Θεωρίες φυσικής Σωματιδιακή φυσική

Από πού προέρχεται η μάζα; Μόνο από το πεδίο Higgs;

Written by Δ.Μ.

Η ιστορία της μάζας σωματιδίων ξεκινά αμέσως μετά το big bang. Κατά τις πρώτες πρώτες στιγμές του σύμπαντος, σχεδόν όλα τα σωματίδια ήταν άμαζα, ταξιδεύοντας με την ταχύτητα του φωτός σε μια πολύ καυτή «αρχέγονη σούπα». Σε κάποιο σημείο κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το πεδίο Higgs (που δεν είναι το ίδιο με το σωματίδιο Higgs) ενεργοποιήθηκε, διεισδύοντας στο σύμπαν και δίνοντας μάζα στα πολύ στοιχειώδη σωματίδια που «κολυμπούσαν» μέσα από σε αυτό το πεδίο Higgs. Μέσω αυτής της αλληλεπίδρασης κάθε σωματίδιο πήρε τη μάζα του.

Share

Η ιστορία της μάζας σωματιδίων ξεκινά αμέσως μετά το big bang. Κατά τις πρώτες πρώτες στιγμές του σύμπαντος, σχεδόν όλα τα σωματίδια ήταν άμαζα, ταξιδεύοντας με την ταχύτητα του φωτός σε μια πολύ καυτή «αρχέγονη σούπα». Σε κάποιο σημείο κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το πεδίο Higgs (που δεν είναι το ίδιο με το σωματίδιο Higgs) ενεργοποιήθηκε, διεισδύοντας στο σύμπαν και δίνοντας μάζα στα πολύ στοιχειώδη σωματίδια που «κολυμπούσαν» μέσα από σε αυτό το πεδίο Higgs. Μέσω αυτής της αλληλεπίδρασης κάθε σωματίδιο πήρε τη μάζα του.

quarksΤο πεδίο Higgs δίνει μάζα σε στοιχειώδη σωματίδια, αλλά το μεγαλύτερο μέρος της μάζας μας προέρχεται από κάπου αλλού

Διαφορετικά σωματίδια αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs με διαφορετικές δυνάμεις, επομένως ορισμένα σωματίδια είναι βαρύτερα (έχουν μεγαλύτερη μάζα) από άλλα. Μερικά σωματίδια που δεν αλληλεπιδρούν, όπως τα φωτόνια, δεν έχουν μάζα.

Το πεδίο Higgs άλλαξε το περιβάλλον όταν ήταν ενεργοποιημένο, αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται τα σωματίδια. Κάποιοι συγκρίνουν το πεδίο Higgs με ένα δοχείο μελάσας ή με παχύ σιρόπι, το οποίο επιβραδύνει ορισμένα σωματίδια καθώς ταξιδεύουν.

Άλλοι έχουν οραματιστεί το πεδίο Higgs ως το πλήθος που βρίσκεται σε ένα πάρτι. Καθώς διασχίζουν το πλήθος ορισμένα διάσημα άτομα, οι άνθρωποι που τους περιβάλλουν (που έρχονται κοντά τους για να τους δουν από κοντά) τους επιβραδύνουν. Άλλοι, λιγότερο γνωστά πρόσωπα, κινούνται πιο εύκολα μέσα στα πλήθη. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η “δημοτικότητα” τους είναι συνώνυμη με τη μάζα – όσο πιο δημοφιλής είστε, τόσο περισσότερο θα αλληλεπιδράτε με το πλήθος και τόσο περισσότερη “μάζα” θα έχετε. Με λίγη δημοφιλία αλληλεπιδρούν  λιγότερο με το πλήθος και αποκτούν μικρότερη μάζα τα σωματίδια.

Γιατί όμως ενεργοποιήθηκε το πεδίο Higgs; Γιατί κάποια σωματίδια αλληλεπιδρούν περισσότερο με το πεδίο Higgs από άλλα; Η σύντομη απάντηση είναι: Δεν ξέρουμε.

Το πεδίο Higgs δίνει μάζα σε θεμελιώδη σωματίδια – τα ηλεκτρόνια, τα κουάρκ και άλλα δομικά στοιχεία που δεν μπορούν να χωριστούν σε μικρότερα μέρη. Αλλά αυτά εξακολουθούν να αντιπροσωπεύουν μόνο ένα μικρό ποσοστό της μάζας του σύμπαντος.

Τα υπόλοιπα προέρχονται από τα πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία παίρνουν σχεδόν όλη τη μάζα τους από την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτά τα σωματίδια αποτελούνται το καθένα από τρία κουάρκ που κινούνται με ιλιγγιώδεις ταχύτητες, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με γλουόνια, τα σωματίδια που μεταφέρουν την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Η ενέργεια αυτής της αλληλεπίδρασης μεταξύ κουάρκ και γλουονίων είναι αυτό που δίνει στα πρωτόνια και τα νετρόνια τη μάζα τους. Λάβετε υπόψη τη διάσημη σχέση E = mc 2 του Einstein , που εξισώνει την ενέργεια και μάζα. Αυτό καθιστά τη μάζα σαν μία μυστική εγκατάσταση αποθήκευσης της ενέργειας.

Έτσι, όταν βάζετε μαζί τρία κουάρκ για να δημιουργήσετε ένα πρωτόνιο, καταλήγετε να δεσμεύετε μια τεράστια ενεργειακή πυκνότητα σε μια μικρή περιοχή στο χώρο. 

Ένα πρωτόνιο αποτελείται από δύο πάνω κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ. ένα νετρόνιο αποτελείται από δύο κάτω κουάρκ και ένα επάνω κουάρκ. Η παρόμοια σύνθεσή τους καθιστά τη μάζα που αποκτούν από την ισχυρή δύναμη σχεδόν ίδια. Ωστόσο, τα νετρόνια είναι ελαφρώς πιο βαριά από τα πρωτόνια – και αυτή η διαφορά είναι κρίσιμη. Η διαδικασία των νετρονίων που αποσυντίθενται σε πρωτόνια προάγει τη χημεία και, συνεπώς, τη βιολογία. Εάν τα πρωτόνια ήταν βαρύτερα, αντιθέτως θα διασπαστούν μόνιμα σε νετρόνια και το σύμπαν, όπως το γνωρίζουμε, δεν θα υπήρχε. 

Όπως αποδεικνύεται, τα κάτω (down) κουάρκ αλληλεπιδρούν πιο έντονα με το πεδίο Higgs, οπότε έχουν λίγο περισσότερη μάζα. Γι ‘αυτό υπάρχει η μικρή διαφορά μεταξύ μάζας πρωτονίων και νετρονίων. 

Τι γίνεται όμως με τα νετρίνα;

Έχουμε μάθει ότι τα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν τη μάζα τους από το πεδίο Higgs – αλλά περιμένετε! Μπορεί να υπάρχει εξαίρεση: τα νετρίνα. Τα νετρίνα είναι μία ξεχωριστή τάξη από μόνα τους. Έχουν εξαιρετικά μικροσκοπικές μάζες (ένα εκατομμύριο φορές μικρότερες από το ηλεκτρόνιο, το δεύτερο ελαφρύτερο σωματίδιο), είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και σπάνια αλληλεπιδρούν με την ύλη.

Οι επιστήμονες προβληματίζονται για το γιατί τα νετρίνα είναι τόσο ελαφριά. Οι θεωρητικοί εξετάζουν επί του παρόντος πολλαπλές δυνατότητες. Θα μπορούσε να εξηγηθεί εάν τα νετρίνα είναι συγχρόνως και τα αντισωματίδια τους – δηλαδή, εάν η έκδοση της αντιύλης είναι ίδια με την έκδοση της ύλης. Εάν οι φυσικοί ανακαλύψουν ότι πράγματι συμβαίνει αυτό, θα σήμαινε ότι τα νετρίνα παίρνουν τη μάζα τους με διαφορετικό τρόπο και από αλλού από το μποζόνιο Higgs, το οποίο ανακάλυψαν οι φυσικοί το 2012.

Τα νετρίνα πρέπει να πήραν τη μάζα τους από ένα πεδίο Higgs, το οποίο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και εκτείνεται σε ολόκληρο το σύμπαν. Αυτό θα μπορούσε να είναι το ίδιο Higgs που δίνει μάζα στα άλλα στοιχειώδη σωματίδια, ή θα μπορούσε να είναι ένας πολύ μακρινός ξάδελφος του. Σε ορισμένες θεωρίες, η μάζα των νετρίνων προέρχεται επίσης από μια πρόσθετη, ολοκαίνουργια πηγή που θα μπορούσε να περιέχει τις απαντήσεις σε άλλα μυστήρια της φυσικής των σωματιδίων.

Οι άνθρωποι ενθουσιάζονται για αυτήν την πιθανότητα επειδή μπορεί να ερμηνευτεί ως απόδειξη για μια ολοκαίνουργια ενεργειακή κλίμακα, αθώα άσχετη με το φαινόμενο Higgs. Αυτός ο νέος μηχανισμός μπορεί επίσης να σχετίζεται με το πώς η σκοτεινή ύλη, που οι φυσικοί πιστεύουν ότι αποτελείται από μη ανακαλυφθέντα ακόμα σωματίδια, παίρνει τη μάζα της.

Και όπως λένε οι φυσικοί «Η φύση τείνει να είναι οικονομική», θυμηθείτε την Λεπίδα του Occam. Οπότε είναι πιθανό ότι το ίδιο νέο σετ σωματιδίων εξηγεί όλα αυτά τα περίεργα φαινόμενα που δεν έχουμε εξηγήσει ακόμη.

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share