A tömeg még mindig rejtély a fizikusok számára

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A mise a tudomány egyik alapvető és egyben titokzatos fogalma. Az elemi részecskék világában nem választható el az energiától. Még a neutrínók esetében sem nulla, és nagy része az Univerzum láthatatlan részén található. A RIA Novosti elmondja, mit tudnak a fizikusok a tömegről, és milyen titkok kapcsolódnak hozzá.

Viszonylag és elemi

Párizs külvárosában, a Nemzetközi Súly- és Mértékiroda székhelyén egy platina és irídium ötvözetéből készült, pontosan egy kilogramm súlyú henger áll. Ez a szabvány az egész világ számára. A tömeg kifejezhető térfogatban és sűrűségben, és úgy tekinthető, hogy ez a testben lévő anyag mennyiségének mértékeként szolgál. De a mikrovilágot tanulmányozó fizikusok nem elégszenek meg egy ilyen egyszerű magyarázattal.

Képzelje el, hogy mozgatja ezt a hengert. Magassága nem haladja meg a négy centimétert, ennek ellenére észrevehető erőfeszítést kell tenni. Még több erőfeszítést igényel például a hűtőszekrény mozgatása. A fizikai erő alkalmazásának szükségességét a testek tehetetlensége magyarázza, a tömeget pedig az erőt és a keletkező gyorsulást összekötő együtthatónak tekintjük (F = ma).

A tömeg nemcsak a mozgás mértéke, hanem a gravitáció is, ami miatt a testek vonzzák egymást (F = GMm / R2). Amikor ráérünk a skálára, a nyíl eltér. Ennek az az oka, hogy a Föld tömege nagyon nagy, és a gravitációs erő szó szerint a felszínre lök minket. Egy világosabb holdon az ember hatszor kisebb súlyú.

A gravitáció nem kevésbé titokzatos, mint a tömeg. Az a feltételezés, hogy egyes nagyon masszív testek mozgás közben gravitációs hullámokat bocsáthatnak ki, csak 2015-ben igazolták kísérletileg a LIGO detektoron. Két évvel később ezt a felfedezést Nobel-díjjal jutalmazták.

A Galilei által javasolt és Einstein által finomított ekvivalenciaelv szerint a gravitációs és a tehetetlenségi tömeg egyenlő. Ebből következik, hogy a masszív objektumok képesek meghajlítani a téridőt. A csillagok és a bolygók gravitációs tölcséreket hoznak létre maguk körül, amelyekben a természetes és mesterséges műholdak addig keringenek, amíg a felszínre nem esnek.

Honnan jön a tömeg

A fizikusok meg vannak győződve arról, hogy az elemi részecskéknek tömeggel kell rendelkezniük. Bebizonyosodott, hogy az elektronnak és a világegyetem építőköveinek - kvarkjainak - van tömege. Ellenkező esetben nem tudnának atomokat és minden látható anyagot alkotni. Egy tömeg nélküli univerzum különféle sugárzások kvantumainak káosza lenne, amelyek fénysebességgel rohannak. Nem lennének galaxisok, csillagok, bolygók.

De honnan veszi a részecske tömegét?

"A részecskefizikai szabványmodell megalkotásakor - egy elmélet, amely leírja az összes elemi részecske elektromágneses, gyenge és erős kölcsönhatását, nagy nehézségek adódtak. A modell elkerülhetetlen eltéréseket tartalmazott a nem nulla tömegű részecskék jelenléte miatt" - mondja Alexander Studenenikin. Tudományok doktora, a RIA Novostinál, a Lomonoszov Moszkvai Állami Egyetem Fizikai Tanszékének Elméleti Fizikai Tanszékének professzora.

A megoldást európai tudósok találták meg az 1960-as évek közepén, ami azt sugallja, hogy van egy másik mező a természetben - egy skaláris. Áthatja az egész Univerzumot, de hatása csak mikroszinten észrevehető. Úgy tűnik, hogy a részecskék megakadnak benne, és így tömeget kapnak.

A titokzatos skalármező Peter Higgs brit fizikusról, a Standard Modell egyik alapítójáról kapta a nevét. Egy bozon, a Higgs-mezőben keletkező hatalmas részecske is az ő nevét viseli. 2012-ben fedezték fel a CERN nagy hadronütköztetőjében végzett kísérletek során. Egy évvel később Higgs Nobel-díjat kapott François Englerrel együtt.

Szellemvadászat

A részecskéket - neutrínót - szintén masszívnak kellett felismerni. Ennek oka a Napból érkező neutrínóáramok és a kozmikus sugarak megfigyelései, amelyeket sokáig nem tudtak megmagyarázni. Kiderült, hogy egy részecske képes mozgás közben más állapotokká átalakulni, vagy oszcillálni, ahogy a fizikusok mondják. Ez tömeg nélkül lehetetlen.

Az elektronikus neutrínók, amelyek például a Nap belsejében születnek, a szó szoros értelmében nem tekinthetők elemi részecskéknek, mivel tömegüknek nincs határozott jelentése. Mozgásban azonban mindegyiket úgy tekinthetjük, mint egy m1, m2, m3 tömegű elemi részecskék (más néven neutrínók) szuperpozíciója A tömegneutrínók sebességének különbsége miatt a detektor nemcsak az elektronneutrínókat, hanem más típusú neutrínókat is észlel, például müonikus és tau neutrínókat. Ez annak a keveredésnek és oszcillációnak a következménye, amelyet Bruno Maksimovich Pontecorvo 1957-ben jósolt meg” – magyarázza Studenenikin professzor.

Megállapították, hogy a neutrínók tömege nem haladhatja meg az elektronvolt két tizedét. De a pontos jelentése még mindig ismeretlen. A tudósok ezt teszik a KATRIN kísérletben a Karlsruhei Technológiai Intézetben (Németország), amelyet június 11-én indítottak el.

"A neutrínótömeg nagyságának és természetének kérdése az egyik fő kérdés. Ennek megoldása a szerkezettel kapcsolatos elképzeléseink továbbfejlesztésének alapjául szolgál majd" - zárja a professzor.

Úgy tűnik, hogy elvileg minden ismert a tömegről, még tisztázni kell az árnyalatokat. De ez nem így van. A fizikusok számításai szerint az anyag, amely alkalmas a megfigyelésünkre, a világegyetem anyagának mindössze öt százalékát foglalja el. A többi hipotetikus sötét anyag és energia, amelyek nem bocsátanak ki semmit, ezért nincsenek regisztrálva. Milyen részecskékből állnak az univerzumnak ezek az ismeretlen részei, mi a szerkezetük, hogyan hatnak egymásra a világunkkal? A tudósok következő generációinak kell rájönniük.