Masse er fortsatt et mysterium for fysikere

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Messe er et av de grunnleggende og samtidig mystiske begrepene i vitenskapen. I en verden av elementærpartikler kan den ikke skilles fra energi. Det er ikke null selv for nøytrinoer, og det meste er lokalisert i den usynlige delen av universet. RIA Novosti forteller hva fysikere vet om masse og hvilke hemmeligheter som er forbundet med den.

Relativt og elementært

I forstedene til Paris, ved hovedkvarteret til International Bureau of Weights and Measures, er det en sylinder laget av en legering av platina og iridium som veier nøyaktig ett kilo. Dette er standarden for hele verden. Masse kan uttrykkes i form av volum og tetthet og det kan betraktes som at det fungerer som et mål på mengden materie i kroppen. Men fysikere som studerer mikroverdenen er ikke fornøyd med en så enkel forklaring.

Tenk deg å flytte denne sylinderen. Høyden overstiger ikke fire centimeter, men det må gjøres en merkbar innsats. Det vil kreve enda mer innsats å flytte for eksempel kjøleskapet. Behovet for å bruke en fysikkkraft forklares av tregheten til legemer, og masse betraktes som en koeffisient som forbinder kraften og den resulterende akselerasjonen (F = ma).

Masse tjener ikke bare som et mål for bevegelse, men også for tyngdekraften, noe som gjør at kropper tiltrekker hverandre (F = GMm / R2). Når vi kommer på skalaen, avviker pilen. Dette er fordi jordens masse er veldig stor, og tyngdekraften presser oss bokstavelig talt til overflaten. På en lettere måne veier en person seks ganger mindre.

Tyngdekraften er ikke mindre mystisk enn masse. Antakelsen om at noen veldig massive kropper kan sende ut gravitasjonsbølger mens de beveger seg, ble eksperimentelt bekreftet først i 2015 på LIGO-detektoren. To år senere ble denne oppdagelsen tildelt Nobelprisen.

I henhold til ekvivalensprinsippet foreslått av Galileo og raffinert av Einstein, er gravitasjons- og treghetsmasser like. Det følger av dette at massive objekter er i stand til å bøye rom-tid. Stjerner og planeter lager gravitasjonstrakter rundt dem, der naturlige og kunstige satellitter roterer til de faller til overflaten.

Hvor kommer massen fra

Fysikere er overbevist om at elementærpartikler må ha masse. Det er bevist at elektronet og universets byggesteiner - kvarker - har masse. Ellers kunne de ikke danne atomer og all synlig materie. Et univers uten masse ville være et kaos av kvanter av forskjellig stråling, som suser med lysets hastighet. Det ville ikke være noen galakser, ingen stjerner, ingen planeter.

Men hvor får partikkelen massen fra?

"Ved å lage Standardmodellen i partikkelfysikk - en teori som beskriver de elektromagnetiske, svake og sterke interaksjonene til alle elementærpartikler, oppsto det store vanskeligheter. Modellen inneholdt uunngåelige divergenser på grunn av tilstedeværelsen av ikke-nullmasser av partikler," sier Alexander Studenikin, Doctor of Science, til RIA Novosti. Professor ved Institutt for teoretisk fysikk, Fysikkavdelingen, Lomonosov Moscow State University.

Løsningen ble funnet av europeiske forskere på midten av 1960-tallet, noe som tyder på at det finnes et annet felt i naturen - et skalært. Den gjennomsyrer hele universet, men dens innflytelse er bare merkbar på mikronivå. Partiklene ser ut til å sette seg fast i den og dermed få masse.

Det mystiske skalarfeltet ble oppkalt etter den britiske fysikeren Peter Higgs, en av grunnleggerne av Standard Model. Et boson, en massiv partikkel som oppstår i Higgs-feltet, bærer også navnet hans. Den ble oppdaget i 2012 i eksperimenter ved Large Hadron Collider ved CERN. Et år senere ble Higgs tildelt Nobelprisen sammen med François Engler.

Spøkelsesjakt

Partikkel-spøkelse - nøytrino - måtte også anerkjennes som massiv. Dette skyldes observasjoner av nøytrinofluxer fra solen og kosmiske stråler, som ikke kunne forklares på lenge. Det viste seg at en partikkel er i stand til å forvandle seg til andre tilstander under bevegelse, eller oscillere, som fysikere sier. Dette er umulig uten masse.

Elektroniske nøytrinoer, som er født, for eksempel i det indre av solen, i streng forstand kan ikke betraktes som elementærpartikler, siden deres masse ikke har en bestemt betydning. Men i bevegelse kan hver av dem betraktes som en superposisjon av elementærpartikler (også kalt nøytrinoer) med massene m1, m2, m3 På grunn av forskjellen i hastigheten til massenøytrinoer, oppdager detektoren ikke bare elektronnøytrinoer, men også nøytrinoer av andre typer, som muon- og tau-nøytrinoer. Dette er en konsekvens av blanding og svingninger spådd i 1957 av Bruno Maksimovich Pontecorvo, forklarer professor Studenikin.

Det er fastslått at massen til en nøytrino ikke kan overstige to tideler av en elektronvolt. Men den nøyaktige betydningen er fortsatt ukjent. Forskere gjør dette i KATRIN-eksperimentet ved Karlsruhe Institute of Technology (Tyskland), som ble lansert 11. juni.

"Spørsmålet om størrelsen og arten av nøytrinomassen er et av de viktigste. Løsningen vil tjene som grunnlag for videreutvikling av våre ideer om strukturen," avslutter professoren.

Det ser ut til at alt i prinsippet er kjent om massen, det gjenstår å avklare nyansene. Men dette er ikke tilfelle. Fysikere har beregnet at materie, som er mottagelig for våre observasjoner, bare opptar fem prosent av massen av materie i universet. Resten er hypotetisk mørk materie og energi, som ikke avgir noe og derfor ikke registreres. Hvilke partikler består disse ukjente delene av universet av, hva er deres struktur, hvordan samhandler de med vår verden? De neste generasjonene av forskere må finne ut av det.