Το τρελό θηριοτροφείο των σωματιδίων
ΠΡΩΤΗ ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΗ
Από τον Σπύρο Μαργέτη (*)
Το “σωματίδιο του Θεού” και το
Σταθερό Μοντέλο της Φυσικής
v
Όλα όσα θέλετε να μάθετε για τα λεπτόνια, τα μποζόνια, τα μιόνια και τα κουάρκ και ντρέπεστε να ρωτήσετε!
Το Σταθερό Μοντέλο (Standard Model) δέχεται ότι για να φτιάξεις το στιφάδο του υλικού κόσμου χρειάζεσαι τρία βασικά υλικά: τα κουάρκ, τα λεπτόνια και τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις. Πηγή: News media
v
ΣΤΑ ΜΕΣΑ του 20ου αιώνα, οι φυσικοί ανέπτυξαν μια θεωρία, γνωστή σαν Σταθερό Μοντέλο, η οποία εξηγεί όλες τις γνωστές δυνάμεις και τα υποατομικά στοιχεία που βρίσκονται στο σύμπαν. Ας δούμε όμως τι λέει αυτή η θεωρία, για την ολοκλήρωσή της οποίας θεωρείται σημαντική η ανακάλυψη το μποζόνιου Χιγκς.
Το Σταθερό Μοντέλο σωματιδίων και δυνάμεων έχει επικρατήσει κάθε άλλης θεωρίας επειδή παρέχει στους φυσικούς τη δυνατότητα να καταλάβουν τον τρόπο με τον οποίο σχετίζονται μεταξύ τους όλα τα σωματίδια που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι τώρα, μέσω της μαθηματικής περιγραφής που προσφέρει.
Ως γνωστόν, κάθε άτομο έχει έναν πυρήνα, πέριξ του οποίου περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας κάθε ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Εισχωρώντας βαθύτερα, διαπιστώνουμε ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από κουάρκ. Όλα αυτά τα σωματίδια κρατιούνται στις θέσεις τους από πανίσχυρες δυνάμεις.
v
Σωματίδια και δυνάμεις
Ας αρχίσουμε με τα υποατομικά σωματίδια, τα οποία χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τα κουάρκ και τα λεπτόνια.
Κουάρκ. Υπάρχουν σε έξι καταστάσεις ή «γεύσεις» – Επάνω, Κάτω, Χαριτωμένο, Παράξενο, Κορυφαίο (ή Αληθινό) και Ωραίο (ή Πυθμένας). Αυτό που πρέπει να έχουμε υπόψη είναι ότι τα κουάρκ ποτέ δεν εμφανίζονται μόνα τους.
Για παράδειγμα, δύο Επάνω και ένα Κάτω κουάρκ φτιάχνουν ένα πρωτόνιο. Επίσης, δύο Κάτω και ένα Επάνω φτιάχνουν ένα νετρόνιο. Όλοι αυτοί οι συνδυασμοί ονομάζονται βαρυόνια (baryons) από την ελληνική λέξη για τη βαρύτητα.
v
Δύο Επάνω και ένα Κάτω κουάρκ φτιάχνουν ένα πρωτόνιο. Δύο Κάτω και ένα Επάνω φτιάχνουν ένα νετρόνιο. Στα βαρυόνια, σωματίδια και αντισωματίδια ποτέ δεν συναντώνται μαζί στο ίδιο βαρυόνιο. Πηγή: News media
v
Τρία, λοιπόν, κουάρκ φτιάχνουν ένα πρωτόνιο. Κάθε κουάρκ έχει ένα ηλεκτρικό φορτίο συν ή πλην 1/3, ή συν ή πλην 2/3. Γι’ αυτό, όταν συνδυάζονται δύο κουάρκ δίνουν άθροισμα συν ένα, μείον ένα, ή μηδέν (+1/3 +2/3 = +1), (–1/3 –2/3 = –1), (+1/3 –1/3 = 0).
Αυτό εξηγεί γιατί τα πρωτόνια έχουν ηλεκτρικό φορτίο της τάξης του ένα, ενώ τα νετρόνια δεν έχουν καθόλου.
Για κάποιο μαγικό όμως λόγο, τα κουάρκ με θετικό φορτίο συνδυάζονται μόνο με θετικά και αυτά με αρνητικό φορτίο μόνο με αρνητικά. Δεν μπορούν να συνδυαστούν, ας πούμε, το –1/3 με το +2/3 για να προκύψει κάποιο άλλο άθροισμα.
Τα άλλα τρία κουάρκ, το Παράξενο, το Χαριτωμένο και το Ωραίο, είναι βαρύτερα από το Επάνω και το Κάτω. Αυτό δεν σημαίνει ότι έχουν μάζα – το αντίθετο μάλιστα. Είναι σαν τα φαντάσματα –άδηλα και φευγαλέα– και εμφανίζονται για τόσο λίγο χρονικό διάστημα, ώστε η παρουσία τους γίνεται αισθητή στις δέσμες των επιταχυντών και στην κοσμική ακτινοβολία. Οι φυσικοί πιστεύουν ότι τα σωματίδια αυτά υπήρχαν στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος.
Το τελευταίο από τα έξι κουάρκ –το Κορυφαίο ή Αληθινό– ανακαλύφθηκε το 1994 και είναι το πιο βαρύ απ’ όλα. Για να το αναπαράγει κανείς χρειάζεται μια τεράστια ποσότητα ενέργειας.
v
Τα κουάρκ είναι οι δομικοί λίθοι της ύλης. Πηγή: News media
v
Λεπτόνια (από την ελληνική λέξη λεπτός, ελαφρύς). Περιλαμβάνουν το ηλεκτρόνιο, το λιγότερο γνωστό μας μιόνιο και το σωμάτιο ταυ (και τα δύο αυτά είναι ασταθείς και βαρύτερες εκδοχές του ηλεκτρονίου). Όλα τα λεπτόνια έχουν ηλεκτρικό φορτίο συν ή πλην ένα. Έτσι έχουμε:
-
electron (e)
-
muon (μ)
-
tauon (τ)
Για το καθένα από αυτά τα τρία, υπάρχει ένα νετρίνο (ν) συνοδός. Έτσι έχουμε το ηλεκτρόνιο-νετρίνο, το μιόνιο-νετρίνο και το ταυ-νετρίνο:
-
electron neutrino (νe)
-
muon neutrino (νμ)
-
tauon neutrino (νε)
Για καθένα από αυτά τα λεπτόνια υπάρχει επίσης ένα συσχετιζόμενο αντι-σωματίδιο, το οποίο έχει την ίδια μάζα αλλά αντίθετο φορτίο.
Τα νετρίνα είναι επίσης πολύ παράξενες οντότητες. Στην πραγματικότητα, μόλις που υπάρχουν. Δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και μικρή ή καθόλου μάζα. Όπως είπαμε, δεν παίρνουν μέρος στο σχηματισμό της ύλης, αλλά ο ρόλος τους στο σύμπαν είναι εξαιρετικά σημαντικός.
(Για να φέρουμε μια αναλογία, μπορεί να μην συνέβαλαν στη δημιουργία των υλικών από τα οποία αποτελείται η οθόνη του υπολογιστή που έχετε μπροστά σας, αλλά δημιουργηθήκατε χάρη σε αυτά. Έτσι, μπορείτε τώρα και διαβάζετε αυτό το κείμενο).
v
Αυτή η εικόνα από το πείραμα ATLAS του CERN (2012) δείχνει την ανακάλυψη του μποζόνιου Χιγκς απ’ όπου προέρχονται τα κουάρκ και τα λεπτόνια. Στη συγκεκριμένη εικόνα έχουμε την παραγωγή δύο λεπτονίων ταυ (tauon), του ταυ και του σχετιζόμενου με αυτό αντισωματίδιου. Στη συνέχεια το ταυ αποσυντίθεται σε ένα ηλεκτρόνιο (μπλε γραμμή) και ένα μιόνιο (κόκκινη γραμμή). Πηγή: CERN
v
Οι οικογένειες. Τα 12 σωματίδια που είδαμε έως τώρα (6 λεπτόνια και 6 κουάρκ) χωρίζονται σε τρεις «οικογένειες», που η καθεμιά συμπεριλαμβάνει ένα ζεύγος κουάρκ και ένα ζεύγος λεπτονίων. Κατά αύξουσα τάξη μάζας αυτές είναι:
• Το Επάνω και το Κάτω κουάρκ πάνε μαζί με το ηλεκτρόνιο-νετρίνο.
• Το Παράξενο και το Χαριτωμένο κουάρκ πάνε μαζί με το μιόνιο και το μιόνιο-νετρίνο.
• Το Ωραίο και το Αληθινό πάνε μαζί με το σωμάτιο ταυ και το ταυ-νετρίνο. (Να σημειωθεί ότι το ταυ-νετρίνο, που διέφευγε έως τότε από τους φυσικούς, ανακαλύφθηκε στις 21 Ιουλίου 2000 στο Φέρμιλαμπ του Ιλινόις).
Εκείνο που πρέπει να γίνει κατανοητό είναι ότι τα λεπτόνια, εκτός του ηλεκτρονίου, καθώς και τα άλλα «βαριά» σωμάτια, εκτός του πρωτονίου και του νετρονίου, δεν παίρνουν μέρος στον σχηματισμό των ατόμων και κατ’ επέκταση του κόσμου μας. Εμφανίζονται μόνο στις πυρηνικές αντιδράσεις, λες και είναι επισκέπτες από έναν άλλο κόσμο. Εμφανίζονται και εξαφανίζονται πολύ γρήγορα.
Γι’ αυτό και η φυσική που ασχολείται μαζί τους ονομάζεται υποατομική ή φυσική υψηλών ενεργειών.
v
Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος. Πηγή: News media
v
Οι θεμελιώδεις δυνάμεις. Οι φυσικοί δέχονται την ύπαρξη τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων, οι οποίες εξηγούν γιατί όλα αυτά τα στοιχειώδη σωμάτια κρατιούνται μεταξύ τους «κολλημένα». Οι δυνάμεις της φύσης είναι:
-
Η βαρύτητα
-
Ο μαγνητισμός
-
Ο ηλεκτρισμός
-
Η πυρηνική δύναμη
Έτσι κατατάσσονταν οι δυνάμεις τουλάχιστον παλιά. Με τις νεότερες όμως ανακαλύψεις έχουν τροποποιηθεί ως εξής:
-
Βαρύτητα
-
Ηλεκτρομαγνητισμός
-
Ασθενής πυρηνική δύναμη
-
Ισχυρή πυρηνική δύναμη
Ας αρχίσουμε από το τέλος. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη ασκείται στη φύση από τα λεγόμενα γκλουόνια (glue = συγκρατώ με κόλλα). Πιστεύεται ότι τα γκλουόνια είναι αυτά που κρατούν ενωμένα μεταξύ τους τα κουάρκ (quark-gluon plasma).
Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη αντιπροσωπεύεται από τα γνωστά μας φωτόνια. Αυτά ευθύνονται που τα κουάρκ και τα λεπτόνια ενώνονται μαζί σε οικογένειες.
Η ασθενής δύναμη εκφράζεται από τα μποζόνια (τα σωμάτια αυτά ονομάστηκαν έτσι επειδή υπακούουν στη στατιστική Μποζέ-Αϊνστάιν). Πρόκειται για τα περίφημα σωμάτια W και Ζ που ανακαλύφθηκαν στο CERN από τον Ιταλό φυσικό Κάρλο Ρουμπία, που πήρε για το λόγο αυτό το 1984 το βραβείο Νομπέλ. Τα W είναι δύο, ένα με θετικό και ένα με αρνητικό φορτίο, ενώ το Ζ είναι ουδέτερο. Αυτά αποτελούν τη δύναμη που συγκρατεί πρωτόνια και νετρόνια στους πυρήνες των ατόμων.
Τέλος, η βαρύτητα εκφράζεται με τα λεγόμενα γκραβιτόνια. Αυτά συγκρατούν μαζί όλα τα σωματίδια που έχουν μάζα.
v
Το μποζόνιο Χιγκς
Στο καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής είναι απαραίτητη επίσης η ύπαρξη ενός σωματιδίου όπως το μποζόνιο Χιγκς. Η μη-μηδενική τιμή αυτού του σωματιδίου δίνει μάζα στα στοιχειώδη σωματίδια που αναφέραμε, όπως τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια, μέσω του μηχανισμού Χιγκς. Το σωμάτιο Χιγκς ανήκει στα μποζόνια (που εκφράζουν την ασθενή δύναμη) και χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι πολλά μποζόνια μπορούν να υπάρχουν στην ίδια κβαντική κατάσταση.
v
Αν δεν υπήρχαν οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις ο κόσμος γύρω μας θα είχε τη μορφή ενός ψυχεδελικού πίνακα. Πηγή: News media
v
Η λέξη «μποζόνιο» προέρχεται από το όνομα του Ινδού φυσικού Σατιέντρα Ναθ Μποζέ, που υπήρξε σύγχρονος του Αϊνστάιν, ενώ το ρόλο του στην ηλεκτρασθενή συμμετρία περιέγραψε ήδη από τη δεκαετία του ’60 ο Βρετανός θεωρητικός φυσικός Πήτερ Χιγκς (μηχανισμός Χιγκς), που το 2013 τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής.
Η ανάγκη της ύπαρξης του μποζονίου Χιγκς προέκυψε πολύ πριν από την πρόσφατη ανακάλυψή του στο CERN. Και αυτό έγινε για να δοθεί απάντηση στο εξής ερώτημα: «Γιατί μερικά σωματίδια, όπως το Κορυφαίο κουάρκ, είναι τόσο βαριά, ενώ άλλα, όπως το φωτόνιο, δεν έχουν καθόλου μάζα;»
Για να δώσουν απάντηση σε αυτή την εντυπωσιακή ασυμμετρία, οι φυσικοί πρότειναν μια υποθετική τάξη σωματίων, τα γνωστά πια σήμερα μποζόνια Χιγκς, τα οποία πλημμυρίζουν το σύμπαν σαν πυκνή ομίχλη. Η δύναμη που ασκείται από το πεδίο που δημιουργούν τα σωμάτια Χιγκς μπορεί κατά κάποιο τρόπο να συγκριθεί με την έλξη της βαρύτητας.
Το φωτόνιο, που δεν έχει μάζα, μπορεί να διασχίσει ελεύθερα το πεδίο Χιγκς σαν να μην υπάρχει εκεί τίποτα. Άλλα όμως σωματίδια δέχονται μια τόσο μεγάλη έλξη, ώστε στην ουσία κερδίζουν βάρος.
_______________________
* Ο δρ Σπύρος Μαργέτης είναι πειραματικός φυσικός και έχει πάρει μέρος σε αρκετά πειράματα του CERN. Σήμερα είναι καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Κεντ του Οχάιο. Το 2014 συμμετείχε στο σχεδιασμό του πειράματος που «έτρεξε» στον επιταχυντή βαρέων ιόντων (RHIC) στο Μπρουκχέιβεν της Νέας Υόρκης, με στόχο την αναπαραγωγή των συνθηκών που επικρατούσαν μερικά μικροδευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, που γέννησε το σύμπαν πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Ήταν από τους κύριους ερευνητές σε προηγούμενα πειράματα του RHIC, όπως για παράδειγμα αυτό κατά το οποίο, μέσω του ανιχνευτή STAR, ανακαλύφθηκε ένα νέο αντινουκλεόνιο – μια αρνητικά φορτισμένη κατάσταση της αντιύλης που περιείχε ένα αντιπρωτόνιο, ένα αντινετρόνιο και ένα σωματίδιο αντι-Λάμδα. Είναι επίσης το πρώτο αντινουκλεόνιο που περιέχει ένα αντι-παράξενο κουάρκ – ένα εξωτικό σωματίδιο αντιύλης.
