ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ «Η ΜΑΓΕΙΑ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ» Επιμέλεια παρουσίασης:Τίμος Γκίνης, Μιχάλης Σέϊντος Υπεύθυνος καθηγητής: Σωτήρης Παπαγεωργίου

Σκοπός του προγράμματος : Οι μαθητές που παρακολουθούν το πρόγραμμα θα μάθουν: Να συμμετέχουν σε ομάδες και να εργάζονται από κοινού για να ερευνήσουν θέματα που τους έχουν ανατεθεί. Να ανταλλάσουν απόψεις για κάποιο θέμα και να κατάλήγουν στο πιο επιστημονικά ορθό αποτέλεσμα. Να παρουσιάζουν με ευκολία τα θέματα που τους έχουν ανατεθεί.

Στόχος του προγράμματος: Οι μαθητές να γνωρίσουν σε βάθος τα μικρότερα σωματίδια από τα οποία είναι φτιαγμένος ο άνθρωπος, αλλά και το Σύμπαν τα οποία ονομάζονται: <<ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ>>

ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΠΟΥ ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΣΤΗ ΦΥΣΗ Οι δυνάμεις διακρίνονται κυρίως σε δυνάμεις εξ επαφής και σε δυνάμεις εξ επιδράσεως. Γενικότερα όμως υπάρχει μεγάλο πλήθος δυνάμεων στη φύση: η βαρύτητα, οι ηλεκτρικές και οι μαγνητικές δυνάμεις, η τριβή, η τάση είναι μόνο μερικές από αυτές. Όμως, μόνο τέσσερις δυνάμεις θεωρούνται σήμερα θεμελιώδεις: Η ισχυρή δύναμη Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη Η ασθενής δύναμη Η βαρυτική δύναμη Όλες οι υπόλοιπες δυνάμεις δεν θεωρούνται θεμελιώδεις και μπορούν να οριστούν και να αναχθούν στις παραπάνω τέσσερις δυνάμεις.

ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Κατά τη Σωματιδιακή Φυσική στοιχειώδες σωματίδιο χαρακτηρίζεται το μικρότερο δομικό σωματίδιο της ύλης που έχει ανακαλυφθεί και που δεν διαιρείται περαιτέρω, τουλάχιστον με τα σημερινά δεδομένα σε ακόμη μικρότερα. Συνεπώς ένα στοιχειώδες σωματίδιο είναι ένα σωματίδιο που δεν έχει εσωτερική δομή, δεν αποτελείται δηλαδή από άλλα σωματίδια. Τα στοιχειώδη σωματίδια αποτελούν τα δομικά υλικά όλων των άλλων σωμάτιων (υποατομικών). Τα στοιχειώδη σωματίδια, για τη πληρέστερη μελέτη τους, κατατάχθηκαν σε δυο κύριες κατηγορίες: Τα σωματίδια δομής, τα φερμιόνια, που συμμετέχουν στη δομή της ύλης (αυτά είναι τα κουάρκ και τα λεπτόνια), και Τα σωματίδια φορείς, που είναι μποζόνια, και είναι φορείς των δυνάμεων. Αυτά είναι το φωτόνιο (ηλεκτρομαγνητική δύναμη), τα W και Z μποζόνια (ασθενής αλληλεπίδραση), το γκλουόνιο (ισχυρή αλληλεπίδραση) και το υποθετικό βαρυτόνιο (βαρυτική δύναμη).

ΦΕΡΜΙΟΝΙΑ Τα στοιχειώδη σωμάτια που αποτελούν την ύλη είναι φερμιόνια και ανήκουν στα κουάρκ (που σχηματίζουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια) ή στα λεπτόνια (όπως τα ηλεκτρόνια). Παραδείγματα φερμιονίων είναι τα: ηλεκτρόνια πρωτόνια νετρόνια κουάρκ νετρίνα

ΜΠΟΖΟΝΙΑ Ένα μποζόνιο είναι ένα σωμάτιο το οποίο ακολουθεί τη στατιστική Μποζέ- Αϊνστάιν.Άλλα μποζόνια στη φύση είναι το σωματίδιο Higgs το οποίο αποτελεί σωματίδιο του πεδίου που δίνει μάζα στα σωματίδια. Επίσης υπάρχουν ψευδοσωματίδια όπως τα φωτόνια που είναι υποθετικά σωματίδια (δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί) που προκύπτουν από την θεωρία της υπερσυμμετρίας.

ΦΩΤΟΝΙΑ Στο κενό κινείται με την ταχύτητα του φωτός, ενώ μέσα σε υλικά η ταχύτητά του αλλάζει ανάλογα με τη φύση του υλικού.Μπορεί να συμπεριφέρεται είτε ως κύμα (π.χ. σε πειράματα συμβολής και περίθλασης) είτε ως σωματίδιο (π.χ. στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο). Η διπλή αυτή συμπεριφορά, που περιγράφεται με τον όρο "κυματοσωματιδιακός δυϊσμός", ήταν και η αφετηρία της Κβαντομηχανικής της Ύλης, αντιστρέφοντας το συλλογισμό και θεωρώντας ότι και τα σωματίδια μπορεί να έχουν κυματικό χαρακτήρα υπό συνθήκες.

W ΚΑΙ Z ΜΠΟΖΟΝΙΑ Στη φυσική, τα W και Z μποζόνια είναι τα στοιχειώδη σωμάτια που μεταδίδουν την ασθενή αλληλεπίδραση. Η ανακάλυψή τους στο CERN το 1983 αντιμετωπίστηκε ως μια σπουδαία επιτυχία του καθιερωμένου μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής.Το σωμάτιο W ονομάστηκε έτσι από την ασθενή (weak) πυρηνική δύναμη. Το σωμάτιο Z πήρε το όνομά του με χιουμοριστικό τρόπο, καθώς θεωρούνταν το τελευταίο σωματίδιο που έμενε να ανακαλυφθεί. Μια άλλη εξήγηση έγκειται στο ότι το σωμάτιο Ζ πήρε το όνομά του από το γεγονός ότι έχει μηδενικό (zero) ηλεκτρικό φορτίο.

ΓΚΛΟΥΟΝΙΑ Τα γκλουόνια ή γλοιόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια (μποζόνια). Είναι σωματίδια τα οποία μεταφέρουν την ισχυρή αλληλεπίδραση, με την οποία αλληλεπιδρούν τα κουάρκς, θεμελιώδη σωματίδια από τα οποία απαρτίζεται η ύλη. Η αλληλεπίδραση αυτή περιγράφεται από την κβαντική χρωμοδυναμική.Τα γκλουόνια είναι ταυτόχρονα φορείς του ισχυρού πυρηνικού φορτίου ("φορτίο χρώματος") και μεσάζοντες της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Υπάρχουν σε οκτώ ποικιλίες, που αποτελούν όλους τους δυνατούς συνδυασμούς "χρώματος" και αντι-"χρώματος" για τα τρία "χρώματα": κόκκινο, πράσινο και μπλε, και τα αντι-χρώματά τους. Ο ένατος δυνατός συνδυασμός είναι "άχρωμος" (ακριβέστερα είναι και για τον λόγο αυτό δεν μπορεί να μεταβιβάσει την ισχυρή αλληλεπίδραση και αγνοείται.

ΒΑΡΥΤΟΝΙΑ Στη φυσική, το βαρυτόνιο είναι ένα υποθετικό στοιχειώδες σωματίδιο που μεσολαβεί τη δύναμη της βαρύτητας , στο πλαίσιο της κβαντικής θεωρίας πεδίου. Αν υπάρχει, το βαρυτόνιο αναμένεται να είναι άμαζα.

ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ ΧΙΓΚΣ Το σωματίδιο Χιγκς, καλούμενο από τον Leon Lederman ως «το σωματίδιο Θεός» ή «το σωματίδιο του Θεού», είναι ένα μποζόνιο που, προβλέπεται θεωρητικά από το Καθιερωμένο Πρότυπο και θεωρείται πως έχει ήδη ανακαλυφθεί πειραματικά στα πειράματα ATLAS και CMS του επιταχυντή LHC του CERΝ, αν και η πλήρης ταυτοποίησή του εκκρεμεί. Η ύπαρξη του σωματιδίου του Χιγκς δίνει τη δυνατότητα για εξήγηση στον τρόπο που συγκροτείται η ύλη προσδίδοντάς της ιδιότητες όπως για παράδειγμα η μάζαΤο 2013 ο Πίτερ Χιγκς και ο Φρανσουά Ανγκλέρ βραβεύτηκαν με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την εργασία τους και την πρόβλεψή τους.

ΑΔΡΟΝΙΑ Ένας διαχωρισμός που μπορεί να γίνει ανάμεσα στα στοιχειώδη σωματίδια, αφορά το είδος των αλληλεπιδράσεων στις οποίες μπορούν αυτά να μετέχουν. Έτσι, χωρίζουμε τα στοιχειώδη σωματίδια στα αδρόνια και τα λεπτόνια. Η διαφορά τους έγκειται στο ότι τα πρώτα μπορούν να μετέχουν εκτός των άλλων και σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις, ενώ τα λεπτόνια όχι. Τα αδρόνια ονομάστηκαν έτσι από την λέξη αδρός (=δυνατός), σε αντίθεση με τα λεπτόνια, από τη λέξη λεπτός (=αδύνατος). Τα λεπτόνια ονομάστηκαν έτσι γιατί τα πρώτα από αυτά που ανακαλύφθηκαν είχαν πολύ μικρή μάζα σε σχέση με τα αντίστοιχα αδρόνια. Μετέπειτα πειράματα έδειξαν ότι αυτό δεν ισχύει για όλα τα λεπτόνια, αλλά οι όροι αυτοί έχουν παραμείνει για ιστορικούς λόγους.Τα αδρόνια χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. Τα βαρυόνια τα οποία είναι φερμιόνια και τα μεσόνια που είναι μποζόνια.

ΛΕΠΤΟΝΙΑ Τα λεπτόνια είναι θεμελιώδη (μη σύνθετα) σωματίδια, τα οποία δεν μετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Υπάρχουν δυο κύριες κατηγορίες λεπτονίων: τα φορτισμένα, και τα ουδέτερα λεπτόνια πιο γνωστά ως νετρίνο. Σε κάθε λεπτόνιο ύλης αντιστοιχεί ένα λεπτόνιο αντιύλης. Ένα βασικό σωματιδιακό ταξινομικό κριτήριο, αποτελεί η συμμετοχή ή μη στα διάφορα είδη αλληλεπιδράσεων. Έτσι, τα διάφορα σωματίδια χωρίζονται στα αδρόνια τα οποία μπορούν να μετέχουν εκτός των άλλων και σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις και στα λεπτόνια, τα οποία δεν μπορούν να μετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις.

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ Το ηλεκτρόνιο είναι ένα από τα θεμελιώδη υποατομικά σωματίδια της ύλης, το οποίο φέρει αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Είναι λεπτόνιο και με μάζα μικρότερη από το πρωτόνιο.Τα ηλεκτρόνια μαζί με τους ατομικούς πυρήνες σχηματίζουν τα άτομα. Τα ηλεκτρόνια μπορεί να θεωρηθεί πως περιστρέφονται ταχύτατα γύρω από τον πυρήνα των ατόμων σε συγκεκριμένες ενεργειακές τροχιές, όπως περίπου οι πλανήτες σε ένα ηλιακό σύστημα. Η ροή ηλεκτρονίων μέσω αγωγού δημιουργεί το ηλεκτρικό ρεύμα.

ΜΙΟΝΙΑ Το μιόνιο είναι στοιχειώδες σωματίδιο παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο, με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Μαζί με το ηλεκτρόνιο, το λεπτόνιο και τα τρία νετρίνα, είναι ταξινομημένο ως λεπτόνιο. Είναι ένα ασταθές υποατομικό σωματίδιο και έχει τη δεύτερη πιο μακροχρόνια μέση διάρκεια ζωής,μετά από το νετρόνιο.Τα μιόνια είναι ασταθή στοιχειώδη σωματίδια και είναι βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα αλλά ελαφρύτερα από όλα τα άλλα σωματίδια ύλης.

ΛΕΠΤΟΝΙΑ ΤΑΥ Το λεπτόνιο ταυ είναι ένα αρνητικά φορτισμένο στοιχειώδες σωματίδιο.Έχει αντίστοιχο αντισωματίδιο, το αντιταύ και σχετικά νετρίνα (νετρίνο ταυ και αντινετρίνο ταυ).Το ταυ είναι το μόνο λεπτόνιο που μπορεί να μετατραπεί σε αδρόνια (τα άλλα λεπτόνια δεν έχουν την αναγκαία μάζα). Όπως και οι υπόλοιποι τρόποι διάσπασης του λεπτονίου ταυ, η διάσπαση σε αδρόνια γίνεται μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης.

ΒΑΡΥΟΝΙΑ Τα βαρυόνια είναι υποατομικά σωματίδια τα οποία δημιουργούνται με συνδυασμούς τριών κουάρκ. Μαζί με τα μεσόνια απαρτίζουν την οικογένεια των αδρονίων, δηλαδή σωματίδια που κατασκευάζονται από κουάρκ. Η ονομασία τους προέρχεται από την ελληνική λέξη βαρύς, καθώς την εποχή που δόθηκε, πιστευόταν ότι τα σωματίδια αυτά είχαν πολύ μεγάλη μάζα σε σχέση με τα υπόλοιπα.

ΜΕΣΟΝΙΑ Τα μεσόνια είναι αδρόνια που αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ. Τα μεσόνια είχαν αρχικά προβλεφθεί θεωρητικά ως φορείς της δύναμης που κρατά τα νετρόνια και πρωτόνια μέσα στον πυρήνα. Το μιόνιο, όταν αρχικά ανακαλύφθηκε, θεωρήθηκε μεσόνιο, υπόθεση που καταρρίφθηκε αργότερα. Το πρώτο μεσόνιο που παρατηρήθηκε ήταν το πιόνιο, στα 1947. Ο Χιντέκι Γιουκάβα είχε προβλέψει την ύπαρξη των μεσονίων θεωρητικά το 1935 και το 1949 τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την εργασία του αυτή.

ΠΙΟΝΙΑ Τα πιόνια αποτελούνται από κουάρκς πρώτης γενιάς. Στο πρότυπο των κουάρκς, ένα up κουάρκ και ένα anti-down κουάρκ συνθέτουν ένα π+, ενώ ένα down κουάρκ και ένα anti- up κουάρκ συνθέτουν το π−, τα οποία είναι μεταξύ τους αντισωμάτια. Τα αφόρτιστα πιόνια είναι συνδυασμοί ενός up κουάρκ με ένα anti-up κουάρκ ή ενός down κουάρκ με ένα anti-down κουάρκ και έχουν τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς.

ΚΑΟΝΙΑ Καόνια έχουν αποδειχθεί ότι είναι μια άφθονη πηγή πληροφοριών σχετικά με τη φύση των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων από την ανακάλυψή τους σε κοσμικές ακτίνες το 1947. Ήταν απαραίτητη για τη θεμελίωση του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, όπως το μοντέλο των κουάρκ των αδρονίων και τη θεωρία των κουάρκ ανάμιξης (η τελευταία είχε πραγματοποιηθεί με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2008).

ΝΟΥΚΛΕΟΝΙΑ Τα Νουκλεόνια είναι τα στοιχειώδη σωματίδια που αποτελούν μέρη του πυρήνα του ατόμου, δηλαδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Τα νουκλεόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω της πυρηνικής δύναμης, που αποτελεί έκφραση της ισχυρής δύναμης. Δεν είναι στοιχειώδη σωματίδια, αλλά το καθένα τους αποτελείται από τρία κουάρκ.Νουκλεόνια θεωρούνται και τα αντισωματίδια των πρωτονίων και των νετρονίων, τα αντιπρωτόνια και τα αντινετρόνια. Οι πυρήνες που συγκροτούνται από αυτά τα σωματίδια είναι βασικές δομικές μονάδες της αντιύλης.

ΠΡΩΤΟΝΙΑ Το πρωτόνιο είναι ένα από τα υποατομικά σωματίδια, που θεωρούνταν παλιότερα στοιχειώδες σωμάτιο, αλλά αργότερα βρέθηκε ότι έχει εσωτερική δομή. Ως νουκλεόνιο, είναι ένας από τούς βασικούς δομικούς λίθους των πυρήνων των ατόμων και μαζί με τα νετρόνια είναι η κύρια μάζα του ατόμου. Επίσης κατατάσσεται στην κατηγορία των αδρονίων και συγκεκριμένα στα βαρυόνια αλλά και στα φερμιόνια. Έχει βρεθεί ότι είναι σύνθετο σωμάτιο.

ΝΕΤΡΙΝΑ Το νετρίνο είναι ένα αφόρτιστο και πολύ ελαφρύ σωματίδιο, του οποίου η ύπαρξη προτάθηκε από τον αυστριακό φυσικό Βόλφγκανγκ Πάουλι, ώστε να ισχύει η αρχή διατήρησης της ορμής και της ενέργειας στην ραδιενεργή εκπομπή ηλεκτρονίων από τον ατομικό πυρήνα,τη λεγόμενη β διάσπαση.

Παρατήρηση Τα νετρίνα παρατηρήθηκαν δεκαετίες μετά την πρόταση του Πάουλι. Πρόκειται για σωματίδια που αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη, συνεπώς είναι πολύ δύσκολο να παρατηρηθούν. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται ειδικές πειραματικές διατάξεις, γνωστές ως "τηλεσκόπια νετρίνων", τοποθετημένες βαθιά μέσα σε εγκαταλειμμένα ορυχεία ή στον πυθμένα της θάλασσας, προκειμένου να μην επηρεάζονται από την κοσμική ακτινοβολία· καθώς τα νετρίνα δύσκολα εντοπίζονται, απαιτείται μια τέτοιου είδους "μόνωση" από άλλες αλληλεπιδράσεις, αλλά και το μεγάλο μέγεθος της πειραματικής διάταξης.

ΚΟΥΑΡΚ Τα έξι κουάρκ Up (πάνω) Down (κάτω) Strange (παράδοξο) Τα κουάρκ θεωρούνται σήμερα βασικοί τύποι των στοιχειωδών σωματιδίων της ύλης από τα οποία αποτελούνται τα βαρυόνια και τα μεσόνια. Μαζί με τα γκλουόνια, θεωρούνται τα μόνα στοιχειώδη σωματίδια που μπορούν και αλληλεπιδρούν ισχυρά.Το 1964 ο Αμερικάνος φυσικός Μάρεϊ Γκελ-Μαν πρότεινε ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα λεγόμενα νουκλεόνια, δεν αποτελούν τους στοιχειώδεις δομικούς λίθους της ύλης, αλλά συνίστανται από άλλα μικρότερα σωματίδια, τα οποία ονόμασε κουάρκ. Τα έξι κουάρκ Up (πάνω) Down (κάτω) Strange (παράδοξο) Charm (γοητευτικό) Bottom (πυθμένας) Top (κορυφή)

ΠΙΤΕΡ ΧΙΓΚΣ Ο Πίτερ Χίγκς (Peter Higgs) είναι Βρετανός φυσικός. Γεννήθηκε στις 29 Μαΐου 1929 στην περιοχή Έλσουϊκ του Νιούκαστλ, στην Αγγλία. Το διδακτορικό του (1954) είχε θέμα: «Μερικά προβλήματα στις μοριακές ταλαντώσεις» και ήταν αυτό που τον ώθησε στη μελέτη της εφαρμογής των αρχών συμμετρίας σε φυσικά συστήματα.Το 2013 τιμήθηκε με Νόμπελ Φυσικής από κοινού με το Βέλγο Φρανσουά Ανγκλέρ.Ποιος είναι λοιπόν ο «Αϊνστάιν του 21ου αιώνα»;

ΚΑΡΛΟ ΡΟΥΜΠΙΑ Ο Κάρλο Ρούμπια είναι σύγχρονος Ιταλός πειραματικός φυσικός στοιχειωδών σωματίων, που μοιράσθηκε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1984 με τον Σίμον βαν ντερ Μέερ.Ο Ρούμπια γεννήθηκε στις 31 Μαρτίου 1934 στην Γκορίτσια, μια κωμόπολη στους πρόποδες των ιταλικών Άλπεων. Πήρε το διδακτορικό του πάνω σε πειράματα στις κοσμικές ακτίνες στη Scuola Normale της Πίζα το 1959. Μετά πέρασε 1,5 χρόνο στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια στη Νέα Υόρκη συμμετέχοντας σε πειράματα πάνω στη διάσπαση και πυρηνική σύλληψη των μιονίων. Αυτά υπήρξαν τα πρώτα από μία μακρά σειρά πειραμάτων του Ρούμπια στο πεδίο της ασθενούς αλληλεπιδράσεως, που κορυφώθηκαν στη δουλειά του στο CERN για την οποία τιμήθηκε και με το βραβείο Νόμπελ.

ΔΡΑΣΕΙΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ 1. Παρακολούθηση Συνεδρίου Ελλήνων Φυσικών με θέμα :<<Η ΦΥΣΙΚΗ ΜΑΓΕΥΕΙ>> από τους μαθητές.

2.Ομιλία με τον ερευνητή του Cern στον χώρο του σχολείου κύριο Σοφοκλή Σωτηρίου με θέμα το σωματίδιο φάντασμα (νετρίνο).

3.Παρακολούθηση της ταινίας «Η Θεωρία των Πάντων» σχετική με τον Στήβεν Χώκινγκ.

4. Ομιλία του καθηγητή Πολυτεχνείου κ 4.Ομιλία του καθηγητή Πολυτεχνείου κ.Νίκου Τράκα στο χώρο του σχολείου με θέμα ''τα στοιχειώδη σωματίδια''

Συμμετέχοντες στο πρόγραμμα: Ευγενία Βλαστού Ιφιγένεια Γιαννέ Τίμος Γκίνης Ανδρέας Γκόλφης Χαράλαμπος Δρακάκης Μαρία Κοσιώρη Χρύσα Μαρίνου Δήμος Μουντράκης Ανδριανή Νικολάου Λητώ Παλαιολόγου Λυδία Ποριώτου Δημήτρης Πότσης Μιχάλης Σέϊντος Αχιλλέας Ταράτσας

ΤΕΛΟΣ