La messe est l'un des concepts fondamentaux et en même temps mystérieux de la science. Dans le monde des particules élémentaires, il ne peut être séparé de l'énergie. Il est non nul même pour les neutrinos, et la majeure partie se trouve dans la partie invisible de l'Univers. RIA Novosti raconte ce que les physiciens savent de la masse et quels secrets y sont associés.
Relativement et élémentaire
Dans la banlieue parisienne, au siège du Bureau international des poids et mesures, il y a un cylindre en alliage de platine et d'iridium pesant exactement un kilogramme. C'est la norme pour le monde entier. La masse peut être exprimée en termes de volume et de densité et on peut considérer qu'elle sert de mesure de la quantité de matière dans le corps. Mais les physiciens qui étudient le micromonde ne se contentent pas d'une explication aussi simple.
Imaginez déplacer ce cylindre. Sa hauteur ne dépasse pas quatre centimètres; néanmoins, un effort notable devra être fait. Il faudra encore plus d'efforts pour déplacer, par exemple, un réfrigérateur. La nécessité d'appliquer la force physique s'explique par l'inertie des corps, et la masse est considérée comme un coefficient reliant la force et l'accélération résultante (F = ma).
La masse sert de mesure non seulement du mouvement, mais aussi de la gravité, qui force les corps à s'attirer les uns les autres (F = GMm / R2). Lorsque nous montons sur l'échelle, la flèche est déviée. C'est parce que la masse de la Terre est très grande et que la force de gravité nous pousse littéralement à la surface. Sur une lune plus claire, une personne pèse six fois moins.
La gravité n'est pas moins mystérieuse que la masse. L'hypothèse selon laquelle certains corps très massifs peuvent émettre des ondes gravitationnelles lors de leur déplacement n'a été confirmée expérimentalement qu'en 2015 au détecteur LIGO. Deux ans plus tard, cette découverte a reçu le prix Nobel.
Selon le principe d'équivalence proposé par Galileo et affiné par Einstein, les masses gravitationnelles et inertielles sont égales. Il en découle que les objets massifs sont capables de plier l'espace-temps. Les étoiles et les planètes créent des entonnoirs gravitationnels autour d'elles, dans lesquels les satellites naturels et artificiels tournent jusqu'à ce qu'ils tombent à la surface.
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Quark interagit avec le champ de Higgs / Illustration RIA Novosti / Alina Polyanina.
D'où vient la masse
Les physiciens sont convaincus que les particules élémentaires doivent avoir une masse. Il a été prouvé que l'électron et les éléments constitutifs de l'univers - les quarks - ont une masse. Sinon, ils ne pourraient pas former des atomes et toute la matière visible. Un univers sans masse serait un chaos de quanta de divers rayonnements, se précipitant à la vitesse de la lumière. Il n'y aurait pas de galaxies, pas d'étoiles, pas de planètes.
Mais d'où vient la masse?
«Lors de la création du modèle standard en physique des particules - une théorie qui décrit l'interaction électromagnétique, faible et forte de toutes les particules élémentaires, de grandes difficultés sont survenues. Le modèle contenait des divergences inévitables en raison de la présence de masses non nulles dans les particules », explique Alexander Studenikin, docteur en sciences, professeur au département de physique théorique du département de physique de l'Université d'État Lomonosov de Moscou, RIA Novosti.
La solution a été trouvée par des scientifiques européens au milieu des années 1960, suggérant qu'il existe un autre domaine dans la nature - un champ scalaire. Il imprègne l'univers entier, mais son influence n'est perceptible qu'au niveau micro. Les particules semblent s'y coincer et ainsi acquérir de la masse.
Le mystérieux champ scalaire a été nommé d'après le physicien britannique Peter Higgs, l'un des fondateurs du modèle standard. Le boson porte également son nom - une particule massive surgissant dans le champ de Higgs. Il a été découvert en 2012 lors d'expériences au Grand collisionneur de hadrons du CERN. Un an plus tard, Higgs reçoit le prix Nobel avec François Engler.
Chasse aux fantômes
La particule fantôme - neutrino - devait également être reconnue comme massive. Cela est dû aux observations des flux de neutrinos du Soleil et des rayons cosmiques, qui pendant longtemps n'ont pas pu être expliqués. Il s'est avéré qu'une particule est capable de se transformer en d'autres états pendant le mouvement, ou d'osciller, comme le disent les physiciens. C'est impossible sans masse.
«Les neutrinos électroniques, nés, par exemple, à l'intérieur du Soleil, au sens strict, ne peuvent être considérés comme des particules élémentaires, car leur masse n'a pas de signification définie. Mais en mouvement, chacun d'eux peut être considéré comme une superposition de particules élémentaires (également appelées neutrinos) de masses m1, m2, m3. En raison de la différence de vitesse des neutrinos de masse, le détecteur détecte non seulement les neutrinos électroniques, mais également les neutrinos d'autres types, par exemple les neutrinos muons et tau. C'est une conséquence du mélange et des oscillations prédits en 1957 par Bruno Maksimovich Pontecorvo », explique le professeur Studenikin.
Il a été établi que la masse d'un neutrino ne peut excéder deux dixièmes d'un électron-volt. Mais la signification exacte est encore inconnue. Les scientifiques font cela dans l'expérience KATRIN à l'Institut de technologie de Karlsruhe (Allemagne), lancée le 11 juin.
«La question de l'ampleur et de la nature de la masse des neutrinos est l'une des principales. Sa décision servira de base au développement ultérieur de notre compréhension de la structure », conclut le professeur.
Il semblerait qu'en principe tout soit connu sur la masse, il reste à clarifier les nuances. Mais ce n'est pas le cas. Les physiciens ont calculé que la matière que nous observons n'occupe que 5% de la masse de matière dans l'univers. Le reste est de la matière noire hypothétique et de l'énergie, qui n'émettent rien et ne sont donc pas enregistrées. De quelles particules ces parties inconnues de l'univers sont-elles composées, quelle est leur structure, comment interagissent-elles avec notre monde? Les prochaines générations de scientifiques devront le découvrir.
Tatiana Pichugina
