ΠΕΔΙΑ ΔΥΝΑΜΕΩΝ - ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ Η Φυσική[1] είναι η επιστήμη που ασχολείται με τη μελέτη της ύλης[2], της κίνησής της μέσα στο χώρο και στο χρόνο, μαζί με τις σχετικές ποσότητες, όπως η ενέργεια και η δύναμη[3]. Σύμφωνα με έναν ευρύτερο ορισμό, η Φυσική είναι η γενική ανάλυση της φύσης, που συνδέεται με τη προσπάθεια για κατανόηση της συμπεριφοράς του σύμπαντος.

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ (ΜΟΝΤΕΡΝΑ ΦΥΣΙΚΗ) ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ (ΜΟΝΤΕΡΝΑ ΦΥΣΙΚΗ) Η Μοντέρνα Φυσική άρχησε να λειτουργεί με τον Μαξ Πλανκ στην Κβαντική Θεωρία και τον Άλμπερτ Αϊνστάιν στη Θεωρία της Σχετικότητας. Συνεχίστηκε με την Κβαντομηχανική, με πρωτοπόρους επιστήμονες τους Βέρνερ Χάιζενμπεργκ (Werner Heisenberg), Έρβιν Σρέντινγκερ (Erwin Schrödinger) και Πολ Ντιράκ (Paul Dirac). Ο Ηλεκτρομαγνητισμός είναι η φυσική του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, ένα πεδίο της φυσικής που παράγεται από την παρουσία και την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων και αναπτύσσει δυνάμεις μεταξύ τους. Η ηλεκτροδυναμική περιγράφει τη συμπεριφορά των κινούμενων φορτισμένων σωματιδίων που αλληλεπιδρούν με ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Ο ηλεκτρομαγνητισμός περιγράφει διάφορα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα του απτού κόσμου. Ουσιαστικά, το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε ταλάντωση, το οποίο ακτινοβολείται από επιταχυνόμενα φορτισμένα σωματίδια. Πέρα από τη βαρύτητα, σχεδόν όλες οι δυνάμεις που αντιλαμβανόμαστε στην καθημερινή μας ζωή, είναι αποτέλεσμα του ηλεκτρομαγνητισμού.

ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ 1. Βαρυτική Αλληλεπίδραση Αυτή η αλληλεπίδραση είναι υπεύθυνη για τη συγκρότηση των γαλαξιών, για την περιφορά της Γης και των άλλων πλανητών γύρω από τον Ήλιο. Η επαναφορά μας στο έδαφος, όταν πηδάμε, οφείλεται στη βαρύτητα. Είναι η δύναμη που ασκείται μεταξύ όλων των σωμάτων και είναι πάντοτε ελκτική.

2. Ηλεκτρομαγνητική Αλληλεπίδραση Είναι υπεύθυνη για το "τίναγμα" που ασθανόμαστε όταν, περπατώντας πάνω σ' ένα χαλί, ακουμπάμε ένα σιδερένιο αντικείμενο. Είναι υπεύθυνη για τη λειτουργία όλων των ηλεκτρικών μηχανών. Αλλά είναι ακόμα υπεύθυνη για τη συγκρότηση των ατόμων: τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου συγκρατούμενα από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Ασκείται μεταξύ όλων των σωμάτων που έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Διακρίνουμε δυο ειδών φορτία: το θετικό και το αρνητικό. Τα ομόσημα φορτία (θετικό - θετικό ή αρνητικό - αρνητικό) απωθούνται ενώ τα ετερόσημα (θετικό - αρνητικό) έλκονται. Παραδείγματα φορτισμένων σωματιδίων είναι: το ηλεκτρόνιο (φορτίο -1), το πάνω (up) κουάρκ (φορτίο +2/3), ενώ το νετρίνο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο.

3. Ισχυρή Πυρηνική Αλληλεπίδραση Είναι η πρώτη από τις αλληλεπιδράσεις που δεν εμφανίζονται άμεσα στη καθημερινή μας ζωή. Η ισχυρή αλληλεπίδραση όμως είναι υπεύθυνη για την συγκρότηση των πυρήνων των ατόμων. Αυτή συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια ώστε να σχηματίσουν τον πυρήνα. Μην ξεχνάτε ότι οι δυνάμεις μεταξύ των ομόσημα (θετικά) φορτισμένων πρωτονίων είναι απωστικές. Τα σωματίδια που "αισθάνονται" την ισχυρή αλληλεπίδραση, όπως το πρωτόνιο και το νετρόνιο, λέγονται αδρόνια. Γνωρίζοντας τώρα ότι τα αδρόνια έχουν εσωτερική δομή, η θεμελιώδης αλληλεπίδραση είναι μεταξύ των κουάρκ που συγκροτούν τα αδρόνια (βλ. τον Πίνακα των Στοιχειωδών Σωματιδίων). Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ περιγράφεται από την κβαντική χρωμοδυναμική. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αδρονίων είναι, ακριβώς, εκφάνσεις αυτής της αλληλεπίδρασης.

ΚΑΙ 4. Ασθενής Πυρηνική Δύναμη Είναι η δεύτερη αλληλεπίδραση που δεν είναι άμεσα αντιληπτή. Παρ' όλα αυτά η σημασία της είναι σημαντική. Απλά αναφέρουμε εδώ, ως παράδειγμα, ότι μια από τις βασικές πυρηνικές αντιδράσεις που γίνονται στον ήλιο και τον κάνουν να μας φωτίζει, οφείλεται ακριβώς σ' αυτήν την αλληλεπίδραση. Όσα σωματίδια αισθάνονται την ασθενή αλλά όχι την ισχυρή αλληλεπίδραση τα ονομάζουμε λεπτόνια.

ΙΣΧΥΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΩΝ Ας βάλουμε τώρα σε μια σειρά τις τέσσερις αλληλεπιδράσεις ανάλογα με την ισχύ τους. Ας πάρουμε την πιο ισχυρή από αυτές, την Ισχυρή Πυρηνική Αλληλεπίδραση ( η οποία στη δεύτερη στήλη του Πίνακα των Αλληλεπιδράσεων της δίνουμε αυθαίρετα ισχύ 1) και ας συγκρίνουμε τις υπόλοιπες ως προς αυτήν. Η Ηλεκτρομαγνητική είναι περίπου 100 (για πιο ακρίβεια 137) φορές μικρότερη, ενώ η Ασθενής Πυρηνική Δύναμη είναι 100 000 φορές πιο ασθενής από τη Ισχυρή. Για τη Βαρυτική Αλληλεπίδραση, πραγματικά η ισχύς της είναι τραγικά μικρή: είναι 1038 (η μονάδα ακολουθούμενη από 38 μηδενικά!) φορές πιο ασθενής από την Ισχυρή. Γι' αυτό ακριβώς η βαρυτική αλληλεπίδραση δεν παίζει κανένα ρόλο στα πειράματα που γίνονται με στοιχειώδη σωματίδια. Την "σκεπάζουν" κυριολεκτικά οι άλλες αλληλεπιδράσεις. Το αποτέλεσμα είναι να μην μπορούμε να έχουμε από αυτά τα πειράματα στοιχεία για τη βαρυτική αλληλεπίδραση. Μόνο σε πειράματα όπου επεισέρχονται τεράστιες μάζες (αστέρων ή γαλαξιών) έχουμε τη δυνατότητα να δούμε τα αποτελέσματα αυτής της αλληλεπίδρασης.

ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ… Στις αρχές του 20ου αιώνα ο Αϊνστάιν (A. Einstein) ενοποίησε το χώρο και το χρόνο με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, ενώ η τελευταία ενοποίηση παρουσιάστηκε το 1967 και περιλαμβάνει την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή αλληλεπίδραση ως διαφορετικές όψεις μιας ενιαίας δύναμης: της ηλεκτρασθενούς.

Για κάθε αλληλεπίδραση υπάρχει ένας ή περισσότεροι φορείς, των οποίων η ανταλλαγή κάνει τα σωματίδια να "αισθάνονται" την αλληλεπίδραση. Για την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση ο φορέας είναι το φωτόνιο. Στη φυσική, τα W και Z μποζόνια είναι τα στοιχειώδη σωμάτια που μεταδίδουν την ασθενή αλληλεπίδραση. 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. Υπάρχουν δύο είδη μποζονίων W με ηλεκτρικό φορτίο +1 και −1. Το W+ είναι το αντισωματίδιο του W−. Το μποζόνιο Z (ή Z0) είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και ταυτίζεται με το αντισωματίδιό του. Και τα τρία σωμάτια ζουν πολύ λίγο, με χρόνο ζωής γύρω στα 3 × 10−25 δευτερόλεπτα.

ΜΠΟΖΟΝΙΑ ΚΑΙ ΜΠΟΖΟΝΙΟ ΧΙΓΚΣ Τα μποζόνια αυτά είναι τα βαρύτερα ανάμεσα στα στοιχειώδη σωματίδια. Με μάζα 80.4 και 91.2 GeV/c2 αντίστοιχα, τα σωμάτια W και Z0 είναι σχεδόν 100 φορές βαρύτερα από το πρωτόνιο — βαρύτερα από τα άτομα του σίδερου. Οι μάζες των μποζονίων αυτών είναι εξαιρετικά σημαντικές, καθώς περιορίζουν την εμβέλεια της ασθενούς πυρηνικής δύναμης.

Το γεγονός ότι τα W και Ζ μποζόνια έχουν μάζα, ενώ τα φωτόνια είναι άμαζα, υπήρξε ένα σημαντικό εμπόδιο κατά την ανάπτυξη της ηλεκτροασθενούς θεωρίας. Αυτά τα σωμάτια περιγράφονται με ακρίβεια από μία SU(2) θεωρία βαθμίδας, αλλά τα μποζόνια σε μια θεωρία βαθμίδας πρέπει να είναι άμαζα. Το φωτόνιο είναι άμαζο, καθώς ο ηλεκτρομαγνητισμός περιγράφεται από μια U(1) θεωρία βαθμίδας. Χρειάζεται λοιπόν κάποιος μηχανισμός ώστε να σπάσει η SU(2) συμμετρία, δίνοντας μάζα στα W και Z. Μία εξήγηση, ο μηχανισμός Χιγκς, προτάθηκε από τον Πίτερ Χιγκς στα τέλη του 1960. Προβλέπει την ύπαρξη ενός άλλου, νέου σωματιδίου, που ονομάζεται μποζόνιο Χιγκς.

Ο συνδυασμός της SU(2) θεωρίας βαθμίδας της ασθενούς αλληλεπίδρασης, της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης και του μηχανισμού Χιγκς είναι γνωστός ως μοντέλο Γκλάσοου-Γουάινμπεργκ-Σαλάμ (Glashow-Weinberg-Salam model). Σήμερα, η θεωρία είναι αποδεκτή και αποτελεί ένα από τα βασικά συστατικά του καθιερωμένου προτύπου της σωματιδιακής φυσικής. Οι εντατικές έρευνες για την ανίχνευση του μποζονίου Χιγκς, η ύπαρξή του οποίου παραμένει η βασική πρόβλεψη του καθιερωμένου μοντέλου, φαίνεται να αποδίδουν μετά την ανακοίνωση των επιστημόνων του CERN για πιθανή εύρεσή του στις 4 Ιουλίου 2012.

Το μποζόνιο αυτό φαίνεται να βρίσκεται στο ενεργειακό φάσμα μεταξύ 115 - 127 GeV, (με τα 125GeV να αντιστοιχούν σε μάζα ίση με 133 πρωτονίων). Η ανακάλυψή του θα βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση της δημιουργίας του σύμπαντος λύνοντας θέματα, στη θεωρία της μεγάλης έκρηξης, αμέσως μετά τα πρώτα κλάσματα του δευτερόλεπτου της γέννησης του σύμπαντος.

4 ΙΟΥΛΙΟΥ 2012 Στις 4 Ιουλίου 2012, οι επιστήμονες του CERN επιβεβαίωσαν την ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου με μάζα 126,5 GeV) με απόκλιση 5 σίγμα, που σημαίνει βεβαιότητα κατά 99,99995% και πως η παρατήρηση αυτή είναι επαληθεύσιμη και μπορεί να αναπαραχθεί οποτεδήποτε. Αυτό το σωματίδιο εικάζεται ότι είναι μποζόνιο και μάλιστα το βαρύτερο που έχει βρεθεί. Εικάζεται ότι το νέο σωματίδιο έχει χαρακτηριστικά του σωματίου Χιγκς, με επιφύλαξη ώσπου να φανεί ότι φέρει πράγματι και τις λοιπές, θεωρητικά, προβλεπόμενες ιδιότητές του.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ http://www.physics.ntua.gr/POPPHYS/articles/inter.html http://el.wikipedia.org/wiki/W_και_Z_μποζόνια http://el.wikipedia.org/wiki/Φυσική http://www.lhtm.des.upatras.gr/lhtm/images/CVs_Docs/PhD%20Full%20Kapaklis.pdf http://www.youtube.com/watch?v=jdYJf_ybyVo

ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ Νίκος Ράπτης Το τραγούδι : Ocean-John Butler