Masse ist Physikern immer noch ein Rätsel

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Masse ist eines der grundlegenden und zugleich mysteriösen Konzepte der Wissenschaft. In der Welt der Elementarteilchen kann es nicht von der Energie getrennt werden. Sie ist selbst für Neutrinos ungleich Null, und das meiste davon befindet sich im unsichtbaren Teil des Universums. RIA Novosti erzählt, was Physiker über Masse wissen und welche Geheimnisse damit verbunden sind.

Relativ und elementar

In einem Vorort von Paris, am Sitz des Internationalen Büros für Maß und Gewicht, steht ein Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung mit einem Gewicht von genau einem Kilogramm. Dies ist der Standard für die ganze Welt. Die Masse kann in Volumen und Dichte ausgedrückt werden und es kann angenommen werden, dass sie als Maß für die Menge an Materie im Körper dient. Aber Physiker, die sich mit der Mikrowelt befassen, geben sich mit einer so einfachen Erklärung nicht zufrieden.

Stellen Sie sich vor, Sie bewegen diesen Zylinder. Seine Höhe überschreitet nicht vier Zentimeter, dennoch muss man sich spürbar anstrengen. Noch mühsamer wird es, zum Beispiel den Kühlschrank zu bewegen. Die Notwendigkeit, eine physikalische Kraft aufzubringen, wird durch die Trägheit von Körpern erklärt, und die Masse wird als Koeffizient betrachtet, der die Kraft und die resultierende Beschleunigung (F = ma) verbindet.

Die Masse dient nicht nur als Maß für die Bewegung, sondern auch für die Schwerkraft, wodurch sich Körper gegenseitig anziehen (F = GMm / R2). Wenn wir auf die Waage kommen, weicht der Pfeil ab. Dies liegt daran, dass die Masse der Erde sehr groß ist und die Schwerkraft uns buchstäblich an die Oberfläche drückt. Auf einem helleren Mond wiegt ein Mensch sechsmal weniger.

Die Schwerkraft ist nicht weniger mysteriös als die Masse. Die Annahme, dass einige sehr massereiche Körper während ihrer Bewegung Gravitationswellen aussenden können, wurde erst 2015 am LIGO-Detektor experimentell bestätigt. Zwei Jahre später wurde diese Entdeckung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Nach dem von Galileo vorgeschlagenen und von Einstein verfeinerten Äquivalenzprinzip sind Gravitations- und Trägheitsmassen gleich. Daraus folgt, dass massive Objekte die Raumzeit verbiegen können. Sterne und Planeten bilden um sie herum Gravitationstrichter, in denen sich natürliche und künstliche Satelliten drehen, bis sie an die Oberfläche fallen.

Woher kommt die Masse

Physiker sind überzeugt, dass Elementarteilchen eine Masse haben müssen. Es ist bewiesen, dass das Elektron und die Bausteine des Universums – Quarks – eine Masse haben. Andernfalls könnten sie keine Atome und alle sichtbare Materie bilden. Ein Universum ohne Masse wäre ein Chaos von Quanten verschiedener Strahlung, die mit Lichtgeschwindigkeit rauschen. Es würde keine Galaxien, keine Sterne, keine Planeten geben.

Aber woher nimmt das Teilchen seine Masse?

„Bei der Erstellung des Standardmodells in der Teilchenphysik – einer Theorie, die die elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkungen aller Elementarteilchen beschreibt, traten große Schwierigkeiten auf. Das Modell enthielt unvermeidliche Divergenzen aufgrund der Anwesenheit von Teilchen ungleich null“, sagt Alexander Studenikin, Doktor der Wissenschaften an RIA Novosti, Professor der Abteilung für Theoretische Physik, Physikabteilung der Lomonossow-Universität Moskau.

Die Lösung wurde Mitte der 1960er Jahre von europäischen Wissenschaftlern gefunden, was darauf hindeutet, dass es in der Natur noch ein anderes Feld gibt – ein skalares. Es durchdringt das gesamte Universum, aber sein Einfluss ist nur auf der Mikroebene wahrnehmbar. Die Teilchen scheinen darin stecken zu bleiben und so an Masse zu gewinnen.

Das mysteriöse Skalarfeld wurde nach dem britischen Physiker Peter Higgs benannt, einem der Begründer des Standardmodells. Auch ein Boson, ein massives Teilchen, das im Higgs-Feld entsteht, trägt seinen Namen. Es wurde 2012 bei Experimenten am Large Hadron Collider am CERN entdeckt. Ein Jahr später erhielt Higgs zusammen mit François Engler den Nobelpreis.

Geisterjagd

Teilchen-Geist - Neutrino - musste auch als massiv erkannt werden. Das liegt an den Beobachtungen von Neutrinoflüssen der Sonne und der kosmischen Strahlung, die lange Zeit nicht erklärt werden konnten. Es stellte sich heraus, dass ein Teilchen in der Lage ist, sich während der Bewegung in andere Zustände umzuwandeln oder zu schwingen, wie Physiker sagen. Ohne Masse geht das nicht.

Elektronische Neutrinos, die beispielsweise im Inneren der Sonne geboren werden, können im engeren Sinne nicht als Elementarteilchen angesehen werden, da ihre Masse keine eindeutige Bedeutung hat. Aber in Bewegung kann jedes von ihnen als ein betrachtet werden Überlagerung von Elementarteilchen (auch Neutrinos genannt) mit den Massen m1, m2, m3 Aufgrund des Geschwindigkeitsunterschieds von Neutrinos erkennt der Detektor nicht nur Elektron-Neutrinos, sondern auch Neutrinos anderer Art, wie Myon- und Tau-Neutrinos. Dies ist eine Folge der 1957 von Bruno Maksimovich Pontecorvo vorhergesagten Mischungen und Oszillationen“, erklärt Professor Studenikin.

Es wurde festgestellt, dass die Masse eines Neutrinos zwei Zehntel eines Elektronenvolts nicht überschreiten darf. Aber die genaue Bedeutung ist noch unbekannt. Dies tun Wissenschaftler im KATRIN-Experiment am Karlsruher Institut für Technologie (Deutschland), das am 11. Juni gestartet wurde.

„Die Frage nach Größe und Art der Neutrinomasse ist eine der wichtigsten. Ihre Lösung wird als Grundlage für die Weiterentwicklung unserer Vorstellungen über die Struktur dienen“, schließt der Professor.

Es scheint, dass im Prinzip alles über die Masse bekannt ist, es bleiben noch die Nuancen zu klären. Aber das ist nicht so. Physiker haben berechnet, dass Materie, die unserer Beobachtung zugänglich ist, nur fünf Prozent der Masse der Materie im Universum einnimmt. Der Rest ist hypothetische dunkle Materie und Energie, die nichts emittieren und daher nicht registriert werden. Aus welchen Teilchen bestehen diese unbekannten Teile des Universums, wie sind sie aufgebaut, wie interagieren sie mit unserer Welt? Die nächsten Generationen von Wissenschaftlern müssen es herausfinden.