Περίληψη της Περιπέτειας των Σωματιδίων

Ο ΚΟΣΜΟΣ ΣΕ ΚΛΙΜΑΚΑ ΜΙΚΡΟΤΕΡΗ ΑΠΟ ΤΟ ΑΤΟΜΟ

Τα Σωματίδια πριν από τους Επιταχυντές

Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1930 οι επιστήμονες πίστευαν ότι καταλαβαίνουν την θεμελιώδη δομή της ύλης εξ ολοκλήρου. Μερικές δεκαετίες πριν, ο Rutherford είχε αποδείξει ότι τα άτομα είχαν ένα μικροσκοπικό αλλά με μεγάλη μάζα πυρήνα. Η κβαντική θεωρία μπορούσε να εξηγήσει το φάσμα των ατόμων καθώς και τις τροχιές των ηλεκτρονίων. Η ανακάλυψη των νετρονίων έδωσε την εξήγηση για την ύπαρξη των ισοτόπων. Άρα τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια παρείχαν τα δομικά υλικά της ύλης. Υπήρχαν όμως και μερικές αναπάντητες ερωτήσεις:
Τι είναι αυτό που κρατά τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί στον πυρήνα;
Ποιες είναι δυνάμεις που ευθύνονται για τις ραδιενεργές διασπάσεις που μας δίνουν τις ακτίνες άλφα, βήτα και γάμα;

Η Eισαγωγή των Eπιταχυντών

Για να μελετήσουν τον πυρήνα και τις αλληλεπιδράσεις των πρωτονίων και των νετρονίων που τον αποτελούν, οι φυσικοί χρειάστηκαν ένα εργαλείο που θα μπορούσε να "δει" μέσα στον μικροσκοπικό πυρήνα, όπως ακριβώς τα πειράματα σκέδασης του Rutherford μπόρεσαν να "δουν" μέσα στο άτομο. Αυτό το εργαλείο είναι ο επιταχυντής, που παρέχει σωματίδια με πολύ μεγάλη ορμή που συνεπάγεται μικρό μήκος κύματος και δίνει στους φυσικούς την δυνατότητα να μελετήσουν την υφή του πυρήνα. Το μήκος κύματος (

) είναι αντιστρόφως ανάλογο προς την ορμή (p) του σωματιδίου (

= h/p), όπου h = η σταθερά του Planck.

Τα πειράματα μελετούν τις συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων υψηλής ενέργειας που παρέχονται από τους επιταχυντές. Στα σύγχρονα πειράματα μεγάλοι και πολύπλοκοι ανιχνευτές περιβάλουν το σημείο σύγκρουσης.

Η Έκρηξη των Σωματιδίων

Προς έκπληξη των φυσικών, τα πειράματα στους επιταχυντές αποκάλυψαν ότι ο κόσμος των σωματιδίων ήταν πολύ πλούσιος. Πολλά είδη σωματιδίων παρόμοια με τα πρωτόνια και τα νετρόνια (ονομάζονται βαρυόνια) καθώς και μια καινούρια οικογένεια σωματιδίων, τα μεσόνια, ανακαλύφθηκαν. Στις αρχές της δεκαετίας του 1960 περίπου εκατό τέτοια σωματίδια είχαν ταυτοποιηθεί αλλά οι φυσικοί δεν είχαν ακόμη καταλάβει τις θεμελιώδεις δυνάμεις.

Η Εισήγηση των Κουάρκ

Το 1964, δύο φυσικοί - οι Murray Gell-Mann και George Zweig - είχαν την ιδέα ότι τα πρωτόνια, τα νετρόνια και όλα αυτά τα καινούρια σωματίδια θα μπορούσαν να εξηγηθούν από μια ομάδα ακόμη μικρότερων αντικειμένων που ο Gell-Mann ονόμασε κουάρκ. Μπόρεσαν να εξηγήσουν όλα

τα βαρυόνια και τα μεσόνια που είχαν παρατηρηθεί με τρία είδη κουάρκ - σήμερα ονομάζονται up(πάνω), down(κάτω), και strange(παράξενο)- καθώς και τα αντικουάρκ τους. Το επαναστατικό μέρος της ιδέας τους είναι ότι έπρεπε να ορίσουν για τα κουάρκ ηλεκτρικό φορτίο 2/3 και -1/3 του φορτίου του πρωτονίου. Τέτοιο κλασματικό φορτίο δεν είχε ποτέ παρατηρηθεί!

Τα αντικουάρκ είναι τα αντίστοιχα σωματίδια αντιύλης των κουάρκ. Έχουν την ίδια μάζα αλλά αντίθετο φορτίο με τα αντίστοιχα κουάρκ. Όταν ένα κουάρκ βρεθεί με ένα αντικουάρκ, τότε εξαϋλώνονται, και εξαφανίζονται δίνοντας κάποια άλλη μορφή ενέργειας.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο

Σχεδόν τριάντα χρόνια μετά και αφού πραγματοποιήθηκαν πολλά πειράματα, η ιδέα των κουάρκ επιβεβαιώθηκε. Τώρα, αποτελεί μέρος του Καθιερωμένου Πρότυπου των Στοιχειωδών Σωματιδίων και Αλληλεπιδράσεων. Νέες ανακαλύψεις απέδειξαν ότι υπάρχουν έξι είδη κουάρκ (που έχουν μάλιστα παράξενα ονόματα όπως up (πάνω), down (κάτω), strange (παράξενο), charm (χαριτωμένο), bottom (χαμηλό), και top (ψηλό), κατά αύξουσα σειρά σύμφωνα με την μάζα τους). Επίσης υπάρχουν έξι είδη σωματιδίων, συπεριλαμβανομένου του ηλεκτρονίου, που ονομάζονται λεπτόνια. Το Καθιερωμένο Πρότυπο μπορεί να αιτιολογήσει τις ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις των κουάρκ και των λεπτονίων και μ' αυτό τον τρόπο εξηγεί την γενική εικόνα της πυρηνικής σύνδεσης και των διασπάσεων.

Τα Σωματίδια που Αποτελούνται από Κουάρκ

Ο λόγος που κλασματικά ηλεκτρικά φορτία όπως αυτά των κουάρκ δεν έχουν ποτέ παρατηρηθεί είναι επειδή τα κουάρκ δεν μπορούν ποτέ να βρεθούν μόνα τους παρά μόνο σε σύνθετα σωματίδια που ονομάζονται αδρόνια. Υπάρχουν δύο είδη αδρονίων : τα βαρυόνια που περιέχουν τρία κουάρκ και τα μεσόνια που περιέχουν ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ. Ο πίνακας των αδρονίων στην αφίσα του Καθιερωμένου Πρότυπου περιέχει μερικά παραδείγματα από τα πολλά γνωστά σωματίδια. Σωματίδια που αποτελούνται από τα πρώτα πέντε είδη κουάρκ έχουν παραχθεί και παρατηρηθεί στους επιταχυντές. Επειδή το κουάρκ τύπου t (top) έχει τόσο μεγάλη μάζα χρειάστηκαν πολλά χρόνια και επιταχυντές με πάρα πολύ μεγάλη ενέργεια για να παραχθεί. Το κουάρκ τύπου t ανακαλύφθηκε τον Απρίλιο του 1995 στο Fermilab.

Τα Λεπτόνια

Αντίθετα με τα κουάρκ, το καθένα από τα έξι λεπτόνια μπορεί να βρεθεί μόνο του. Το ηλεκτρόνιο είναι το πιό γνωστό από τα λεπτόνια. Δύο ακόμη φορτισμένα λεπτόνια, το μιόνιο (ανακαλύφθηκε το 1936) και το ταυ (ανακαλύφθηκε το 1975) διαφέρουν από το ηλεκτρόνιο μόνο στο ότι

έχουν μεγαλύτερη μάζα.

Τα άλλα τρία λεπτόνια είναι πιό δυσκολοθώρητα και ονομάζονται νετρίνο, δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και πάρα πολύ μικρή, αν όχι μηδέν, μάζα. Υπάρχει ένα είδος νετρίνο που αντιστοιχεί σε κάθε είδος φορτισμένου λεπτονίου. Για κάθε ένα από τα έξι λεπτόνια υπάρχει ένα αντιλεπτόνιο που έχει ίση μάζα και αντίθετο φορτίο.

Δυνάμεις και Αλληλεπιδράσεις

Τώρα ξέρουμε τα δομικά υλικά της ύλης, αλλά πρέπει επίσης να ρωτήσουμε: Τι τα κρατά μαζί; Όλες οι δυνάμεις οφείλονται στις υποκείμενες αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων. Υπάρχουν τέσσαρες αλληλεπιδράσεις: η βαρύτητα, η ηλεκτρομαγνητική, η ισχυρή και η ασθενής. Ίσως η βαρύτητα είναι η αλληλεπίδραση με την οποία είμαστε πιο εξοικειωμένοι, αλλά δεν συμπεριλαμβάνεται στο Καθιερωμένο Πρότυπο επειδή η επίδραση της στις σωματιδιακές αλληλεπιδράσεις είναι αμελητέα. Επιπλέον, οι φυσικοί δεν έχουν ακόμη βρει τον τρόπο που θα τους επιτρέψει να την συμπεριλάβουν στο Καθιερωμένο Πρότυπο.

Είμαστε επίσης εξοικειωμένοι με τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που κρατούν τα ηλεκτρόνια συνδεδεμένα με τους πυρήνες και σχηματίζουν τα ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα. Τα άτομα ενώνονται και σχηματίζουν μόρια ή κρυστάλλους λόγω των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων που οφείλονται στο φορτίο της υφής τους. Οι περισσότερες από τις δυνάμεις που συναντάμε στην καθημερινή μας ζωή οφείλονται στις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, όπως για παράδειγμα η τριβή που οφείλεται στην αντίσταση των ατόμων ή των ηλεκτρονίων να μετακινηθούν από την θέση ισορροπίας τους μέσα στο υλικό.

Στα σωματιδιακά φαινόμενα οι δυνάμεις περιγράφονται με την ανταλλαγή των σωματιδίων φορέων των δυνάμεων. Το σωματίδιο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης είναι το φωτόνιο. Το φωτόνιο που προέρχεται από πυρηνικές μεταπτώσεις ονομάζεται ακτίνα γάμα.

Για αποστάσεις μεγαλύτερες από το μέγεθος του πυρήνα του ατόμου οι εναπομένουσες δύο δυνάμεις έχουν αμελητέα επίδραση και γι' αυτό δεν τις προσέχουμε στην καθημερινή μας ζωή. Εξαρτόμαστε όμως από αυτές για την ύπαρξη όλων αυτών των υλικών από τα οποία είναι φτιαγμένος ο κόσμος καθώς και για τις διασπάσεις που κάνουν κάποιες μορφές της ύλης ασταθείς.

Η ισχυρή δύναμη συνδέει τα κουάρκ για την δημιουργία των αδρονίων. Τα σωματίδια φορείς της ισχυρής δύναμης που ονομάζονται γκλουόνια (από την αγγλική λέξη glue που σημαίνει κόλα) "κολλούν" τα κουάρκ μεταξύ τους. Η δέσμευση των πρωτονίων και των νετρονίων για τον σχηματισμό του πυρήνα είναι αποτέλεσμα του φαινομένου της εναπομένουσας ισχυρής αλληλεπίδρασης επειδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια περιέχουν τα κουάρκ και τα γκλουόνια που αλληλεπιδρούν μέσω της ισχυρής δύναμης. Τα λεπτόνια δεν επηρεάζονται από τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις.

Το φαινόμενο κατά το οποίο ένα κουάρκ μπορεί να μετατραπεί σε ένα άλλο κουάρκ ή ένα λεπτόνιο σε ένα άλλο λεπτόνιο είναι το μόνο που οφείλεται στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Είναι υπεύθυνες για το γεγονός ότι τα βαρύτερα κουάρκ και λεπτόνια παράγουν ελαφρύτερα κουάρκ και λεπτόνια. Γι' αυτό τον λόγο η σταθερή ύλη γύρω μας αποτελείται μόνο από ηλεκτρόνια και τα δύο ελαφρύτερα είδη κουάρκ (τύπου u και d). Τα σωματίδια φορείς των ασθενών αλληλεπιδράσεων είναι τα μποζόνια W και Z. Η βήτα διάσπαση του πυρήνα είναι το πρώτο φαινόμενο οφειλόμενο στην ασθενή αλληλεπίδραση που παρατηρήθηκε: μέσα σ ένα πυρήνα που υπάρχει αρκετή ενέργεια ένα νετρόνιο μετατρέπεται σ' ένα πρωτόνιο ελευθερώνοντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα ηλεκτρονικό αντινετρίνο. Αυτή η διάσπαση αλλάζει τον ατομικό αριθμό του πυρήνα. Το ηλεκτρόνιο που προέρχεται από αυτή την διάσπαση ονομάζεται ακτίνα βήτα.

Μέχρι τώρα εξηγήσαμε τις ακτίνες βήτα και γάμα. Τι συμβαίνει όμως με τις ακτίνες άλφα; Το σωματίδιο άλφα είναι πυρήνας του στοιχείου ήλιο και αποτελεί ένα από τα προϊόντα της σχάσης του πυρήνα. Σχάση είναι το φαινόμενο κατά το οποίο ένας βαρύς πυρήνας διασπάται σε δύο μικρότερους πυρήνες και συμβαίνει όταν το άθροισμα των μαζών των μικρότερων πυρήνων είναι μικρότερο από την μάζα του αρχικού πυρήνα. Αυτό είναι ένα φαινόμενο που οφείλεται στην εναπομένουσα ισχυρή αλληλεπίδραση.

Ποιες Είναι οι Αναπάντητες Ερωτήσεις;

Το Καθιερωμένο Πρότυπο με τα έξι είδη κουάρκ, τα έξι λεπτόνια και τις τέσσαρες δυνάμεις δίνει απάντηση σε πολλές από τις ερωτήσεις σχετικά με την υφή και την σταθερότητα της ύλης.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο όμως αφήνει πολλές ερωτήσεις αναπάντητες: Γιατί υπάρχουν τρία είδη κουάρκ και λεπτόνια; Υπάρχει κάποιο πρότυπο για τις μάζες τους; Υπάρχουν, μήπως, περισσότερα είδη σωματιδίων και δυνάμεων που θα χρειαστεί ακόμη μεγαλύτερης ενέργειας επιταχυντές για να ανακαλυφθούν; Είναι τα κουάρκ και τα λεπτόνια στην πραγματικότητα θεμελιώδη σωματίδια ή έχουν υφή; Πως μπορούμε να συμπεριλάβουμε την βαρύτητα στο Καθιερωμένο Πρότυπο; Ποια σωματίδια αποτελούν την σκοτεινή ύλη του σύμπαντος;

Αυτού του είδους οι ερωτήσεις οδηγούν τους φυσικούς των υψηλών ενεργειών στο να κατασκευάσουν καινούριους επιταχυντές ώστε σε μεγαλύτερες ενέργειες να μπορέσουμε να βρούμε κάποιες ενδείξεις που θα μας οδηγήσουν στις απαντήσεις αυτών των ερωτήσεων.

Η Απόδοση στα Ελληνικά έγινε από τον Δρ. Γιώργο Τσιπολίτη

Επιστροφή στη βασική σελίδα