המסה היא עדיין בגדר תעלומה לפיזיקאים

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

מסה היא אחד המושגים הבסיסיים ובו בזמן המסתוריים במדע. בעולם החלקיקים היסודיים, לא ניתן להפריד אותו מהאנרגיה. הוא אינו אפס אפילו עבור ניטרינו, ורובו ממוקם בחלק הבלתי נראה של היקום. RIA נובוסטי מספרת מה הפיזיקאים יודעים על מסה ואיזה סודות קשורים אליה.

יחסית ואלמנטרי

בפרברי פריז, במטה הלשכה הבינלאומית למשקלים ולמידות, ישנו גליל העשוי מסגסוגת של פלטינה ואירידיום במשקל קילוגרם אחד בדיוק. זה הסטנדרט לכל העולם. המסה יכולה להתבטא במונחים של נפח וצפיפות וניתן להתייחס לכך שהיא משמשת כמדד לכמות החומר בגוף. אבל פיזיקאים החוקרים את עולם המיקרו אינם מסתפקים בהסבר כה פשוט.

תאר לעצמך להזיז את הגליל הזה. גובהו אינו עולה על ארבעה סנטימטרים; עם זאת, יהיה צורך לעשות מאמץ ניכר. זה ייקח אפילו יותר מאמץ כדי להעביר, למשל, את המקרר. הצורך בהפעלת כוח של פיזיקה מוסבר על ידי האינרציה של גופים, ומסה נחשבת כמקדם המחבר בין הכוח לבין התאוצה הנובעת מכך (F = ma).

המסה משמשת כמדד לא רק לתנועה, אלא גם לכוח המשיכה, שגורם לגופים למשוך זה את זה (F = GMm / R2). כשאנחנו עולים על הסקאלה, החץ סוטה. הסיבה לכך היא שמסת כדור הארץ גדולה מאוד, וכוח הכבידה ממש דוחף אותנו אל פני השטח. בירח קל יותר, אדם שוקל פי שישה פחות.

כוח הכבידה הוא לא פחות מסתורי ממסה. ההנחה שבזמן תנועה של כמה גופים מסיביים מאוד יכולים לפלוט גלי כבידה אושרה בניסוי רק ב-2015 בגלאי LIGO. שנתיים לאחר מכן, התגלית הזו זכתה בפרס נובל.

על פי עקרון השוויון שהוצע על ידי גלילאו ושוכלל על ידי איינשטיין, מסות כבידה ואינרציה שוות. מכאן נובע שעצמים מסיביים מסוגלים לכופף את המרחב-זמן. כוכבים וכוכבי לכת יוצרים מסביבם משפכי כבידה, שבהם מסתובבים לוויינים טבעיים ומלאכותיים עד שהם נופלים לפני השטח.

מאיפה המסה

פיזיקאים משוכנעים שלחלקיקי יסוד חייבת להיות מסה. הוכח שלאלקטרון ולאבני הבניין של היקום - קווארקים - יש מסה. אחרת, הם לא יכלו ליצור אטומים וכל החומר הנראה לעין. יקום ללא מסה יהיה כאוס של קוונטות של קרינה שונות, הממהרות במהירות האור. לא יהיו גלקסיות, לא כוכבים, לא כוכבי לכת.

אבל מאיפה החלקיק מקבל את המסה שלו?

"בעת יצירת המודל הסטנדרטי בפיזיקה של חלקיקים - תיאוריה המתארת את האינטראקציות האלקטרומגנטיות, החלשות והחזקות של כל החלקיקים היסודיים, התעוררו קשיים גדולים. המודל הכיל סטיות בלתי נמנעות עקב נוכחותן של מסות חלקיקים שאינן אפס", אומר אלכסנדר סטודניקין. דוקטור למדע, ל-RIA נובוסטי. פרופסור במחלקה לפיזיקה תיאורטית, המחלקה לפיזיקה, אוניברסיטת לומונוסוב מוסקבה.

הפתרון נמצא על ידי מדענים אירופאים באמצע שנות ה-60, מה שמרמז שיש תחום נוסף בטבע - סקלרי. הוא חודר ליקום כולו, אך השפעתו ניכרת רק ברמת המיקרו. נראה שהחלקיקים נתקעים בו ובכך צוברים מסה.

השדה הסקלרי המסתורי נקרא על שמו של הפיזיקאי הבריטי פיטר היגס, ממייסדי המודל הסטנדרטי. בוזון, חלקיק מסיבי המתעורר בשדה היגס, נושא גם את שמו. הוא התגלה בשנת 2012 בניסויים במאיץ ההדרונים הגדול ב-CERN. שנה לאחר מכן, הוענק להיגס פרס נובל יחד עם פרנסואה אנגלר.

ציד רפאים

חלקיק-רוח רפאים - ניטרינו - היה צריך להיות מוכר גם כמסיבי.זה נובע מהתצפיות על שטפי ניטרינו מהשמש וקרניים קוסמיות, שלא ניתן היה להסביר במשך זמן רב. התברר שחלקיק מסוגל להפוך למצבים אחרים במהלך תנועה, או להתנודד, כפי שאומרים פיזיקאים. זה בלתי אפשרי בלי מסה.

"נייטרינו אלקטרוניים, שנולדים, למשל, בפנים השמש, במובן המחמיר אינם יכולים להיחשב כחלקיקים יסודיים, שכן למסה שלהם אין משמעות מוגדרת. אבל בתנועה, כל אחד מהם יכול להיחשב כחלקיקי יסוד. סופרפוזיציה של חלקיקים אלמנטריים (הנקראים גם ניטרינו) בעלי מסות m1, m2, m3. עקב ההבדל במהירות של ניטרינו מסה, הגלאי מזהה לא רק ניטרינו אלקטרונים, אלא גם ניטרינו מסוגים אחרים, כגון ניוטרינו מואוני וטאו. זו תוצאה של ערבוב ותנודות שנחזה ב-1957 על ידי ברונו מקסימוביץ' פונטקורבו", מסביר פרופסור סטודניקין.

נקבע כי המסה של ניטרינו אינה יכולה לעלות על שתי עשיריות האלקטרון וולט. אבל המשמעות המדויקת עדיין לא ידועה. מדענים עושים זאת בניסוי KATRIN במכון הטכנולוגי של קרלסרוהה (גרמניה), שהושק ב-11 ביוני.

"שאלת הגודל והטבע של מסת הניטרינו היא אחת המרכזיות שבהן. הפתרון שלה ישמש בסיס להמשך הפיתוח של רעיונותינו לגבי המבנה", מסכם הפרופסור.

נראה כי באופן עקרוני, הכל ידוע על המסה, נותר להבהיר את הניואנסים. אבל זה לא המקרה. פיזיקאים חישבו שחומר, הניתן לתצפית שלנו, תופס רק חמישה אחוזים ממסת החומר ביקום. השאר הם חומר אפל היפותטי ואנרגיה, שאינם פולטים דבר ולכן אינם רשומים. מאילו חלקיקים מורכבים חלקים לא ידועים אלה של היקום, מהו המבנה שלהם, כיצד הם מקיימים אינטראקציה עם העולם שלנו? הדורות הבאים של מדענים יצטרכו להבין זאת.