Massan är fortfarande ett mysterium för fysiker

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Mässa är ett av de grundläggande och samtidigt mystiska begreppen inom vetenskapen. I elementarpartiklarnas värld kan den inte separeras från energi. Det är noll även för neutriner, och det mesta är beläget 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, vid den internationella byrån för vikter och måtts högkvarter, finns en cylinder gjord av en legering av platina och iridium som väger exakt ett kilo. Detta är standarden för hela världen. Massan kan uttryckas i termer av volym och densitet och man kan anse att den fungerar som ett mått på mängden materia i kroppen. Men fysiker som studerar mikrovärlden 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 krävas ännu mer ansträngning att flytta till exempel kylskåpet. Behovet av att applicera en fysikkraft förklaras av kropparnas tröghet, och massa anses vara en koefficient som förbinder kraften och den resulterande accelerationen (F = ma).

Massa fungerar inte bara som ett mått på rörelse, utan också på gravitationen, vilket gör att kroppar attraherar varandra (F = GMm / R2). När vi kommer upp på skalan avviker pilen. Detta beror på att jordens massa är mycket stor, och tyngdkraften trycker oss bokstavligen 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 i rörelse kan avge gravitationsvågor bekräftades experimentellt först 2015 på LIGO-detektorn. Två år senare belönades denna upptäckt med Nobelpriset.

Enligt ekvivalensprincipen som föreslagits av Galileo och förfinad av Einstein är gravitations- och tröghetsmassorna lika. Det följer av detta att massiva föremål är kapabla att böja rum-tid. Stjärnor och planeter skapar gravitationstrattar runt dem, i vilka naturliga och konstgjorda satelliter kretsar tills de faller till ytan.

Var kommer massan ifrån

Fysiker är övertygade om att elementarpartiklar måste ha massa. Det är bevisat att elektronen och universums byggstenar - kvarkar - har massa. Annars kunde de inte bilda atomer och all synlig materia. Ett universum utan massa skulle vara ett kaos av kvanter av olika strålning, rusande med ljusets hastighet. Det skulle inte finnas några galaxer, inga stjärnor, inga planeter.

Men var får partikeln sin massa ifrån?

"När man skapade Standardmodellen inom partikelfysik - en teori som beskriver de elektromagnetiska, svaga och starka interaktionerna mellan alla elementarpartiklar, uppstod stora svårigheter. Modellen innehöll oundvikliga divergenser på grund av närvaron av massor av partiklar som inte är noll", säger Alexander Studenikin, Doktor i naturvetenskap, till RIA Novosti, professor vid institutionen för teoretisk fysik, fysikavdelningen, Lomonosov Moscow State University.

Lösningen hittades av europeiska forskare i mitten av 1960-talet, vilket tyder på att det finns ett annat område i naturen - ett skalärt. Det genomsyrar hela universum, men dess inflytande märks bara på mikronivå. Partiklarna verkar fastna i det och därmed få massa.

Det mystiska skalära fältet fick sitt namn efter den brittiske fysikern Peter Higgs, en av grundarna av Standard Model. En boson, en massiv partikel som uppstår i Higgsfältet, bär också hans namn. Det upptäcktes 2012 i experiment vid Large Hadron Collider vid CERN. Ett år senare tilldelades Higgs Nobelpriset tillsammans med François Engler.

Spökjakt

Partikelspöke - neutrino - måste också erkännas som massiv. Detta beror på observationerna av neutrinoflöden från solen och kosmiska strålar, som inte kunde förklaras på länge. Det visade sig att en partikel kan omvandlas till andra tillstånd under rörelse, eller oscillera, som fysiker säger. Detta är omöjligt utan massa.

Elektroniska neutriner, som föds till exempel i solens inre, i strikt mening kan inte betraktas som elementarpartiklar, eftersom deras massa inte har en bestämd betydelse. Men i rörelse kan var och en av dem betraktas som en superposition av elementarpartiklar (även kallade neutriner) med massorna m1, m2, m3. På grund av skillnaden i hastigheten hos massneutriner upptäcker detektorn inte bara elektronneutriner, utan även neutriner av andra typer, såsom muon- och tau-neutriner. Detta är en konsekvens av blandning och svängningar som förutspåddes 1957 av Bruno Maksimovich Pontecorvo, förklarar professor Studenikin.

Det har fastställts att massan av en neutrino inte kan överstiga två tiondelar av en elektronvolt. Men den exakta innebörden 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. Dess lösning kommer att ligga till grund för vidareutvecklingen av våra idéer om strukturen", avslutar professorn.

Det verkar som om i princip allt är känt om massan, det återstår att klargöra nyanserna. Men så är inte fallet. Fysiker har beräknat att materia, som är mottaglig för våra observationer, bara upptar fem procent av materiens massa i universum. Resten är hypotetisk mörk materia och energi, som inte avger något och därför inte registreras. Vilka partiklar består dessa okända delar av universum av, vad är deras struktur, hur interagerar de med vår värld? Nästa generationer av forskare måste ta reda på det.