesado! Así que no es de donde proviene la diferencia de masa (pero hace que el problema sea aún más interesante).
Entonces, ¿qué pasa con lo que hay dentro del protón y el neutrón? Sabemos por los aceleradores de partículas que un protón y un neutrón tienen tres quarks dentro de ellos. Los Quarks se parecen mucho a los electrones, pero tienen propiedades y cargas adicionales (como isospin y carga fuerte , no solo carga eléctrica). El protón tiene dos quarks “arriba”, cada uno con carga +2/3 y un quark “abajo” con solo -1/3 de carga eléctrica. El neutrón tiene solo uno quarks arriba y dos abajo, lo que lo hace neutral. De otros experimentos, sabemos que estos quarks se unen con la misma fuerza fuerte, por lo que lo único que puede marcar la diferencia es la masa de los quarks mismos. La única forma de que esto funcione es si el quark down pesa más que el quark up. Y esa debe ser la fuente principal de la diferencia de masa.
Esa diferencia de masa representada por las masas de quark no es 0.78232 MeV, en realidad es 1.29332 MeV, porque, como vimos antes, no hay 0.511 electrones “escondidos” dentro del neutrón. De hecho, las mejores mediciones demuestran que la masa del quark hacia abajo es de aproximadamente 5 MeV y la masa del quark hacia arriba es de 2.5 MeV, por lo que esta forma de pensar nos apuntó en la dirección correcta. Eso significa que al menos 10 MeV de masa en reposo contribuye al protón y al menos 12.5 MeV de masa en reposo de quark. Hay más detalles sobre la estructura interna de ambos nucleones, lo que hace más complicado que los quarks ni siquiera estén en reposo, pero no debería ser difícil ver que el protón tiene suficiente energía de carga eléctrica para reducir la diferencia de 2.5 MeV a nuestra falta 1.3 MeV de diferencia.
¿Qué pasa con toda esa masa extra de casi 1 GeV de masa (¡2000 veces la masa de electrones!) Tanto en el protón como en el neutrón? Eso es todo por la energía de unión de la fuerza fuerte en forma de gluones. Eso nos muestra que, de hecho, esta fuerza es mucho más grande que la fuerza eléctrica y por eso merece su nombre “fuerte”.
