La masa es uno de los conceptos fundamentales y al mismo tiempo misteriosos de la ciencia. En el mundo de las partículas elementales, no se puede separar de la energía. Es distinto de cero incluso para los neutrinos, y la mayor parte se encuentra en la parte invisible del Universo. RIA Novosti cuenta lo que los físicos saben sobre la masa y qué secretos están asociados con ella.
Relativamente y elemental
En los suburbios de París, en la sede de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, hay un cilindro hecho de una aleación de platino e iridio que pesa exactamente un kilogramo. Este es el estándar para todo el mundo. La masa se puede expresar en términos de volumen y densidad y se puede considerar que sirve como medida de la cantidad de materia en el cuerpo. Pero los físicos que estudian el micromundo no están satisfechos con una explicación tan simple.
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Imagina mover este cilindro. Su altura no supera los cuatro centímetros, sin embargo, habrá que hacer un esfuerzo notable. Se necesitará aún más esfuerzo para mover, por ejemplo, un refrigerador. La necesidad de aplicar la fuerza de la física se explica por la inercia de los cuerpos, y la masa se considera un coeficiente que conecta la fuerza y la aceleración resultante (F = ma).
La masa sirve como medida no solo del movimiento, sino también de la gravedad, que obliga a los cuerpos a atraerse entre sí (F = GMm / R2). Cuando nos subimos a la escala, la flecha se desvía. Esto se debe a que la masa de la Tierra es muy grande y la fuerza de gravedad literalmente nos empuja a la superficie. En una luna más clara, una persona pesa seis veces menos.
La gravedad no es menos misteriosa que la masa. La suposición de que algunos cuerpos muy masivos pueden emitir ondas gravitacionales cuando se mueven se confirmó experimentalmente solo en 2015 en el detector LIGO. Dos años más tarde, este descubrimiento recibió el Premio Nobel.
Según el principio de equivalencia propuesto por Galileo y perfeccionado por Einstein, las masas gravitacionales e inerciales son iguales. De esto se deduce que los objetos masivos son capaces de doblar el espacio-tiempo. Las estrellas y los planetas crean embudos gravitacionales a su alrededor, en los que los satélites naturales y artificiales giran hasta que caen a la superficie.
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Quark interactúa con el campo de Higgs / Ilustración RIA Novosti / Alina Polyanina.
De donde viene la masa
Los físicos están convencidos de que las partículas elementales deben tener masa. Se ha demostrado que el electrón y los componentes básicos del universo, los quarks, tienen masa. De lo contrario, no podrían formar átomos y toda la materia visible. Un universo sin masa sería un caos de cuantos de diversas radiaciones, corriendo a la velocidad de la luz. No habría galaxias, estrellas, planetas.
Pero, ¿de dónde viene la masa?
“Al crear el Modelo Estándar en física de partículas, una teoría que describe la interacción electromagnética, débil y fuerte de todas las partículas elementales, surgieron grandes dificultades. El modelo contenía divergencias inevitables debido a la presencia de masas distintas de cero en las partículas”, dice Alexander Studenikin, Doctor en Ciencias, Profesor del Departamento de Física Teórica del Departamento de Física de la Universidad Estatal Lomonosov de Moscú, RIA Novosti.
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La solución fue encontrada por científicos europeos a mediados de la década de 1960, lo que sugiere que hay otro campo en la naturaleza: uno escalar. Permea todo el Universo, pero su influencia es perceptible solo a nivel micro. Las partículas parecen atascarse en él y así adquirir masa.
El misterioso campo escalar recibió su nombre del físico británico Peter Higgs, uno de los fundadores del Modelo Estándar. El bosón también lleva su nombre, una partícula masiva que surge en el campo de Higgs. Fue descubierto en 2012 en experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Un año después, Higgs recibió el Premio Nobel junto con François Engler.
Caza fantasma
La partícula fantasma, el neutrino, también tenía que ser reconocida como masiva. Esto se debe a las observaciones de los flujos de neutrinos del Sol y los rayos cósmicos, que durante mucho tiempo no pudieron explicarse. Resultó que una partícula es capaz de transformarse en otros estados durante el movimiento, u oscilar, como dicen los físicos. Esto es imposible sin masa.
“Los neutrinos electrónicos, nacidos, por ejemplo, en el interior del Sol, en sentido estricto no pueden ser considerados partículas elementales, ya que su masa no tiene un significado definido. Pero en movimiento, cada uno de ellos puede considerarse como una superposición de partículas elementales (también llamadas neutrinos) con masas m1, m2, m3. Debido a la diferencia en la velocidad de los neutrinos de masa, el detector detecta no solo neutrinos electrónicos, sino también neutrinos de otros tipos, por ejemplo, neutrinos muones y tau. Esto es consecuencia de las mezclas y oscilaciones previstas en 1957 por Bruno Maksimovich Pontecorvo”, explica el profesor Studenikin.
Se ha establecido que la masa de un neutrino no puede exceder las dos décimas de electrón voltio. Pero el significado exacto aún se desconoce. Los científicos están haciendo esto en el experimento KATRIN en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (Alemania), lanzado el 11 de junio.
“La cuestión de la magnitud y naturaleza de la masa de neutrinos es una de las principales. Su decisión servirá de base para un mayor desarrollo de nuestra comprensión de la estructura , concluye el profesor.
Parecería que en principio se sabe todo sobre la masa, queda por aclarar los matices. Pero este no es el caso. Los físicos han calculado que la materia que observamos ocupa solo el cinco por ciento de la masa de materia en el universo. El resto es hipotética materia oscura y energía, que no emiten nada y por tanto no se registran. ¿De qué partículas están compuestas estas partes desconocidas del universo, cuál es su estructura, cómo interactúan con nuestro mundo? Las próximas generaciones de científicos tendrán que resolverlo.
Tatiana Pichugina
