Massa is nog steeds een mysterie voor natuurkundigen

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Massa is een van de fundamentele en tegelijkertijd mysterieuze concepten in de wetenschap. In de wereld van elementaire deeltjes is het niet te scheiden van energie. Het is zelfs voor neutrino's niet-nul, en het meeste bevindt zich in het onzichtbare deel van het heelal. RIA Novosti vertelt wat natuurkundigen weten over massa en welke geheimen ermee verbonden zijn.

Relatief en elementair

In de buitenwijken van Parijs, op het hoofdkantoor van het International Bureau of Weights and Measures, 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 men kan ervan uitgaan dat het dient als een maat voor de hoeveelheid materie in het lichaam. Maar natuurkundigen die de microwereld bestuderen, nemen geen genoegen met zo'n simpele verklaring.

Stel je voor dat je deze cilinder verplaatst. De hoogte is niet groter dan vier centimeter, maar er zal een merkbare inspanning moeten worden geleverd. Het kost nog meer moeite om bijvoorbeeld de koelkast te verplaatsen. De noodzaak om een natuurkundige kracht uit te oefenen 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 maat voor beweging, maar ook voor zwaartekracht, waardoor lichamen elkaar aantrekken (F = GMm / R2). Als we op de schaal komen, wijkt de pijl af. 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 tijdens het bewegen zwaartekrachtgolven kunnen uitzenden, werd pas in 2015 experimenteel bevestigd op de LIGO-detector. Twee jaar later werd deze ontdekking bekroond met de Nobelprijs.

Volgens het equivalentieprincipe voorgesteld door Galileo en verfijnd door Einstein, zijn zwaartekracht en traagheidsmassa gelijk. Hieruit volgt dat massieve objecten in staat zijn om ruimte-tijd te buigen. Sterren en planeten creëren zwaartekrachttrechters om hen heen, waarin natuurlijke en kunstmatige satellieten ronddraaien totdat ze naar de oppervlakte vallen.

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 universum zonder massa zou een chaos zijn van quanta van verschillende straling, die zich met de snelheid van het licht haasten. Er zouden geen sterrenstelsels, geen sterren, geen planeten zijn.

Maar waar haalt het deeltje zijn massa vandaan?

"Bij het maken van het standaardmodel in de deeltjesfysica - een theorie die de elektromagnetische, zwakke en sterke interacties van alle elementaire deeltjes beschrijft, deden zich grote problemen voor. Het model bevatte onvermijdelijke divergenties vanwege de aanwezigheid van niet-nulmassa's van deeltjes", zegt Alexander Studenikin, Doctor in de wetenschappen, aan RIA Novosti Professor van de afdeling theoretische fysica, afdeling natuurkunde, Lomonosov Moscow State University.

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 de invloed ervan is alleen merkbaar op microniveau. De deeltjes lijken erin vast te komen zitten en krijgen zo massa.

Het mysterieuze scalaire veld is vernoemd naar de Britse natuurkundige Peter Higgs, een van de grondleggers van het standaardmodel. Een boson, een enorm deeltje dat in het Higgs-veld ontstaat, draagt ook zijn naam. Het werd in 2012 ontdekt tijdens experimenten bij de Large Hadron Collider bij CERN. Een jaar later kreeg Higgs samen met François Engler de Nobelprijs.

Spoken jacht

Particle-ghost - neutrino - moest ook als massief worden herkend. Dit komt door de 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 in andere toestanden te transformeren, of oscillerend, zoals natuurkundigen zeggen. Dit kan niet zonder massa.

"Elektronische neutrino's, die bijvoorbeeld in het binnenste van de zon worden geboren, kunnen in strikte zin niet als elementaire deeltjes worden beschouwd, omdat hun massa geen duidelijke betekenis heeft. Maar in beweging kan elk van hen 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, zoals muonische en tau-neutrino's. Dit is een gevolg van vermenging en trillingen die in 1957 werden voorspeld door Bruno Maksimovich Pontecorvo, "legt professor Studenikin uit.

Er is vastgesteld dat de massa van een neutrino niet groter kan zijn dan twee tiende van een elektronvolt. Maar de exacte betekenis is nog onbekend. Wetenschappers doen dit in het KATRIN-experiment aan 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. De oplossing ervan zal als basis dienen voor de verdere ontwikkeling van onze ideeën over 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 materie, die vatbaar is voor onze waarneming, slechts vijf procent van de massa van materie in het universum inneemt. De rest is hypothetische donkere materie en energie, die niets uitstralen en dus niet worden geregistreerd. Uit welke deeltjes bestaan deze onbekende delen van het heelal, wat is hun structuur, hoe interageren ze met onze wereld? De volgende generaties wetenschappers zullen het moeten uitzoeken.