La masse reste un mystère pour les physiciens

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

La masse est l'un des concepts fondamentaux et en même temps mystérieux de la science. Dans le monde des particules élémentaires, elle ne peut pas être séparée de l'énergie. Il est non nul, même pour les neutrinos, et la plupart sont situés 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

En banlieue parisienne, au siège du Bureau international des poids et mesures, se trouve un cylindre fait d'un 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, le réfrigérateur. La nécessité d'appliquer une force de 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, ce qui fait que les corps s'attirent (F = GMm / R2). Quand on monte sur la balance, la flèche dévie. 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 en se déplaçant certains corps très massifs peuvent émettre des ondes gravitationnelles n'a été confirmée expérimentalement qu'en 2015 sur le détecteur LIGO. Deux ans plus tard, cette découverte a reçu le prix Nobel.

Selon le principe d'équivalence proposé par Galilée et affiné par Einstein, les masses gravitationnelles et inertielles sont égales. Il s'ensuit que les objets massifs sont capables de courber l'espace-temps. Les étoiles et les planètes créent des entonnoirs gravitationnels autour d'eux, dans lesquels les satellites naturels et artificiels tournent jusqu'à ce qu'ils tombent à la surface.

D'où vient la masse

Les physiciens sont convaincus que les particules élémentaires doivent avoir une masse. Il est 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 rayonnements divers, se précipitant à la vitesse de la lumière. Il n'y aurait pas de galaxies, pas d'étoiles, pas de planètes.

Mais d'où la particule tire-t-elle sa masse ?

"Lors de la création du modèle standard en physique des particules - une théorie qui décrit les interactions électromagnétiques, faibles et fortes de toutes les particules élémentaires, de grandes difficultés sont apparues. Le modèle contenait des divergences inévitables dues à la présence de masses de particules non nulles", explique Alexander Studenikin, Docteur ès sciences, RIA Novosti, professeur au département de physique théorique, département de physique, Université d'État Lomonossov de Moscou.

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 domaine scalaire. Il imprègne tout l'Univers, mais son influence n'est perceptible qu'au niveau micro. Les particules semblent s'y coincer et gagnent ainsi en masse.

Le mystérieux champ scalaire a été nommé d'après le physicien britannique Peter Higgs, l'un des fondateurs du modèle standard. Un boson, particule massive issue du champ de Higgs, porte également son nom. Il a été découvert en 2012 lors d'expériences au Grand collisionneur de hadrons du CERN. Un an plus tard, Higgs a reçu le prix Nobel avec François Engler.

Chasse aux fantômes

Particule-fantôme - neutrino - devait également être reconnu comme massif. Cela est dû aux observations des flux de neutrinos du Soleil et des rayons cosmiques, qui n'ont pu être expliqués pendant longtemps. Il s'est avéré qu'une particule est capable de se transformer en d'autres états lors d'un mouvement, ou d'une oscillation, comme disent les physiciens. C'est impossible sans masse.

Les neutrinos électroniques, qui naissent, par exemple, à l'intérieur du Soleil, au sens strict ne peuvent être considérés comme des particules élémentaires, puisque leur masse n'a pas de signification définie. Mais en mouvement, chacun d'eux peut être considéré comme un 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, tels que les neutrinos muoniques et tau. C'est une conséquence du mélange et des oscillations prédites 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'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 solution servira de base pour le développement ultérieur de nos idées sur la structure", conclut le professeur.

Il semblerait qu'en principe tout soit connu sur la masse, il reste à préciser les nuances. Mais ce n'est pas le cas. Les physiciens ont calculé que la matière, qui se prête à notre observation, n'occupe que cinq pour cent de la masse de matière dans l'univers. Le reste est de la matière noire et de l'énergie hypothétiques, qui n'émettent rien et ne sont donc pas enregistrées. De quelles particules sont constituées ces parties inconnues de l'univers, quelle est leur structure, comment interagissent-elles avec notre monde ? Les prochaines générations de scientifiques devront le découvrir.