Massa is een van de fundamentele en tegelijkertijd mysterieuze concepten in de wetenschap. In de wereld van elementaire deeltjes kan het niet worden gescheiden van energie. Zelfs voor neutrino's is het nul, en het meeste bevindt zich in het onzichtbare deel van het heelal. RIA Novosti vertelt wat natuurkundigen weten over massa en welke geheimen eraan verbonden zijn.
Relatief en elementair
In de buitenwijken van Parijs, op het hoofdkantoor van het Internationaal Bureau voor maten en gewichten, staat een cilinder gemaakt van een legering van platina en iridium met een gewicht van precies één kilogram. Dit is de standaard voor de hele wereld. Massa kan worden uitgedrukt in termen van volume en dichtheid en er kan van worden uitgegaan dat het dient als een maat voor de hoeveelheid materie in het lichaam. Maar natuurkundigen die de microwereld bestuderen, zijn niet tevreden met zo'n simpele verklaring.
Stel je voor dat je deze cilinder verplaatst. De hoogte is niet meer dan vier centimeter, maar er zal een merkbare inspanning moeten worden geleverd. Het zal nog meer moeite kosten om bijvoorbeeld een koelkast te verplaatsen. De noodzaak om de kracht van de fysica toe te passen wordt verklaard door de traagheid van lichamen, en massa wordt beschouwd als een coëfficiënt die de kracht en de resulterende versnelling verbindt (F = ma).
Massa dient niet alleen als een maat voor beweging, maar ook voor de zwaartekracht, die lichamen dwingt om elkaar aan te trekken (F = GMm / R2). Als we op de schaal komen, wordt de pijl afgebogen. Dit komt omdat de massa van de aarde erg groot is en de zwaartekracht ons letterlijk naar de oppervlakte duwt. Op een lichtere maan weegt een persoon zes keer minder.
Zwaartekracht is niet minder mysterieus dan massa. De veronderstelling dat sommige zeer massieve lichamen zwaartekrachtgolven kunnen uitzenden tijdens het bewegen, werd pas in 2015 experimenteel bevestigd bij de LIGO-detector. Twee jaar later werd deze ontdekking beloond met de Nobelprijs.
Volgens het door Galileo voorgestelde en door Einstein verfijnde equivalentieprincipe zijn zwaartekracht- en traagheidsmassa's gelijk. Hieruit volgt dat massieve objecten ruimte-tijd kunnen buigen. Sterren en planeten creëren zwaartekrachttrechters om hen heen, waarin natuurlijke en kunstmatige satellieten draaien totdat ze naar de oppervlakte vallen.
Promotie video:
Quark werkt samen met het Higgs-veld / Illustratie RIA Novosti / Alina Polyanina.
Waar komt de massa vandaan?
Natuurkundigen zijn ervan overtuigd dat elementaire deeltjes massa moeten hebben. Het is bewezen dat het elektron en de bouwstenen van het heelal - quarks - massa hebben. Anders zouden ze geen atomen en alle zichtbare materie kunnen vormen. Een massaloos universum zou een chaos zijn van quanta van verschillende straling, die met de snelheid van het licht voortsnelt. Er zouden geen sterrenstelsels zijn, geen sterren, geen planeten.
Maar waar komt de massa vandaan?
“Bij het maken van het standaardmodel in de deeltjesfysica - een theorie die de elektromagnetische, zwakke en sterke interactie van alle elementaire deeltjes beschrijft, deden zich grote moeilijkheden voor. Het model bevatte onvermijdelijke verschillen vanwege de aanwezigheid van niet-nul massa's in deeltjes”, zegt Alexander Studenikin, doctor in de wetenschappen, hoogleraar aan de afdeling Theoretische fysica van de afdeling natuurkunde van de Lomonosov Moscow State University, RIA Novosti.
De oplossing werd halverwege de jaren zestig door Europese wetenschappers gevonden, wat suggereert dat er een ander veld in de natuur is - een scalair veld. Het doordringt het hele universum, maar zijn invloed is alleen merkbaar op microniveau. De deeltjes lijken erin vast te komen zitten en zo massa te krijgen.
Het mysterieuze scalaire veld is vernoemd naar de Britse natuurkundige Peter Higgs, een van de grondleggers van het standaardmodel. Het boson is ook naar hem vernoemd - een enorm deeltje dat ontstaat in het Higgs-veld. Het werd in 2012 ontdekt in experimenten bij de Large Hadron Collider op CERN. Een jaar later ontving Higgs samen met François Engler de Nobelprijs.
Spoken jacht
Het spookdeeltje - neutrino - moest ook als massief worden herkend. Dit komt door waarnemingen van neutrinofluxen van de zon en kosmische straling, die lange tijd niet konden worden verklaard. Het bleek dat een deeltje in staat is om tijdens beweging of oscillerend naar andere toestanden te transformeren, zoals natuurkundigen zeggen. Dit is onmogelijk zonder massa.
“Elektronische neutrino's, bijvoorbeeld geboren in het inwendige van de zon, kunnen in strikte zin niet als elementaire deeltjes worden beschouwd, aangezien hun massa geen duidelijke betekenis heeft. Maar in beweging kunnen ze allemaal worden beschouwd als een superpositie van elementaire deeltjes (ook wel neutrino's genoemd) met massa's m1, m2, m3. Door het verschil in snelheid van massa-neutrino's detecteert de detector niet alleen elektronenneutrino's, maar ook neutrino's van andere typen, bijvoorbeeld muon- en tau-neutrino's. Dit is een gevolg van menging en oscillaties die in 1957 werden voorspeld door Bruno Maksimovich Pontecorvo,”legt professor Studenikin uit.
Het is vastgesteld dat de massa van een neutrino niet groter kan zijn dan twee tienden van een elektronvolt. Maar de exacte betekenis is nog onbekend. Wetenschappers doen dit in het KATRIN-experiment van het Karlsruhe Institute of Technology (Duitsland), gelanceerd op 11 juni.
“De vraag naar de grootte en aard van de neutrinomassa is een van de belangrijkste. Zijn beslissing zal als basis dienen voor de verdere ontwikkeling van ons begrip van de structuur ”, besluit de professor.
Het lijkt erop dat in principe alles bekend is over de massa, het blijft om de nuances te verduidelijken. Maar dit is niet het geval. Natuurkundigen hebben berekend dat de materie die we waarnemen slechts vijf procent van de massa van materie in het universum beslaat. De rest is hypothetische donkere materie en energie, die niets uitzenden en daarom niet worden geregistreerd. Uit welke deeltjes bestaan deze onbekende delen van het universum, wat is hun structuur, hoe reageren ze op onze wereld? De volgende generaties wetenschappers zullen het moeten uitzoeken.
Tatiana Pichugina
