Мамо, от къде идва масата на майорана неутриното?

Полето на Хигс дава маса на елементарните частици, но повечето от масата във Вселената идва от някъде другаде. На тази загадка е посветена последната статия на изданието на ускорителните лаборатории Fermilab и SLAC Symmetry magazine.

Историята на масата на частиците започва точно след Големия взрив. В първите моменти на Вселената почти всички частици са безмасови и пътуват със скоростта на светлината в една много гореща "първична супа". В един момент по време на този период се появява полето на Хигс, прониква през цялата Вселена и дава маса на елементарните частици.

Когато се включва полето на Хигс, то променя средата, изменяйки начина, по който се държат частиците. Някои от най-честите метафори сравняват полето на Хигс с кално поле или гъст сироп, който забавя частиците - някои повече, други - по-малко - когато преминават през него.

Полето на Хигс може да се представи и като тълпа по време на парти или орда от папараци. Когато известни учени или ВИП-персони преминават през тълпа, хората ги заобикалят и ги забавят, а по-малко познати лица минават през тълпата незабелязани. В тези случаи, популярността е синоним на масата - колкото сте по-популярен, толкова повече си взаимодействате с публиката и толкова сте по-"масивен". Видеото по-долу показва тази метафора:

Теорията как се появява масата на елементарните частици се създадена от Питър Хигс през 1964 г. и съдържа всъщност три компонента, а именно всепроникващото поле на Хигс, бозона на Хигс и механизма на Хигс.

Но защо се появява полето на Хигс? Защо някои частици взаимодействат повече с полето на Хигс от други? Краткият отговор е: Не знаем.

"Намирането на полето на Хигс е само началото, защото имаме още маса въпроси", казва Мат Щраслер (Matt Strassler), теоретичен физик и сътрудник на отдела по физика на университета Харвард.

Силното взаимодействие и ние

Полето на Хигс дава маса на фундаменталните частици - електрони, кварки и други градивни елементи, които не могат да бъдат разделени на по-малки части. Но те все още представляват само една малка част от масата на Вселената.

Останалата част от масата идва от протоните и неутроните, които получават почти цялата си маса от силната ядрена сила. Всяка от тези частици е съставена от три кварка, които се движат с главоломна скорост, свързани помежду си с глуони, частиците, които носят силното взаимодействие. Енергията на това взаимодействие между кварките и глуоните е това, което дава масата на протоните и неутроните по формулата на Айнщайн E=mc² , която приравнява енергия и маса. Това прави от масата таен склад за енергия.

"Когато съберете три кварка заедно, за да се създаде протон, той в крайна сметка съсредоточава огромна енергийна плътност в малка област в пространството", коментира Джон Ладжои (John Lajoie), физик в Университета на Айова.

Протонът се състои от два горни и един долен кварк, а неутронът е от два долни и един горен кварк. Техният сходен състав прави така, че масата, която придобиват от силното взаимодействие, е почти еднаква. Но неутроните са малко по-големи, отколкото протоните - и тази разлика е от решаващо значение. Процесът на разпадането на неутроните в протони е много важен за химията, а по този начин и в биологията. Това е радиоактивният процес на бета разпад.

Разпадът на неутрона изглежда така: n → p + e^- + ν_e 

Ако протоните бяха по-тежки, те щяха да се разпадат в неутрони и Вселената, каквато я познаваме, не би съществувала.

"Както се оказва, долните кварки взаимодействат по-силно с Хигс полето, така че имат малко по-голяма маса", обяснява Андреас Кронфелд (Andreas Kronfeld), теоретичен физик във Fermilab. Ето защо съществува малка разлика между масите на протона и неутрона.

Но какво да кажем за неутриното?

Научихме, че елементарните частици получават масата си от полето на Хигс, но възможно е да има едно изключение: неутриното. Класът частици неутрино имат изключително малки маси (един милион пъти са по-леки от електрона, втората най-лека частица), те са електрически неутрални и рядко взаимодействат с материята.

Учените недоумяват защо неутриното са толкова леки. Теоретиците в момента обмислят няколко възможности.

Проблемът с неутриното е, че физиците знаят общата маса на трите вида, но не и масата на отделните неутрина.

^{Илюстрация на превръщането на мюонно неутрино в електронно неутриното, а след това пак в мюонно. Източник: Physicsworld.com}

Това може да се обясни, ако неутрината са едновременно и собствените си античастици, тоест ако версията на антиматерията при тя е идентична с версията на материята. Такива частици се наричат майорана. Ако физици открият, че това е така, това би означавало, че неутриното получават маса от някъде другаде освен от полето на Хигс.

Неутриното би трябвало да получава маса от подобно на Хигс поле, което е електрически неутрално и обхваща цялата вселена. Това може да бъде същото Хигс поле, което дава маса на останалите елементарни частици, но може и да е някой негов много далечен братовчед. В някои теории, масата на неутриното идва от допълнителен, чисто нов източник, който може би крие отговорите на други мистерии на физиката на елементарните частици.

"Хората се вълнуват от тази възможност, защото това може да се тълкува като доказателство за една чисто нов тип енергия, несвързана с феномена на Хигс", заяви Андре де Говеа (André de Gouvêa), теоретичен физик в Северозападния университет.

Този нов механизъм може също така да бъде свързан с това как получават своята маса все още неоткритите частици на тъмната материя. 

^{3D карта на мащабното разпределение на тъмната материя, според измервания на слаби гравитационни лещи с космическия телескоп Хъбъл.}

"Природата е склонна да бъде икономична, така че е възможно същият нов набор от частици да обяснява всички странни явления, които все още не са обяснени", казва де Говеа.

Ние знаем, че 85% от цялата материя във Вселената не е обиктовената материя от протони, неутрони и други частици, а мистериозната тъмна материя и енергия. Опитите директно да се наблюдава тъмната материя не са успешни до момента, но може би ключът се крие в неутриното.

Още по темата

30/04/2016

Космос

Тъмната енергия е константна в продължение на милиарди години

24/11/2015

Космос

Земята има "коса" от тъмна материя

10/10/2015

Физика

Нобелови награди 2015: Най-голямата награда за най-малката частица

19/07/2015

Физика

Призрачни частици без маса, създадени наскоро, могат да направят компютрите 3000 пъти по-мощни