Mass är ett av de grundläggande och samtidigt mystiska begreppen inom vetenskapen. I världen av elementära partiklar kan den inte separeras från energi. Det är inte ens för neutrino, och det mesta ligger i den osynliga delen av universum. RIA Novosti berättar vad fysiker vet om massa och vilka hemligheter som är förknippade med den.
Relativt och elementärt
I Paris förorter, i Internationella byrån för vikter och åtgärder, finns en cylinder tillverkad av en legering av platina och iridium som väger exakt ett kilo. Detta är standarden för hela världen. Massa kan uttryckas i termer av volym och densitet och det kan anses att det fungerar som ett mått på mängden materia i kroppen. Men fysiker som studerar microworlden är inte nöjda med en så enkel förklaring.
Föreställ dig att flytta den här cylindern. Dess höjd överstiger inte fyra centimeter, men en märkbar ansträngning måste göras. Det kommer att ta ännu mer ansträngning att flytta till exempel ett kylskåp. Behovet av att tillämpa fysikens kraft förklaras av kroppens tröghet och massan betraktas som en koefficient som förbinder kraften och den resulterande accelerationen (F = ma).
Massan fungerar som ett mått inte bara på rörelse utan också på tyngdkraften, som tvingar kroppar att locka varandra (F = GMm / R2). När vi kommer på skalan avböjs pilen. Detta beror på att jordens massa är mycket stor och tyngdkraften bokstavligen skjuter oss till ytan. På en ljusare måne väger en person sex gånger mindre.
Tyngdkraften är inte mindre mystisk än massa. Antagandet att vissa mycket massiva kroppar kan släppa ut gravitationsvågor när man rör sig bekräftades experimentellt först 2015 vid LIGO-detektorn. Två år senare tilldelades denna upptäckt Nobelpriset.
Enligt ekvivalensprincipen som föreslås av Galileo och förfinad av Einstein, är gravitations- och tröghetsmassor lika. Av detta följer att massiva föremål kan böja rymdtid. Stjärnor och planeter skapar gravitationstunnlar runt dem, där naturliga och konstgjorda satelliter kretsar tills de faller till ytan.
Kampanjvideo:
Quark interagerar med Higgs-fältet / Illustration RIA Novosti / Alina Polyanina.
Var kommer massan ifrån
Fysiker är övertygade om att elementära partiklar måste ha massa. Det har bevisats att elektronen och byggstenarna i universum - kvarkar - har massa. Annars kunde de inte bilda atomer och all synlig materia. Ett masslöst universum skulle vara ett kaos av kvanta av olika strålning, rusa med ljusets hastighet. Det skulle inte finnas några galaxer, inga stjärnor, inga planeter.
Men var kommer massan ifrån?
”När man skapade standardmodellen inom partikelfysik - en teori som beskriver den elektromagnetiska, svaga och starka interaktionen mellan alla elementära partiklar uppstod stora svårigheter. Modellen innehöll oundvikliga avvikelser på grund av förekomsten av icke-nollmassor i partiklar, säger Alexander Studenikin, doktor för vetenskap, professor vid Institutionen för teoretisk fysik vid fysikavdelningen vid Lomonosov Moskva State University, till RIA Novosti.
Lösningen hittades av europeiska forskare i mitten av 1960-talet, vilket tyder på att det finns ett annat fält i naturen - ett skalärt. Det genomsyrar hela universum, men dess inflytande märks endast på mikronivå. Partiklarna verkar fastna i den och därmed få massa.
Det mystiska skalfältet fick sitt namn efter den brittiska fysikern Peter Higgs, en av grundarna till Standard Model. Bosonen är också uppkallad efter honom - en massiv partikel som uppstår i Higgs-fältet. Det upptäcktes 2012 i experiment på Large Hadron Collider på CERN. Ett år senare tilldelades Higgs Nobelpriset tillsammans med François Engler.
Spökejakt
Spökpartikeln - neutrino - måste också erkännas som massiv. Detta beror på observationer av neutrino-flöden från solen och kosmiska strålar, som under en lång tid inte kunde förklaras. Det visade sig att en partikel kan förvandlas till andra tillstånd under rörelse eller svängande, som fysiker säger. Detta är omöjligt utan massa.
”Elektroniska neutrino, födda till exempel i solens inre, i strikt bemärkelse kan inte betraktas som elementära partiklar, eftersom deras massa inte har någon bestämd betydelse. Men i rörelse kan var och en av dem betraktas som en superposition av elementära partiklar (även kallad neutrino) med massorna m1, m2, m3. På grund av skillnaden i hastighet hos massneutrino upptäcker detektorn inte bara elektronneutrino utan även neutrino av andra typer, till exempel muon och tau neutrino. Detta är en konsekvens av blandning och svängningar som Bruno Maksimovich Pontecorvo förutspådde 1957,”förklarar professor Studenikin.
Det har visat sig att massan hos en neutrino inte kan överstiga två tiondelar av en elektronspänning. Men den exakta betydelsen är fortfarande okänd. Forskare gör detta i KATRIN-experimentet vid Karlsruhe Institute of Technology (Tyskland), som lanserades den 11 juni.
”Frågan om neutrinomassans storlek och natur är en av de viktigaste. Hans beslut kommer att tjäna som grund för att vidareutveckla vår förståelse för strukturen, - avslutar professorn.
Det verkar som att i princip allt är känt om massan, det återstår att klargöra nyanserna. Men detta är inte fallet. Fysiker har beräknat att den materia som vi observerar endast upptar fem procent av massan i universum. Resten är hypotetisk mörk materia och energi, som inte avger något och därför inte är registrerade. Vilka partiklar består dessa okända delar av universum av, vad är deras struktur, hur interagerar de med vår värld? De kommande generationerna av forskare måste ta reda på det.
Tatiana Pichugina
