загадки маси
Маса африканського слона (6 т) в 600 млрд. Разів більша за масу самого маленького мурашки (0,01 мг). Приблизно в стільки ж разів верхній кварк важче нейтрино. До сих пір не зрозуміло, чому маси елементарних частинок так сильно розрізняються. Фізики продовжують полювання за бозоном Хіггса, який допоможе переконатися в існуванні однойменного поля, що наділяє масою кожну частинку Всесвіту.
Багато людей знають, що таке маса. Всім ясно, що слон більше і важче мурашки. Навіть за відсутності гравітації гігантський володар хобота має велику масу: його важче зрушити з місця і розігнати. Очевидно, слон більш масивний, тому що складається з значно більшої кількості атомів, ніж мураха. Але чому ж визначаються маси окремих атомів? Що можна сказати про масу елементарних частинок, з яких вони складаються? Звідки вона береться?
У проблеми маси є два незалежних аспекту. Перш за все хотілося б зрозуміти, як взагалі з'являється маса. Виявляється, в її виникненні беруть участь принаймні три різних механізму, які будуть описані нижче. Головну роль в фізичних теоріях маси грає так зване поле Хіггса, нібито пронизує весь реальний світ. Вважається, що елементарні частинки знаходять масу в результаті взаємодії з цим полем. Якщо воно є насправді, то відповідно до теорії повинна існувати пов'язана з ним частка - бозон Хіггса, за яким вчені полюють за допомогою прискорювачів частинок.
Крім того, вчені хочуть знати, чому різних видів елементарних частинок відповідають строго певні значення маси, причому найважча частка на 11 порядків масивніше найлегшою. У стільки ж разів слон важче самого маленького мурашки (див. Рис. Маси часток Стандартної моделі).
У 1687 р Ісаак Ньютон писав у своїх знаменитих «Засадах»: «маса є міра речовини, що встановлюється пропорційно щільності і об'єму його». Таке базове визначення цілком влаштовувало вчених протягом двох століть. Вони розуміли, що наука спочатку повинна описати, як діють закони природи, а вже потім розбиратися, чому все відбувається саме так, а не інакше. В останні роки актуальним для фізиків стало питання «чому існує маса?». Розуміння значення і походження маси доповнить і розширить Стандартну модель фізики елементарних частинок, яка описує їх взаємодії. Це також допоможе вирішити загадку темної речовини, яке становить близько 25% Всесвіту.
ОГЛЯД: ФІЗИКА ПОЛІВ Хіггса
- Маса - звичне властивість речовини, але для вчених вона багато в чому залишається загадкою. Перш за все - як елементарні частинки набувають маси і чому її значення у кожної з них строго визначено?
- Відповіді на ці питання допоможуть теоретикам завершити і розширити Стандартну модель фізики елементарних частинок, яка описує фундаментальні закони природи. Розширена Стандартна модель допоможе розгадати загадку темної речовини, яке становить приблизно 25% Всесвіту.
- Відповідно до теорії, елементарні частинки набувають маси, взаємодіючи з квантовим полем Хіггса, що пронизує весь Всесвіт. Експерименти на прискорювачах частинок допоможуть вченим переконатися в існуванні цього поля.
Сучасні уявлення про масу набагато складніше, ніж визначення Ньютона, і базуються на Стандартної моделі. В її основі лежить математична функція, яка називається лагранжіаном і показує, як взаємодіють різні частки. Дотримуючись правил релятивістської квантової теорії, за допомогою лагранжиана фізики можуть розрахувати поведінку елементарних частинок і, зокрема, описати, як вони утворюють протони і нейтрони. І до елементарних, і до складових частинок може бути застосовано рівняння $ F = ma $, що зв'язує силу, масу і купується нею прискорення. Функція Лагранжа допомагає нам обчислити значення, яке слід використовувати в якості m, тобто масу частинки. Але вона входить не тільки у Другій закон Ньютона. Наприклад, згідно з приватної теорії відносності, що не мають маси частинки у вакуумі рухаються зі швидкістю світла, а частинки з масою рухаються повільніше, причому, знаючи масу, можна розрахувати їх швидкість. Більш того, гравітація діє на масу абсолютно так само, як на еквівалентну їй енергію. Величина m, розрахована за допомогою лагранжиана, ідеально підходить на роль маси у всіх без винятку фізичних рівняннях.
Фундаментальні частинки мають строго певну масу спокою (частки з нульовою масою спокою називаються безмасовими). Повна маса складної частки складається з суми мас спокою складових її частинок, а також їх кінетичної енергії руху і потенційної енергії взаємодії. Зв'язок енергії та маси описується відомим рівнянням Ейнштейна: $ E = mc ^ 2 $, де с - швидкість світла. Прикладом енергії, що дає внесок в масу, може бути добре знайомий нам вигляд речовини - протони і нейтрони, з яких складаються атомні ядра. Ці частинки складають 4-5% маси і енергії Всесвіту (див. Врізку КОСМІЧНА ІНВЕНТАРИЗАЦІЯ). Згідно зі Стандартною моделлю, протони і нейтрони утворені кварками, які пов'язані між собою безмасовими глюонами. Хоча елементи кожного протона кружляють в безперервному вальсі, ми бачимо його як єдиний об'єкт з властивою йому масою, яка дорівнює сумі мас і енергій складових його елементарних частинок.
З рівнянь Стандартної моделі слід, що майже вся маса протонів і нейтронів обумовлена кінетичної енергією кварків і глюонів (решта - маси спокою кварків). Таким чином, 4-5% всього Всесвіту або майже все знайоме нам речовина складається з енергії руху кварків і глюонів в протонах і нейтронах.
На відміну від протонів і нейтронів такі елементарні частинки, як кварки і електрони, неподільні. Звідки у них беруться маси спокою - головна загадка походження маси. Відповідно до сучасної фізичної теорії, маси фундаментальних частинок є результатом їх взаємодії з полем Хіггса. Але чому це поле присутній скрізь у Всесвіті? Чому в космічних масштабах його напруженість не дорівнює нулю, як у електромагнітного поля? Що таке поле Хіггса?
Поле Хіггса - це квантове поле. Тут немає нічого дивного: всі елементарні частинки являють собою кванти відповідних квантових полів. Електромагнітне поле теж є квантовим, а відповідна йому елементарна частинка - фотон. Так що поле Хіггса в якійсь мірі не більше загадково, ніж електрони і світло. І все ж є у нього три особливості.
Властивості невловимо частку Хіггса
ЯК ПОЛЕ Хіггса СТВОРЮЄ МАСУ
