• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Masa Ziemi - potwierdzona przez europejskich naukowców

    24.11.2008. 16:00
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    Finansowane ze środków unijnych badania, przeprowadzone przez zespół fizyków niemieckich, francuskich i węgierskich, wykazały w sposób rozstrzygający, że model standardowy w fizyce cząstek elementarnych - teoria opisująca podstawowe interakcje pomiędzy cząstkami elementarnymi, z których składa się wszelka widzialna materia we wszechświecie - w sposób dokładny odzwierciedla masę protonów i neutronów.

    Wyniki opublikowane w elektronicznej wersji czasopisma Science, są efektem największego dotąd przedsięwzięcia komputerowego w obliczeniach masy cząsteczek i stanowią ważny krok naprzód w dziedzinie fizyki.


    W artykule czytamy: "Ponad 99% masy widzialnej we wszechświecie składa się z protonów i neutronów". "Obie te cząsteczki są znacznie cięższe niż kwarki i gluony, a model standardowy fizyki cząstek elementarnych powinien wyjaśnić tę różnicę."

    Dr Andreas S. Kronfeld z Fermi National Accelerator Laboratory w USA wyjaśnia, że ponieważ jądra atomów tworzą niemal całą masę świata i jako że składają się z cząstek zwanych kwarkami i gluonami, "fizycy od dawna byli przekonani, że masa jądra bierze się ze złożonego sposobu, w jaki gluony łączą kwarki pomiędzy sobą, zgodnie z prawami chromodynamiki kwantowej (QCD)".

    Fizycy wrócili do źródeł i przyjrzeli się podstawom, po czym ustalili prawa natury patrząc przez filtr QCD. QCD to teoria wykorzystywana do opisywania oddziaływań silnych albo interakcji pomiędzy kwarkami a gluonami. Ponieważ jednak liczbę oddziaływań i wirtualnych oddziaływań pomiędzy gluonami a kwarkami szacuje się w trylionach, obliczenia są niezmiernie trudne (lub wręcz niemożliwe), jeśli stosuje się standardową QCD.

    Naukowcy wykorzystali nowe podejście, zwane siatkową QCD, w którym czas i przestrzeń układa się w swego rodzaju siatkę albo kratkę. Podejście to pozwoliło im uwzględnić całą potrzebną fizykę, kontrolować przybliżenia liczbowe i wyliczyć błąd w swoich kalkulacjach mas hadronów (tj. protonów, neutronów i pionów).

    "Siatka redukuje wszystko, co chcemy obliczyć do całek, które zasadniczo można analizować matematycznie na komputerze" - wyjaśnia dr Kronfeld. Dzięki temu, autorom badania udało się po raz pierwszy ująć w swoich obliczeniach pary kwark-antykwark, jeden z najtrudniejszych problemów do pokonania w badaniu silnych oddziaływań.

    Według dr Kronfelda, obliczenia fizyków pokazują, że "nawet jeśli masa kwarka zniknie, to masa jądra nie zmieni się zbytnio - zjawisko zwane czasami masą bez masy".

    "Ponieważ te precyzyjne obliczenia są zgodne z pomiarami laboratoryjnymi, wiemy, a nie tylko wierzymy, że źródłem masy materii jest QCD" - konkludują autorzy. Wyniki te potwierdzają, że model standardowy prawidłowo opisuje pochodzenie masy hadronów. Ponieważ z cząstek tych zbudowany jest cały widzialny wszechświat, można powiedzieć, że model standardowy pozwala precyzyjnie oszacować masę Słońca, Ziemi i wszystkiego co się na niej znajduje.

    Najważniejszym wnioskiem z badań jest stwierdzenie, że analiza z użyciem siatkowej QCD "osiągnęła etap, na którym systematyczne błędy można w pełni kontrolować". Fizycy sugerują, że siatkowa QCD "odegra decydującą rolę w odkryciu nowych zależności fizycznych w procesach,
    które przeplatają się z efektami QCD".

    Sposób, w jaki natura generuje masę kwarków jest jednym z tematów znajdujących się w centrum zainteresowania fizyków pracujących na Wielkim Zderzaczu Hadronów.

    Więcej informacji:

    Science



    CORDIS
    url: http://cordis.europa.eu/fetch?CALLER=PL_NEWS&ACTION=D&SESSION=&RCN=30133
    Źródło danych: Science
    Referencje dokumentu: Durr S., et al. (2008). Ab Initio Determination of Light Hadron Masses. Science. Publikacja internetowa z dnia 20 listopada; DOI: 10.1126/science.1163233.

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Pole sił kolorowych tworzą gluony przenoszące kolor i antykolor pomiędzy kwarkami i antykwarkami. Energia pola sił kolorowych wzrasta wraz ze wzrostem odległości pomiędzy oddziałującymi kwarkami. Silne rozsunięcie kwarków powoduje naprężenie pola. Próba jego zerwania kończy się niepowodzeniem, ponieważ nadmierna ilość energii zostaje zamieniona na masę, na skutek czego powstają dwa nowe kwarki (dopełniające). Pole zamienia się wtedy na dwa pola o niższej energii (brakująca energia zamieniła się na masę). Oddziaływanie silne jest jednym z czterech oddziaływań uznanych za podstawowe. Spośród cząstek elementarnych Modelu Standardowego silnie oddziałują tylko kwarki, antykwarki i gluony. Oddziaływanie to wiąże kwarki w obrębie hadronów (a więc i np. w obrębie protonu i neutronu). Masa efektywna - odpowiednik masy dla ciał (cząstek) znajdujących się w środowisku materialnym, z którym one oddziałują. Pojęcie masy efektywnej jest wygodne w szczególności do opisu własności dynamiki elektronów i dziur w półprzewodnikach. Stosując masę efektywną w równaniach ruchu, automatycznie uwzględnia się obecność otaczających elektron pól bez potrzeby ich dokładnej analizy. Masa efektywna może być zarówno mniejsza jak i większa od zwykłej masy spoczynkowej tego samego ciała w próżni. Może być nawet ujemna

    Macierz Cabibbo-Kobayashiego-Maskawy (także niepopr. macierz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, skr. macierz CKM) – w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych macierz łącząca stany własne kwarków ze względu na oddziaływanie słabe ze stanami własnymi masy. Dla trzech generacji kwarków Model standardowy – teoria fizyki cząstek podstawowych, zwanych też cząstkami elementarnymi, które są podstawowymi składnikami każdej materii. Opisuje trzy z czterech (z wyjątkiem grawitacji) oddziaływań podstawowych: oddziaływanie elektromagnetyczne, oddziaływanie słabe i oddziaływanie silne. Sformułowana jest w języku matematyki, opisując relacjami matematycznymi zależności między elementami tej teorii. Opiera się na koncepcji pola Yanga-Millsa.

    Masa spoczynkowa protonu – masa protonu pozostającego w spoczynku w inercjalnym układzie odniesienia. Rozróżnienie między masą spoczynkową a masą cząstki poruszającej się jest istotne z punktu fizyki relatywistycznej i ma znaczenie np. w przypadku zjawisk i eksperymentów z dziedziny fizyki cząstek elementarnych. Masa spoczynkowa neutronu to masa neutronu pozostającego w spoczynku w inercjalnym układzie odniesienia. Rozróżnienie między masą spoczynkową a masą cząstki poruszającej się jest istotne z punktu fizyki relatywistycznej i ma znaczenie np. w przypadku zjawisk i eksperymentów z dziedziny fizyki cząstek elementarnych.

    Gluon (z ang. glue "klej") to bezmasowa cząstka elementarna pośrednicząca w oddziaływaniach silnych. Gluon jest nośnikiem oddziaływań silnych, co oznacza, że oddziaływania te polegają na wymianie gluonów między kwarkami lub między innymi gluonami. Gluon przenosi ładunek kolorowy i nie ma ładunku elektrycznego czyli jest obojętny elektrycznie. Gluony są kwantami pola Yanga-Millsa. Zasada Macha mówi, że cała materia we Wszechświecie jest ze sobą ściśle powiązana, a masa ciała nie jest jego wewnętrzną cechą, ale skutkiem oddziaływania pozostałej materii Wszechświata.

    Masa spoczynkowa elektronu – masa elektronu pozostającego w spoczynku w inercjalnym układzie odniesienia. Rozróżnienie między masą spoczynkową a masą cząstki poruszającej się jest istotne z punktu widzenia fizyki relatywistycznej i ma znaczenie np. w przypadku zjawisk i eksperymentów z dziedziny fizyki cząstek elementarnych. Jej wartość podana przez CODATA na podstawie aktualnych pomiarów w roku 2010 wynosi:

    Materia egzotyczna - hipotetyczna koncepcja fizyki cząstek elementarnych; jest to każdy rodzaj materii, który nie jest zgodny z modelem klasycznym lub nie składa się z barionów. Materia tego typu miałaby niespotykane wśród normalnej materii cechy, takie jak np. ujemna masa (nie antymasa - antymateria ma masę dodatnią). Ujemna masa powodowałaby odpychanie grawitacyjne ciał zbudowanych z materii egzotycznej w miejsce przyciągania materii zwykłej. Według niektórych teorii mogłyby z niej być zbudowane tunele czasoprzestrzenne czy hipotetyczne gwiazdy takie jak gwiazdy Q.

    Gwiazda dziwna (gwiazda kwarkowa) – hipotetyczny typ gwiazdy zbudowanej z materii dziwnej. Istnienie takiej ultragęstej materii jest spekulowane wewnątrz bardzo masywnych gwiazd neutronowych. Modele teoretyczne sugerują, że gdy materia jądrowa w gwieździe (neutrinium – materia jądrowa w równowadze ze względu na słaby rozpad β) znajduje się pod wpływem dostatecznie dużego ciśnienia pochodzącego od grawitacji gwiazdy, zachodzi w niej proces dezintegracji nukleonów do materii kwarkowej. Gwiazda kwarkowa jest układem zawierającym plazmę kwarkową w równowadze ze względu na rozpad β (podobnie jak rozpad neutronów w gwieździe neutronowej), w skład której wchodzą kwarki (u, d, s) i gluony. Obecność gluonów opisuje stała B (nazywana stałą worka) oraz zmiana masy kwarków (masa efektywna). W chromodynamice (QCD) kwarki zyskują w plazmie kwarkowo-gluonowej znaczne masy (mu*=md* ~ 330 MeV/c², ms* ~ 450 MeV/c² (masy konstytuentne)). Swobodne kwarki gdy są ekstremalnie blisko siebie (swoboda asymptotyczna) posiadają niewielkie masy (mu*=md* ~ 7 MeV/c², ms* ~ 150 MeV/c² (masy bieżące)). Jądro atomowe – konglomerat cząstek elementarnych będący centralną częścią atomu zbudowany z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do wyzwolenia ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie może stanowić zagrożenie.

    Dodano: 24.11.2008. 16:00  


    Najnowsze