Какова природа массы?

Мы все интуитивно понимаем, что такое масса. Мы умеем взвешивать предметы и сравнивать, кто из них тяжелее и насколько. Для этого мы придумали килограммы и фунты. Но откуда у тел берётся масса? И что это вообще такое? К сожалению, физика ещё не до конца разобралась с этими вопросами, но известно уже очень многое.

© Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
© Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha

И все мы, и всё что нас окружает состоит из элементарных частиц. В основном, из электронов, протонов и нейтронов. Кроме того, нас пронизывают потоки огромного количества нейтрино, идущих от Солнца. Однако они так слабо взаимодействуют с чем-либо, что мы их практически не замечаем. Можно сказать, что наша масса - это сумма масс частиц, из которых мы состоим. Тогда надо ответить на вопрос, откуда масса берётся у этих частиц.

Поле Хиггса

Общепринято считать, что наша Вселенная возникла в результате Большого Взрыва около 14 миллиардов лет назад. В самые первые моменты жизни Вселенной почти все частицы были безмассовыми и передвигались со скоростью света. Но в какой-то момент, который наступил на самом деле через ничтожные доли секунды после взрыва, включилось так называемое поле Хиггса, пронизавшее всю Вселенную и дав массу абсолютному большинству элементарных частиц. Безмассовыми остались лишь кванты света фотоны и глюоны, обеспечивающие связь кварков в протонах и нейтронах.

Когда поле Хиггса включилось, оно изменило среду, в которой распространяются другие частицы, и тем самым изменило поведение этих частиц. Поле Хиггса можно сравнить с густым сиропом, который как бы замедляет движение частиц.

Другая популярная метафора сравнивает поле Хиггса с толпой людей на вечеринке или с ордой папарацци. Когда в такой толпе появляется знаменитость, люди окружают её и замедляют её движение, но менее известные лица проходят сквозь толпу без особых проблем. В этой метафоре популярность является синонимом массы — чем вы популярнее, тем больше вы будете взаимодействовать с толпой, и тем более «массивным» вы будете.

Но почему поле Хиггса включилось? И почему некоторые частицы больше взаимодействуют с полем Хиггса, чем другие? Короткий ответ на эти закономерные вопросы: мы не знаем. Именно поэтому экспериментальное открытие кванта поля Хиггса — бозона Хиггса — лишь начало его исследований.

Не только поле Хиггса

Поле Хиггса даёт массу фундаментальным частицам — электронам и кваркам, из которых мы состоим и которые нельзя разбить на более мелкие части. Но на самом деле это лишь небольшая доля массы во Вселенной.

Большая часть массы заключена в протонах и нейтронах. И источник этой массы — сильное ядерное взаимодействие. Каждый протон и нейтрон состоит из трёх кварков, движущихся с огромной, близкой к скорости света, скоростью и удерживаемых внутри протона или нейтрона глюонами — частицами, переносящими сильное взаимодействие. Именно энергия этого взаимодействия между кварками и глюонами и придаёт большую часть массы протонам и нейтронам. Здесь надо учесть знаменитую формулу Эйнштейна, которая устанавливает эквивалентность массы и энергии E = mc².

Хотя и протон, и нейтрон состоят из трёх кварков, между ними есть небольшая разница. Дело в том, что существует несколько типов кварков. Те, из которых состоит привычное нам вещество, называются верхним, или u-кварком, и нижним, или d-кварком.

Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварков, а нейтрон наоборот — из двух нижних и одного верхнего. Из-за сходного состава масса, которую эти две частицы приобретают за счёт сильного взаимодействия, практически одинакова. Однако нейтроны немного массивнее, и это различие чрезвычайно важно.

Дело в том, что из-за этой разницы свободный нейтрон может самопроизвольно превратиться в протон, испустив электрон и нейтрино. Этот, так называемый бета-распад, играет важную роль в химии и, следовательно, биологии. Если бы наоборот протоны были тяжелее, чем нейтроны, то вместо этого распадались бы они, и Вселенная, в том виде как мы её знаем, существовать бы не могла.

Небольшое различие между массами протонов и нейтронов объясняется тем, что нижние кварки чуть-чуть сильнее взаимодействуют с полем Хиггса, чем верхние кварки.

Что насчёт нейтрино?

Итак, элементарные частицы получают свою массу за счёт взаимодействия с полем Хиггса, но, возможно, из них есть исключение: нейтрино. Нейтрино сильно отличаются от других частиц тем, что имеют чрезвычайно малые массы (в миллион раз меньше, чем электрон, следующая по лёгкости частица). Кроме того, они электрически нейтральны, то есть незаряжены, и очень редко взаимодействуют с другими частицами.

Сейчас среди учёных нет единого мнения, почему нейтрино такие лёгкие. Теоретики рассматривают множество возможностей. Например, возможно, что нейтрино являются их собственными античастицами, то есть антинейтрино идентично нейтрино. Если это так, то нейтрино никак не могут приобретать массу от поля Хиггса, и для них требуется какой-то особый, более слабый механизм.

В этом случае нейтрино могли бы получать массу от хиггсоподобного поля, которое так же, как и поле Хиггса, должно быть электрически нейтрально и охватывать всю Вселенную. Такое поле, однако, пока что не открыто.

В других теориях масса нейтрино появляется из дополнительных, совершенно новых источников, которые могли бы также объяснить и другие современные загадки физики элементарных частиц — например, проблему тёмной материи, которая, по мнению многих физиков, состоит из ещё неоткрытых частиц.

Проблема с изучением нейтрино заключается в том, что оно очень слабо взаимодействует с обычным веществом. Для регистрации этих частиц приходится строить огромные детекторы, содержащие миллионы тонн воды. Станция IceCube, расположенная в Антарктиде, для ловли нейтрино задействует кубический километр льда.

Сейчас, однако, количество нейтринных экспериментов значительно увеличилось и продолжает расти. Разрабатываются детекторы нового поколения, обладающие повышенной чувствительностью, и как следствие, меньшими размерами. При этом нейтрино таят в себе много тайн, и скорее всего именно здесь можно ожидать следующих больших открытий в физике элементарных частиц.

Угостить автора кофе

Читайте также

Шесть причин следить за достижениями нейтринной физики

Асимметрия нейтрино и антинейтрино проступает всё сильнее

Открыто пятое фундаментальное взаимодействие?

Подписывайтесь также на мой канал в Telegram!