Νεότερες αντιλήψεις για τα πεδία – σωματίδια αλληλεπίδρασης

Παρουσίαση με θέμα: "Νεότερες αντιλήψεις για τα πεδία – σωματίδια αλληλεπίδρασης"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1

2 Νεότερες αντιλήψεις για τα πεδία – σωματίδια αλληλεπίδρασης
Νεότερες αντιλήψεις για τα πεδία – σωματίδια αλληλεπίδρασης Ετος Δάφνη Μπουκουβάλα Μιράντα Μπέκα Τμήμα: Β΄4

3 Θεμελιώδης αλληλεπίδραση
Ο όρος θεμελιώδης αλληλεπίδραση ή Θεμελιώδεις Δυνάμεις αφορά τον μηχανισμό σύμφωνα με τον οποίο τα διάφορα σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ο Πίνακας των Στοιχειωδών Σωματιδίων περιέχει τους δομικούς λίθους από τους οποίους αποτελείται η ύλη όλου του Σύμπαντος. Δεν μας λέει όμως, πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για να συγκροτήσουν αυτό το Σύμπαν. Στην καθημερινή ζωή μας, αντιλαμβανόμαστε ένα σχετικά μεγάλο αριθμό διαφορετικών δυνάμεων: ηλεκτρικές, βαρυτικές, μαγνητικές, τριβής κ.α. Όλο αυτό το πλήθος των διαφορετικών αλληλεπιδράσεων που συναντάμε στην ύλη, μπορεί να καταταχθεί σε τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις οι οποίες είναι: βαρυτική ηλεκτρομαγνητική ισχυρή πυρηνική ασθενής πυρηνική

4

5

6 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. 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. Ηλεκτρομαγνητική Αλληλεπίδραση

7 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. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ περιγράφεται από την κβαντική χρωμοδυναμική. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αδρονίων είναι, ακριβώς, εκφάνσεις αυτής της αλληλεπίδρασης. 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.

8

9 Σύγχρονες θεωρίες Στις μέρες μας οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι τα σωματίδια δεν αλληλεπιδρούν απ' ευθείας μεταξύ τους, αλλά η αλληλεπίδραση λαμβάνει μέρος μέσω των φορέων της εκάστοτε αλληλεπίδρασης, όπως είναι το φωτόνιο για την ηλεκτρομαγνητική. Μεγάλο κομμάτι της έρευνας σήμερα στο πεδίο της θεωρητικής φυσικής στρέφεται στην ενοποίηση των τεσάρων αυτών αλληλεπιδράσεων. Το πρώτο βήμα έγινε με την ενοποίηση του ηλεκτρισμού με τον μαγνητισμό (Τζέιμς Μάξγουελ). Η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής αλληλεπίδραση έχουν επίσης ενωθεί ως η ηλεκτροασθενής αλληλεπίδραση, στο όριο των χαμηλών ενεργειών. Οι μεγαλοενοποιημένες θεωρίες βαθμίδας φιλοδοξούν να ενοποιήσουν την ηλεκτροασθενή με την ισχυρή αλληλεπίδραση, ενώ παραμένει και η βαρύτητα, για την οποία έχουν διατυπωθεί αρκετές ανεπιβεβαίωτες θεωρίες, όπως η θεωρία Χορδών.

10 Θεωρία χορδών Είναι μοντέλα της φυσικής στα οποία τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία είναι μονοδιάστατα εκτεταμένα αντικείμενα (Χορδές), σε αντίθεση με την παραδοσιακή έννοια των σημειακών και αδιάστατων στοιχειωδών σωματιδίων. Οι θεωρίες χορδών αποφεύγουν με αυτό τον τρόπο τα προβλήματα και τις ανωμαλίες που προκύπτουν στις φυσικές θεωρίες λόγω της σημειακής φύσης των σωματιδίων. Στη μελέτη των θεωριών χορδών περιλαμβάνονται όχι μόνο μονοδιάστατα αντικείμενα, αλλά και αντικείμενα περισσότερων διαστάσεων, που καλούνται βράνες. Πρέπει να σημειωθεί, ωστόσο, ότι μέχρι σήμερα δεν έχει υπάρξει πειραματική επαλήθευση της θεωρίας χορδών. «Κατά την πορεία της, που ξεκίνησε πριν 40 χρόνια σχεδόν, η θεωρία των χορδών άρχισε σαν μια θεωρία των αδρονίων και κατέληξε να γίνει μια θεωρία του παντός,  ενδεχομένως και μια θεωρία του τίποτα.» Οι πρόσθετες έξι διαστάσεις στη θεωρία χορδών.

11 Η Ισχύς των Αλληλεπιδράσεων
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 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.

12

13

14 Ο Φορέας της Αλληλεπίδρασης: Το Φωτόνιο
Το πάντρεμα των δυο μεγάλων επιτεύξεων του 20 αιώνα, της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας και της Κβαντομηχανικής μας οδηγεί στην έννοια του φορέα (διαδότη) της αλληλεπίδρασης. Πράγματι, η Θεωρία της Σχετικότητας απαγορεύει την μετάδοση πληροφορίας με ταχύτητα μεγαλύτερη αυτής του φωτός ( περίπου χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο). Αυτό σημαίνει, για παράδειγμα, ότι αν έχουμε ένα φορτισμένο σωματίδιο και έξαφνα εμφανιστεί ένα δεύτερο, η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ τους δεν αναπτύσσεται ακαριαία. Το σωματίδιο-φορέας αναλαμβάνει αυτή τη δουλειά. 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.

15 Στο σχήμα βλέπουμε πώς το κάθε ηλεκτρόνιο "αντιλαμβάνεται" την ύπαρξη του άλλου με την ανταλλαγή του φωτονίου. Η θεωρία που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων με την ανταλλαγή φωτονίων ονομάζεται Κβαντική Ηλεκτροδυναμική και αποτελεί έναν από τους θριάμβους του ανθρώπινου πνεύματος. Περιγράφει με εκπληκτική ακρίβεια τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών Σωματιδίων.

16 Η διαδικασία της αλληλεπίδρασης
e e γ e e

17 Το Σωματίδιο W Τα σωματίδια, υπεύθυνα για την ασθενή αλληλεπίδραση, είναι τα W+, W- και Z0. Τα σωματίδια W παράγονται με διάφορους τρόπους κατά τις συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου στον LHC. Η παρακάτω σειρά εικόνων δείχνει ακριβώς αυτό. Για την καλύτερη παρουσίαση τους χρησιμοποιούνται τα διαγράμματα Feynman. Παραγωγή W+ και W-

18 Διασπάσεις των σωματιδίων W
Το σωματίδιο W είναι βαρύ (80,4 GeV/c2) και διασπάται άμεσα μετά την παραγωγή του. Τα δύο τρίτα των διασπάσεών του οδηγούν σε παραγωγή ζεύγους κουάρκ και αντικουάρκ (διαφορετικού είδους). Το ένα τρίτο των διασπάσεων οδηγεί σε ζευγάρι λεπτονίου και νετρίνο. Επομένως, τα τρία λεπτόνια, ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ παρουσιάζονται με ίσες πιθανότητες. Το ταυ διασπάται πριν προλάβει να ανιχνευθεί. Στα γεγονότα μας ψάχνουμε για διασπάσεις των W σε ηλεκτρόνια (ή ποζιτρόνια) και σε μιόνια (ή αντιμιόνια). Έτσι, παίρνουμε τα παρακάτω διαγράμματα Feynman :

19 Γεγονότα με ενδείξεις στον ανιχνευτή, όπως αυτές που είδαμε στα τελευταία τέσσερα διαγράμματα, θεωρούνται ως γεγονότα σήματα στα δεδομένα μας. Αποτελούν αδιαμφισβήτητη ένδειξη ότι ένα σωματίδιο W παρουσιάστηκε για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Όλα τα άλλα γεγονότα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως γεγονότα υπόβαθρου. Ας δούμε πιθανά γεγονότα υπόβαθρου σ' αυτή την τελευταία σειρά εικόνων. Γεγονότα υπόβαθρου Κατά τη σύγκρουση πρωτονίων παράγονται όχι μόνο σωματίδια W αλλά και Z0. Και αυτά τα σωματίδια διασπώνται αμέσως μετά την παραγωγή τους:

20 Οι Φορείς των άλλων Αλληλεπιδράσεων
Φορείς έχουν και οι άλλες αλληλεπιδράσεις. Η συνεπής περιγραφή της ασθενούς αλληλεπίδρασης απαιτεί την ύπαρξη τριών φορέων: Z0, W- και W+ (ο πρώτος ηλεκτρικά ουδέτερος ενώ οι άλλοι δυο αρνητικά και θετικά φορτισμένοι αντίστοιχα). Η ανάγκη ενός μόνο φορέα για την περιγραφή της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης και τριών για την ασθενή αντανακλά το μαθηματικό υπόβαθρο της θεωρίας που στηρίζεται στη Θεωρία των Ομάδων. Η ισχυρή αλληλεπίδραση, στο επίπεδο των κουάρκ, απαιτεί οκτώ φορείς που ονομάζουμε γκλουόνια (gluons) τα οποία ανταλλάσσονται μεταξύ των κουάρκ.Τέλος η βαρυτική αλληλεπίδραση, παρόλο που δεν έχουμε μια συνεπή θεωρία περιγραφής της ανάλογη με τις άλλες αλληλεπιδράσεις, πιστεύουμε ότι έχει τον δικό της φορέα: το βαρυτόνιο.

21 Η Ενοποίηση των Αλληλεπιδράσεων
Η έννοια της Ενοποίησης μπορεί να θεωρηθεί ως μια έμμονη ιδέα, όχι μόνο των Φυσικών, αλλά και πολλών άλλων ερευνητικών τομέων, ενώ ταυτόχρονα οι ρίζες της είναι πολύ παλιές. Η ενοποίηση προσπαθεί να περιγράψει: όσο το δυνατόν πιο πολλά χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν πιο λίγα Η τετράδα του Αριστοτέλη φωτιά, νερό, αέρας και γη αποτελούσε μια πρώτη ενοποίηση περιγραφής της ύλης. Η πρώτη σοβαρή ενοποίηση έγινε μόλις τον 17ο αιώνα όταν ο Νεύτωνας (I. Newton) ενοποίησε την ουράνια με την επίγεια μηχανική. Την επόμενη ενοποίηση πραγματοποίησε ο Μάξουελ (J.C. Maxwell) τον 19ο αιώνα που περιέγραψε με τις τέσσερις περίφημες εξισώσεις του όλα τα γνωστά έως τότε (και όσα εμφανίστηκαν στο μέλλον!) φαινόμενα του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού καθιερώνοντας τον ηλεκτρομαγνητισμό. 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 στα 1967 και περιλαμβάνει την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή αλληλεπίδραση ως διαφορετικές όψεις μιας ενιαίας δύναμης: της ηλεκτρασθενούς. Μετά από πολλές θετικές πειραματικές ενδείξεις, το 1982 ανακαλύφθηκε στο CERN (στη Γενεύη), το σωματίδιο Z0, ο φορέας της ασθενούς αλληλεπίδρασης, με όλες τις ιδιότητες που προέβλεπε η νέα θεωρία.

22 Τα σωματίδια αλληλεπίδρασης
Τα σωματίδια αλληλεπίδρασης σε… Comics!

23

24

25 Γιατί…. Σε αυτόν τον κόσμο… δεν είναι τα πάντα μετρήσιμα  !

26 ευχαριστούμε…!!!!! τέλος