Ένα ταξίδι στη διάσταση των στοιχειωδών σωματιδίων Ένα ταξίδι στη διάσταση των στοιχειωδών σωματιδίων Από το άτομο του Δημόκριτου στο σωματίδιο Higgs και τον επιταχυντή LHC του CERN Κατερίνα Αρώνη Δεκέμβριος 2012

Η αναζήτηση… Από τα αρχαία χρόνια ο άνθρωπος προσπαθούσε να ανακαλύψει τα δομικά συστατικά της ύλης. Ο Αριστοτέλης πίστευε ότι 4 βασικά στοιχεία συνθέτουν τον κόσμο γύρω μας: η φωτιά, ο αέρας, η γη και το νερό.

Αργότερα, (5ος αιώνας π. Χ.), ο Λεύκιππος και ο μαθητής του Δημόκριτος υποστηρίζουν την άποψη ότι η ύλη αποτελείται από αδιάσπαστα και αναλλοίωτα σωματίδια.Τα σωματίδια αυτά ονομάστηκαν άτομα. Περνάνε αρκετοί αιώνες, όταν τον 19ο αιώνα ο Τζον Ντάλτον δέχεται την άποψη του Δημόκριτου για τα άφθαρτα σωματίδια της ύλης, στην προσπάθειά του να ερμηνεύσει τις χημικές αντιδράσεις.

Σχηματική αναπαράσταση του ατομικού μοντέλου του σταφιδόψωμου Το 1894, ο Τζόζεφ Τζον Τόμσον ανακαλύπτει το ηλεκτρόνιο σε εργαστήριο του Κέμπριτζ και το 1904 διατυπώνει τη θεωρία του στην οποία υποστηρίζει ότι το άτομο δεν είναι αδιαίρετο, αλλά αποτελείται από ένα συμπαγές σωματίδιο με θετικό φορτίο το οποίο περιέχει αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια (μοντέλο του σταφιδόψωμου). Joseph John Thomson: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1906 Σχηματική αναπαράσταση του ατομικού μοντέλου του σταφιδόψωμου

Το 1900 ο Γερμανός Μαξ Πλανκ, υποθέτει ότι Η ενέργεια εκπέμπεται ή απορροφάται σε «πακετάκια» που λέγονται «κβάντα». Max Planck: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής,1918

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905, κάνει την υπόθεση ότι το φως διαδίδεται στο χώρο σε συμπυκνωμένα πακέτα, τα οποία ονομάστηκαν φωτόνια. Σε αντίθεση με τον Πλανκ, πιστεύει ότι το φως όταν διαδίδεται στο χώρο, συμπεριφέρεται όχι σαν κύμα, αλλά σαν σωμάτιο. Albert Einstein: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1921

Η σύγχρονη άποψη είναι ότι το φως παρουσιάζει δυαδικό χαρακτήρα: Άλλοτε συμπεριφέρεται σαν κύμα και άλλοτε σαν σωμάτιο, ανάλογα με τις συνθήκες.

Μια σπουδαία ανακάλυψη έκανε το έτος 1909 ο Αμερικανός επιστήμονας Ρόμπερτ Μίλικαν όταν στο πείραμά του με φορτισμένες σταγόνες λαδιού κατάφερε να μετρήσει το φορτίο του ηλεκτρονίου και να αποδείξει ότι είναι το μικρότερο δυνατό φορτίο που υπάρχει ελεύθερο στη Φύση. Το ηλεκτρικό φορτίο είναι ένα μέγεθος κβαντωμένο, δεν μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή. Οι τιμές του είναι ακέραια πολλαπλάσια του στοιχειώδους φορτίου του ηλεκτρονίου. Robert Andrews Millikan: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1923 e-

Το σωματίδιο αυτό ονομάστηκε πρωτόνιο. Το 1911 ο Ράδερφορντ στο πλανητικό μοντέλο του υποστηρίζει ότι το άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα θετικά φορτισμένο γύρω από τον οποίο περιφέρονται τα ηλεκτρόνια. Το 1914 καταλήγει στο συμπέρασμα ότι ο πυρήνας του υδρογόνου είναι το μικρότερο θετικό σωματίδιο. Το σωματίδιο αυτό ονομάστηκε πρωτόνιο. Ernest Rutherford: Βραβείο Νόμπελ Χημείας, 1908 Το ατομικό πρότυπο του Ράδερφορντ: electrons (green) and nucleus (red)

Ο Δανός Νιλς Μπορ το υποθέτει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε καθορισμένες τροχιές και ότι το άτομο ακτινοβολεί μόνο όταν τα ηλεκτρόνια αλλάξουν τροχιά, μεταβαίνοντας από μία ενεργειακή κατάσταση σε άλλη μικρότερης ενέργειας. Niels Henrik David Bohr: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής,1922

Το 1923, ο Γάλλος Λουί ντε Μπρέιγ υποστηρίζει ότι, αν το φως έχει δυαδική φύση, ίσως το ίδιο να ισχύει και για την ύλη. Έτσι, ήρθαν στο προσκήνιο τα υλικά κύματα. Τα ηλεκτρόνια, αλλά και όλα τα σωμάτια, φορτισμένα ή αφόρτιστα, παρουσιάζουν κυματικά χαρακτηριστικά. Η ύλη συμπεριφέρεται σε μερικές περιπτώσεις σαν σωμάτιο και σε άλλες σαν κύμα. Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής,1929 Ηλεκτρόνια και ιόντα σε κατάσταση πλάσματος (η 4η κατάσταση ύλης)

Στο πείραμα των δύο σχισμών (πείραμα του Γιάνγκ), τα ηλεκτρόνια περνάνε από δύο πολύ λεπτές σχισμές που βρίσκονται πολύ κοντά η μια στην άλλη. Για τη συμπεριφορά του ηλεκτρονίου παίζει σημαντικό ρόλο ο παρατηρητής. Έτσι, όταν το ηλεκτρόνιο δεν έχει παρατηρητή, συμπεριφέρεται σαν κύμα. Όταν όμως έχει παρατηρητή, συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο!

Σύμφωνα με την αρχή της απροσδιοριστίας του Γερμανού φυσικού Βέρνερ Χάιζενμπεργκ που διατυπώθηκε το δεν μπορούμε να προσδιορίσουμε ταυτόχρονα με απεριόριστη ακρίβεια τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου. Η ύλη και το φως είναι σαν δύο όμοια νομίσματα που επιδεικνύουν είτε τη μια είτε την άλλη όψη τους, όχι όμως και τις δύο ταυτόχρονα. Werner Karl Heisenberg : Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1932

Η εξίσωση του Σρέντινγκερ: Ο Αυστριακός Έρβιν Σρέντινγκερ το 1926 περιγράφει πώς μεταδίδεται κάθε υλικό κύμα στο χώρο και το χρόνο, με μία εξίσωση η οποία περιέχει μία ποσότητα Ψ που ονομάζεται κυματοσυνάρτηση. Για ένα σωμάτιο, η ποσότητα Ψ2 σε οποιοδήποτε σημείο, μας δίνει την πιθανότητα να βρίσκεται το σωμάτιο στο σημείο αυτό. Erwin Schrödinger: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1933 Η εξίσωση του Σρέντινγκερ:

Η γάτα του Σρέντινγκερ

Ο Άγγλος φυσικός Τζέιμς Τσάντγουικ ύστερα από πειράματα το 1932 ανακαλύπτει ένα σωματίδιο του πυρήνα χωρίς φορτίο, που ονομάστηκε νετρόνιο. James Chadwick : Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1935 Την ίδια χρονιά ο Βόλφγκανγκ Πάουλι προσπαθώντας να ερμηνεύσει τα πειραματικά αποτελέσματα της β-διάσπασης του πυρήνα υποθέτει την ύπαρξη ενός πολύ μικρού σωματιδίου στο οποίο δόθηκε το όνομα νετρίνο. Η ύπαρξή του επιβεβαιώθηκε το 1958. Τα νετρίνο είναι σωματίδια χωρίς φορτίο και έχουν μηδαμινή μάζα με αποτέλεσμα να διαπερνούν την ύλη ανεμπόδιστα!

Ο Αμερικανός φυσικός Καρλ Ντέιβιντ Άντερσον ανακάλυψε ένα σωματίδιο ίδιας μάζας με το ηλεκτρόνιο, αλλά με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Το σωματίδιο αυτό ονομάστηκε ποζιτρόνιο (positive electron). Η ανακάλυψή του ανακοινώθηκε το 1932. Carl David Anderson: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1936

Η ανακάλυψη των κουάρκ… Μεγάλη πρόοδος στη Σωματιδιακή Φυσική ήρθε στις αρχές της δεκαετίας του ’60 όταν με την ανάπτυξη της τεχνολογίας οι φυσικοί είχαν ήδη ανακαλύψει πολλά σωματίδια στην κοσμική ακτινοβολία και στους επιταχυντές. Το έτος 1964 ο Αμερικανός φυσικός Μάρεϊ Γκελ-Μαν μελετώντας τις ιδιότητες των σωματιδίων αυτών έκανε μια σχηματική ταξινόμησή τους και έβγαλε το συμπέρασμα ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια πρέπει να αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια, που τα ονόμασε κουάρκ. Πρότεινε 3 διαφορετικά κουάρκ, το πάνω (up) με φορτίο +2/3, το κάτω (down) με φορτίο -1/3 και το παράδοξο (strange) με φορτίο +2/3. Murray Gell-Mann: Νόμπελ Φυσικής 1969

Ταξινόμηση των σωματιδίων

Με παρόμοιο τρόπο, ο Ρώσος χημικός Μεντελέγιεφ το 1869 είχε κάνει μια ταξινόμηση των χημικών στοιχείων όταν παρατήρησε μια περιοδικότητα στις ιδιότητές τους και έφτιαξε τον Περιοδικό Πίνακα. Η περιοδικότητα στις ιδιότητες των ατόμων και υποατομικών σωματιδίων και στις δύο περιπτώσεις, μας έδωσε στοιχεία για τη δομή τους…

Έγιναν πολλά πειράματα σε επιταχυντές (SLAC-Καλιφόρνια, Fermilab-Σικάγο, CERN-Ελβετία) στα οποία επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη των κουάρκ. Ο γραμμικός επιταχυντής στο Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) των ΗΠΑ. Είναι μήκους περίπου 3km και φτάνει σε ενέργειες περίπου 50 GeV. Fermilab

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN,ο μεγαλύτερος στον κόσμο, στα σύνορα Γαλλίας-Ελβετίας, έχει περιφέρεια 27km και βρίσκεται σε βάθος μεταξύ 50 και 175 μέτρων περίπου.

Το 1974 βρέθηκε το γοητευτικό (charm) και το 1977 το πυθμένιο (bottom). Το έκτο και τελευταίο κουάρκ, το κορυφαίο (top), ανακαλύφθηκε 20 χρόνια αργότερα στο Fermilab. Είναι ένας πραγματικός γίγαντας στον κόσμο των κουάρκ, περίπου 100000 φορές βαρύτερο από τα up και down! Τα κουάρκ δεν παρατηρούνται ελεύθερα, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με πολύ ισχυρές δυνάμεις.

Η συνηθισμένη ύλη γύρω μας αποτελείται κυρίως από 4 στοιχειώδη σωματίδια: Το πάνω κουάρκ, το κάτω κουάρκ, το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο του ηλεκτρονίου.

E=mc2 Τι είναι η αντιΰλη; Κάθε σωματίδιο έχει και το αντισωματίδιό του, δηλαδή ένα σωματίδιο με ίδια μάζα, αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου είναι το ποζιτρόνιο και έχει θετικό φορτίο! Όλα αυτά τα αντισωματίδια αποτελούν την αντιύλη. Όταν ένα σωματίδιο συγκρουσθεί με το αντισωματίδιό του γίνεται εξαΰλωση, η ύλη μετατρέπεται σε ενέργεια! E=mc2 Η ενέργεια ισοδυναμεί με τη μάζα και η μια μπορεί να μετατραπεί στην άλλη, όπως πρότεινε ο Αϊνστάιν το 1905.

Πρωτόνιο και αντιπρωτόνιο

Όταν συγκρούονται πρωτόνια με αντιπρωτόνια παράγονται ζεύγη από κορυφαία κουάρκ (top quarks)

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) είναι μια θεωρία που περιγράφει τα συστατικά της ύλης και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις. Τα στοιχειώδη σωματίδια χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: Α) Τα σωματίδια δομής (φερμιόνια): κουάρκ και λεπτόνια και Β) Τα σωματίδια φορείς (μποζόνια): 8 γκλουόνια (ισχυρή αλληλεπίδραση), φωτόνιο (ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση), W+,W-,Z0 (ασθενής αλληλεπίδραση) και βαρυτόνιο (βαρυτική αλληλεπίδραση). Οι δυνάμεις που εμφανίζονται στη Φύση οφείλονται σε ανταλλαγές των σωματιδίων αυτών. Το βαρυτόνιο δεν έχει ακόμα παρατηρηθεί σε κανένα εργαστήριο, ίσως γιατί δεν έχουμε ακόμα την κατάλληλη τεχνολογία, τα κατάλληλα «μικροσκόπια»…

Ο «ανήσυχος» εσωτερικός κόσμος ενός πρωτονίου, γεμάτος από κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουόνια

Τα αδρόνια σχηματίζονται με συνδυασμούς κουάρκ: Τα βαρυόνια σχηματίζονται με συνδυασμό 3 κουάρκ ενώ τα μεσόνια με συνδυασμό 1 κουάρκ με 1 αντικουάρκ.

Πώς δημιουργήθηκε το Σύμπαν;

Μια από τις πιο γνωστές θεωρίες για τη δημιουργία του Σύμπαντος είναι η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Bing Bang). Σύμφωνα με αυτήν, το Σύμπαν δημιουργήθηκε πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου, από μια πολύ πυκνή και θερμή κατάσταση, που ονομάζεται quark-gluon plasma.

Στην κατάσταση αυτή τα κουάρκ ήταν ελεύθερα και μαζί με τα γκλουόνια και άλλα υποατομικά σωματίδια σχημάτιζαν μια καυτή «σούπα» πρωταρχικής ύλης. Καθώς το Σύμπαν κρύωνε, τα κουάρκ ενώθηκαν και σχημάτισαν σωματίδια σαν τα πρωτόνια και νετρόνια. Ένα από τα προβλήματα που απασχολούσε τους φυσικούς ήταν πώς τα σωματίδια αυτά απέκτησαν μάζα.

Τι είναι το μποζόνιο Higgs;

Ο θεωρητικός φυσικός και καθηγητής του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου Peter Higgs, το 1964 διατύπωσε τη θεωρία του, σύμφωνα με την οποία παντού στο Σύμπαν υπάρχει ένα πεδίο (πεδίο Higgs). Όπως ένα δοχείο με μέλι επιδρά σε μια σφαίρα που κινείται μέσα του και την επιβραδύνει, κατά ανάλογο τρόπο το πεδίο αυτό ασκεί δυνάμεις στα σωματίδια που κινούνται μέσα του, με αποτέλεσμα να αντιμετωπίζουν μια δυσκολία στην κίνησή τους αυτή, δηλαδή να αποκτούν μάζα. Το σωματίδιο που σχετίζεται με αυτή την αλληλεπίδραση (μέσω της οποίας αποκτούν μάζα τα σωματίδια) είναι ένα σωματίδιο, το σωματίδιο Higgs ή «σωματίδιο του Θεού», όπως συνηθίζεται να λέγεται.

Χρειάστηκε να περάσουν περίπου 50 χρόνια για να ανακαλυφθεί πειραματικά το σωματίδιο αυτό, όταν το Δεκέμβριο του 2011 στο CERN, δύο ανεξάρτητα πειράματα (CMS και ATLAS) στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων LHC (Large Hardon Collider) έδειξαν την ύπαρξη του σωματιδίου Higgs. Στις 4 Ιουλίου 2012 οι επιστήμονες του CERN επιβεβαίωσαν την ανακάλυψη του Higgs με απόκλιση 5σ (99,99995%).

LHC

Σωματίδιο Higgs

Θερμιδόμετρο

CMS

ATLAS

Η τεχνολογία που σχετίζεται με το πείραμα αυτό, το «πείραμα του αιώνα», αναμένεται να έχει στο μέλλον χρήσεις και στην καθημερινή μας ζωή. Οι ανακαλύψεις της επιστήμης «σπρώχνουν» την τεχνολογία να αναπτυχθεί με πιο γρήγορους ρυθμούς. Ας μην ξεχνάμε ότι το WWW ξεκίνησε στο CERN τον Μάρτιο του 1989 από την ανάγκη γρήγορης μετάδοσης της πληροφορίας σε όλον τον κόσμο.

Μεγαλύτερες απαιτήσεις στην ανταλλαγή των δεδομένων οδήγησαν στη δημιουργία του Grid, το οποίο περιλαμβάνει κατανεμημένα υπολογιστικά συστήματα ανωτέρου επιπέδου που μπορούν να βρίσκονται σε πολύ μεγάλη απόσταση μεταξύ τους.

Υπάρχουν όμως πολλά ερωτήματα στα οποία το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν μπορεί να απαντήσει…

Δεν μπορεί να ενοποιήσει τις θεμελιώδεις δυνάμεις σε μία μόνο δύναμη, αφού δεν έχει βρεθεί ακόμα μια θεωρία για τη βαρυτική δύναμη παρόμοια με εκείνες των άλλων δυνάμεων. Αυτό ήταν και το όνειρο του Αϊνστάιν, προκειμένου να γίνει ο Κόσμος καλύτερα αντιληπτός. Δεν μπορεί να εξηγήσει το μυστήριο της αντιΰλης. Ύλη και αντιΰλη υπήρξαν σε ίσες ποσότητες τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, αλλά μέχρι τώρα δεν έχει παρατηρηθεί στο Σύμπαν αντιΰλη. Από τη συνολική μάζα του Σύμπαντος μόνο το 4% είναι ορατό. Το 21% είναι σκοτεινή ύλη, δηλαδή ύλη που δεν μπορούμε να δούμε και το υπόλοιπο 75% αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια, ένα είδος ενέργειας που φαίνεται να σχετίζεται με μια δύναμη που δρα αντίθετα από τη βαρύτητα, προκαλώντας τη διαστολή του Σύμπαντος.

Για την ερμηνεία όλων αυτών, υπάρχουν διάφορες θεωρίες, όπως: η Θεωρία των Χορδών, η οποία θεωρεί ότι τα σωματίδια είναι δονούμενες χορδές η Θεωρία των Υπερχορδών, μια πιο εξελιγμένη θεωρία που προσπαθεί να περιγράψει τις δυνάμεις και να τις ενοποιήσει σε μία η Υπερσυμμετρία η οποία, προσπαθώντας να ερμηνεύσει τη σκοτεινή ύλη, διπλασιάζει τα σωματίδια που έχουν ανακαλυφθεί και υποστηρίζει ότι κάθε σωματίδιο έχει και έναν εταίρο, το υπερσυμμετρικό του σωματίδιο.

Απαντήσεις σε όλα αυτά και νέες ανακαλύψεις περιμένουμε από τα πειράματα που γίνονται στον LHC, εκεί όπου το ταξίδι στη διάσταση των στοιχειωδών σωματιδίων συνεχίζεται...

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Φυσική Halliday-Resnick CERN LHC the guide ΙΣΤΟΣΕΛΙΔΕΣ INTERNET http://www.physics.ntua.gr/POPPHYS/0.html http://el.wikipedia.org/wiki http://images.google.com/