Εισαγωγή στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων

Transcript

1 Εργαστήριο Εισαγωγή στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων Hypatia : To Hypatia αποτελεί μέρος του ATLAS ASEC, ένα καινοτόμο εκπαιδευτικό πρόγραμμα στη Φυσική των Στοιχειωδών Σωματιδίων. Το έργο δίνει τη δυνατότητα στους μαθητές σχολείων μαζί με τους δασκάλους τους για να μελετήσουν τα θεμελιώδη σωματίδια της ύλης και τις αλληλεπιδράσεις τους με την επιθεώρηση της γραφικής απεικόνισης / προβολής των προϊόντων των συγκρούσεων μεταξύ των σωματιδίων. Τα προϊόντα αυτά είναι «γεγονότα» που εντοπίστηκαν από το πείραμα ATLAS στο πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο, τον LHC στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Έρευνας Στοιχειωδών Σωματιδίων, CERN στη Γενεύη. Σύντομα στοιχεία για το εργαστήριο: o Επιστημονικό θέμα: Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων o Προσφέρεται από: το Πανεπιστήμιο Αθηνών και το Ινστιτούτο Φυσικής στο Βελιγράδι o Γλώσσα επαφής: Αγγλικά o Εγγραφή που απαιτείται: ΟΧΙ o Προτείνεται επειδή: Το εργαστήριο είναι διαθέσιμο για χρήση. Δύο παραδείγματα με δραστηριότητες βρίσκονται εκτός της εργαλειοθήκης ενώ κάποιες ασκήσεις είναι διαθέσιμες στην ιστοσελίδα του εργαστηρίου o Πρόσθετο λογισμικό που απαιτείται: ΟΧΙ Οδηγοί και υλικό για τους εκπαιδευτικούς: o Διαθέσιμο υλικό για τους εκπαιδευτικούς και τους μαθητές : Δύο καλές πρακτικές είναι διαθέσιμες: ) Εισαγωγή στη Διατήρηση της ορμής και 2) Στοιχειώδη σωματίδια o Ακαδημαϊκές εκδόσεις για παιδαγωγική χρήση εργαστηρίου: Έμπνευση Μάθησης Επιστήμη - Πρακτικά "Learning with CERN" Εργαστήρια (Επίνοια, 200, ISBN Αριθμός: ) o Σημειώσεις: Το εργαστήριο συνιστάται για Μαθητές γυμνασίου. Δραστηριότητα Σχετικά με τη δραστηριότητα A. Γενικές πληροφορίες

2 Σύντομη περιγραφή: Στην άσκηση αυτή οι μαθητές θα γνωρίσουν τα διάφορα είδη στοιχειωδών σωματιδίων και πως αυτά ανιχνεύονται από τις τροχιές τους μέσα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider LHC). Σύνδεση με το αναλυτικό πρόγραμμα: Ελλάδα: Φυσική Γενικής Παιδείας Γ Λυκείου, κεφάλαιο 3, 3.2 Εκπαιδευτικοί στόχοι:. Γνωριμία των στοιχειωδών σωματιδίων 2. Γνωριμία με τις θεμελιώσεις αλληλεπιδράσεις. 3. Γνωριμία με τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων. Ηλικία: Απαιτούμενος χρόνος: 2/2 διδακτικές ώρες Τεχνικές απαιτήσεις Υπολογιστές με σύνδεση στο Internet Εργαλείο ανάλυσης δεδομένων, HYPATIA - αποθήκευση έκδοσης HYPATIA-v4 από τη σελίδα - Κάντε αποσυμπίεση του αρχείου που αποθηκεύσατε και αποθηκεύστε τον αντίστοιχο φάκελο απευθείας στο σκληρό δίσκο του υπολογιστής σας στο C:\ - Κάντε διπλό κλικ στο αρχείο Hypatia 4.jar για να ανοίξετε το πρόγραμμα. Σημείωση: Το πρόγραμμα χρειάζεται εγκατάσταση του λογισμικού Java Runtime Environment (έκδοση.4 ή νεότερη) το οποίο μπορείτε να βρείτε εδώ: Λέξεις κλειδιά: στοιχειώδη σωμάτια, ανιχνευτής, αντιύλη, εξαϋλωση, πρωτόνιο, νετρόνιο, ηλεκτρόνιο, ποζιτρόνιο, νετρίνο Author(s): Eleftheria Tsourlidaki Ο κόσμος γύρω μας Από τι αποτελείται ο κόσμος μας? Υπάρχουν θεμελιώδη στοιχεία τα οποία δεν μπορούν να διαιρεθούν περαιτέρω; 2

3 Δείτε τους ακόλουθους συνδέσμους και βρείτε πληροφορίες για τα δομικά στοιχεία του κόσμου μας: Το καθιερωμένο μοντέλο Πως τα ξέρουμε όλα αυτά; - Τα πειραματικά δεδομένα Τα μυστήρια που υπάρχουν - Πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο Τα στοιχειώδη σωμάτια. Ποιό είναι το μικρότερο σωματίδιο που γνωρίζετε; 2. Πως ανακαλύφθηκαν τα σωματίδια αυτά; 3

4 3. Πως μπορούμε να «δούμε» αυτά τα σωματίδια; Μέχρι το 897, οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι τα άτομα ήταν αδιαίρετα, αλλά ο Τόμσον τους απόδειξε ότι έκαναν λάθος, όταν ανακάλυψε ότι τα άτομα περιέχουν σωματίδια που είναι γνωστά ως ηλεκτρόνια. Ο Τόμσον ανακάλυψε αυτό όταν έκανε πειράματα σχετικά με τις ιδιότητες των καθοδικών ακτίνων. Ο Τόμσον διαπίστωσε ότι οι ακτίνες μπορούν να εκτρέπονται από το ηλεκτρικό πεδίο (εκτός από τα μαγνητικά πεδία, τα οποία ήταν ήδη γνωστά). Κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αυτές οι ακτίνες, δεν ήταν κύματα, αλλά απαρτίζονταν από πολύ ελαφρά αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που ονομαζόταν «κύτταρα» (που αργότερα θα μετονομαζόταν σε ηλεκτρόνια από άλλους επιστήμονες). Στην διπλανή εικόνα ένα ηλεκτρόνιο αφήνει ένα ελικοειδές αποτύπωμα σε ένα θάλαμο νεφώσεως. Το ηλεκτρόνιο δημιουργήθηκε μαζί με ένα ποζιτρόνιο (αντι-ηλεκτρόνιο) κοντά στη βάση της εικόνας. Το μαγνητικό πεδίο κάμπτει την τροχιά του ηλεκτρονίου κατά την φορά των δεικτών του ωρολογίου. Συνολικά, το ηλεκτρόνιο περιστρέφεται 36 φορές σχηματίζοντας μία τροχιά μήκους περίπου 0 μέτρων. 4

5 4. Πως δουλεύει ο LHC; Εξηγήστε πως δουλεύει ο επιταχυντής με βάση αυτό το βίντεο. αλλά με τα βίντεο που θα βρείτε στη κεντιρκή ιστοσελίδα του "Learning with 5

6 Αρχική Διερεύνηση Εισαγωγή στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων - Γνωρίζετε τι πίστευαν στο παρελθόν οι διάφοροι λαοί σχετικά με την ύλη. Κάντε μια μικρή ιστορική αναδρομή; - Παρουσιάστε τη δική σας άποψη σχετικά με τη δομή της ύλης. Θεωρείτε ότι το υπάρχον μοντέλο είναι επαρκές ή θα αλλάξει μελλοντικά. Τα τέσσερα βασικά στοιχεία της φύσης σύμφωνα με πολλούς αρχαίους πολιτισμούς. Αρχαιότητα: Πολλές φιλοσοφίες της αρχαιότητας υποστήριζαν ότι ο κόσμος μας αποτελείται από τέσσερα βασικά στοιχεία. Τα βασικά αυτά στοιχεία απαντώνται στη παράδοση στη παράδοση πολλών λαών όπως οι αρχαίοι Έλληνες, Βαβυλώνιοι, Αιγύπτιοι, Βουδιστές και Ινδουιστές. Τα βασικά αυτά στοιχεία προέρχονταν από τη παρατήρηση του φυσικού κόσμου και ήταν ο αέρας, η γη, το νερό και η φωτιά. Σε κάποιες περιπτώσεις, όπως στην αρχαία Ελλάδα τα τέσσερα αυτά στοιχεία συνοδευόταν και από ένα πέμπτο, τον αιθέρα. 869: Ένα από τα πιο σημαντικά βήματα προς την αναθεώρηση των βασικών δομικών λίθων του κόσμου μας έγινε με την εισαγωγή του περιοδικού πίνακα των στοιχείων από τον Mendeleyev. Ο Mendeleyev δημιούργησε ένα πίνακα με βάση τα ατομικά βάρη των στοιχείων και τα ταξινόμησε περιοδικά βάζοντας τα στοιχεία με παρόμοιες ιδιότητες, το ένα κάτω από το άλλο. Έτσι κατάφερε να προβλέψει και τις ιδιότητες αγνώστων τότε στοιχείων των οποίων τη θέση είχε αφήσει κενή στο πίνακα των στοιχείων. Ο περιοδικός πίνακας των στοιχείων του Mendeleyev. 6

7 890-95: Μέσα σε αυτή την 5ετία έγιναν δυο θεμελιώδεις ανακαλύψεις. Ο J.J.Thomson ανακάλυψε ότι οι καθοδικές ακτίνες αποτελούνται από σωματίδια πολύ μικρότερα από ό,τι άλλο είχε παρατηρηθεί μέχρι τότε, τα ηλεκτρόνια. Ο Ernest Rutherford μέσα από το διάσημο Geiger-Marsdent πείραμα που διεξήγαγε ανακάλυψε τη πραγματική δομή των ατόμων, την ύπαρξη δηλαδή ενός γιγαντιαίου θετικά φορτισμένου πυρήνα. Ο Rutherford αντικατέστησε το ατομικό μοντέλο του σταφιδόψωμου του Thomson με το λεγόμενο πλανητικό το οποίο υπέθετε την ύπαρξη ενός πολύ μεγάλο θετικά φορτισμένου πυρήνα. Σήμερα: Σήμερα γνωρίζουμε ότι τα άτομα δεν είναι θεμελιώδη δομικά στοιχεία αλλά αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια ενώ τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν εσωτερική δομή και αποτελούνται από quarks που είναι στοιχειώδη σωματίδια. 7

8 Η εσωτερική δομή των ατόμων και των νουκλεονίων. 8

9 Το πείραμα Εισαγωγή στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων Η κεντρική ιδέα είναι να γνωρίσουμε τα στοιχειώδη σωματίδια. Για να το κάνουμε αυτό θα χρησιμοποιήσουμε το εργαλείο ανάλυσης δεδομένων ΗΥΡΑΤΙΑ και θα μελετήσουμε τις τροχιές που έχουν αφήσει διάφορα σωματίδια και μέσω αυτών θα προσπαθήσουμε να τα αναγνωρίσουμε. Διαβάστε καλά τον οδηγό με τη περιγραφή του εξοπλισμού. Ακολουθήστε τις παρακάτω οδηγίες για να κάνετε το πείραμα:. Επιλέξτε το αρχείο JiveXML_504_20655.xml (χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Previous Event και Next Event ) για να δείτε τα δεδομένα από τη σύγκρουση που θέλουμε να μελετήσουμε. Αν το αρχείο δεν εμφανίζεται στη λίστα το γεγονότων, επιλέξτε File Read event locally βρείτε το εν λόγω αρχείο και ανοίξτε το. 2. Στο παράθυρο Track Momenta Window επιλέξτε τη καρτέλα SimTracks και στη συνέχεια τη καρτέλα SimTracks από το δεύτερο μενού ακριβώς από κάτω. 3. Εντοπίστε κάθε γεγονός στο παράθυρο Canvas Window. Όταν επιλέξετε μια τροχιά θα γίνει λευκή και στις δυο εικόνες του επιταχυντή. Χρησιμοποιήστε το μεγεθυντικό φακό και στις δυο απεικονίσεις για να έχετε μια πιο ξεκάθαρη εικόνα τις τροχιές και στις δυο προβολές. Μελετήστε τη γεωμετρία των δεσμών (κατεύθυνση και έκταση) και δείτε πως επηρεάζουν τη διαδικασία ταυτοποίησης των σωματιδίων. Σημείωση: Μια τροχιά μπορεί να εκτίνεται κατά μήκος του ανιχνευτή και να φαίνεται μικρή στην εγκάρσια προβολή ενώ στη διαμήκη να είναι πολύ μεγαλύτερη. Για να έχετε πλήρη εικόνα κάθε τροχιάς πρέπει να τη μελετήσετε και στις δυο προβολές. 4. Με βάση την εικόνα των τροχιών και τα δεδομένα από το πίνακα Track Momenta Window προσπαθήστε να βρείτε τη ταυτότητα των σωματιδίων στα οποία ανήκουν οι τροχιές. 5. Επαναλάβετε τη διαδικασία για όλες τις τροχιές και συμπληρώστε το παρακάτω πίνακα. 6. Επίλεξτε τώρα στο Track Momenta Window τη καρτέλα SimNeutralTracks και επαναλάβετε τα βήματα 3 έως 5. Όνομα τροχιάς είδος σωματιδίου SimChargeTrack 0 SimChargeTrack SimChargeTrack 228 SimNeutralTrack 0 SimNeutralTrack SimNeutralTrack 2 9

10 SimNeutralTrack 3 7. Τι είδους σωματίδιο πιστεύετε ότι ανήκει στη γκρι τροχιά? Γιατί? 0

11 Συζήτηση Εισαγωγή στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων Απαντήστε στις παρακάτω ερωτήσεις για να καταλήξετε στα συμπεράσματα της έρευνάς σας.. Τι είδους σωματίδια καταλήγουν σε κάθε μέρος του ανιχνευτή; 2. Εξηγήστε πως καταλήξατε στη ταυτότητα κάθε σωματιδίου. 3. Σε τι χρησιμεύει ο ανιχνευτής τροχιών από την στιγμή που κανένα σωμάτιο δεν σταματά σε αυτόν; Τι χρήσιμη πληροφορία μπορούμα να πάρουμε;\ 4. Είναι σημαντικό το να ξέρει κανείς την πορεία της δέσμης στον τρισδιάστατο χώρο για την ταυτοποίηση των σωματιδίων; Γιατί; 5. Πως μπορούμε να ανιχνεύσουμε τα νετρίνα; 6. Με βάση την άσκηση που κάνατε και τις απαντήσεις που δώσατε στις προηγούμενες ερωτήσεις γράψτε μια μικρή αναφορά με βάση τη φόρμα που δίνεται. Επιπλέον πληροφορίες Εισαγωγή στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων Ζητείστε από τους μαθητές σας να απαντήσουν στις επόμενες ερωτήσεις ώστε να καταλήξουν στα συμπεράσματά τους.. Τι είδους σωματίδια καταλήγουν σε κάθε μέρος του ανιχνευτή; Δείτε σχετική θεωρία. 2. Εξηγήστε πως καταλήξατε στη ταυτότητα κάθε σωματιδίου. Οι τροχιές SimNeutralTrack 0, και 2 εκτέινονται εκτός του ηλεκτρομαγνητικού θερμιδόμετρου συνεπώς δεν είναι ούτε ηλεκτρόνια ούτε ποζιτρόνια. Δεδομένου ότι δεν έχουν φορτίο πρέπει να είναι φωτόνια. Η τροχιά SimNeutralTrack 3 φτάνει μέχρι το αδρονικό θερμιδόμετρο συνεπώς, μιας και είναι ουδέτερο το σωματίδιο πρέπει να είναι νετρόνιο. Οι τροχιές SimChargeTrack 0, και 228 ανήκουν σε θετικά φορτισμένα σωματίδια που σταματούν στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο, άρα είναι ποζιτρόνια. 3. Σε τι χρησιμεύει ο ανιχνευτής τροχιών από την στιγμή που κανένα σωμάτιο δεν σταματά σε αυτόν; Τι χρήσιμη πληροφορία μπορούμα να πάρουμε;\ Οι τροχιές των ουδέτερων σωματιδίων δεν ανιχνεύονται στον ανιχνευτή τροχιών (Εικόνα 4). Έτσι μπορούμε να διαχωρίσουμε τις τροχιές των ουδέτερων σωματιδίων από των φορτισμένων που καταλήγουν στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο και στο αδρονικό θερμιδόμετρο αντίστοιχα. 4. Είναι σημαντικό το να ξέρει κανείς την πορεία της δέσμης στον τρισδιάστατο χώρο για την ταυτοποίηση των σωματιδίων; Γιατί; Οι ακτίνες δεν ταξιδεύουν απαραίτητα προς μια κατεύθυνση. Αν οι τροχιές προβάλλονταν μόνο σε δυο διαστάσεις τότε οι τροχιές που εκτείνονται κατά μήκος του ανιχνευτή θα φαίνονταν να σταματούν σε διαφορετικό σημείο από το πραγματικό με αποτέλεσμα να γινόταν λάθος ταυτοποίηση.

12 5. Πως μπορούμε να ανιχνεύσουμε τα νετρίνα; Τα νετρίνα αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη και δεν μπορούν να καταγραφούν από τον ανιχνευτή. Η παρουσία τους όμως μπορεί να βρεθεί μετρώντας την ορμή στο επίπεδο που είναι κάθετο στην ευθεία διάδοσης των αρχικών δεσμών και υπολογίζοντας τη χαμένη ορμή. Έτσι βλέπουμε τα νετρίνα με έμμεσο τρόπο. Εισαγωγή στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων. Επιλέξτε το αρχείο JiveXML_504_20655.xml (χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Previous Event και Next Event ) για να δείτε τα δεδομένα από τη σύγκρουση που θέλουμε να μελετήσουμε. Αν το αρχείο δεν εμφανίζεται στη λίστα το γεγονότων, επιλέξτε File Read event locally βρείτε το εν λόγω αρχείο και ανοίξτε το. 2. Στο παράθυρο Track Momenta Window επιλέξτε τη καρτέλα SimTracks και στη συνέχεια τη καρτέλα SimTracks από το δεύτερο μενού ακριβώς από κάτω. 3. Εντοπίστε κάθε γεγονός στο παράθυρο Canvas Window. Όταν επιλέξετε μια τροχιά θα γίνει λευκή και στις δυο εικόνες του επιταχυντή. Χρησιμοποιήστε το μεγεθυντικό φακό και στις δυο απεικονίσεις για να έχετε μια πιο ξεκάθαρη εικόνα τις τροχιές και στις 2

13 δυο προβολές. Μελετήστε τη γεωμετρία των δεσμών (κατεύθυνση και έκταση) και δείτε πως επηρεάζουν τη διαδικασία ταυτοποίησης των σωματιδίων. Σημείωση: Μια τροχιά μπορεί να εκτίνεται κατά μήκος του ανιχνευτή και να φαίνεται μικρή στην εγκάρσια προβολή ενώ στη διαμήκη να είναι πολύ μεγαλύτερη. Για να έχετε πλήρη εικόνα κάθε τροχιάς πρέπει να τη μελετήσετε και στις δυο προβολές. 4. Με βάση την εικόνα των τροχιών και τα δεδομένα από το πίνακα Track Momenta Window προσπαθήστε να βρείτε τη ταυτότητα των σωματιδίων στα οποία ανήκουν οι τροχιές. 5. Επαναλάβετε τη διαδικασία για όλες τις τροχιές και συμπληρώστε το παρακάτω πίνακα. 6. Επίλεξτε τώρα στο Track Momenta Window τη καρτέλα SimNeutralTracks και επαναλάβετε τα βήματα 3 έως 5. Όνομα τροχιάς είδος σωματιδίου SimChargeTrack 0 e + SimChargeTrack e + SimChargeTrack 228 e + SimNeutralTrack 0 φωτόνιο SimNeutralTrack φωτόνιο SimNeutralTrack 2 φωτόνιο SimNeutralTrack 3 νετρόνιο 7. Τι είδους σωματίδιο πιστεύετε ότι ανήκει στη γκρι τροχιά? Γιατί? Οι γκρι τροχιές δεν έχουν αποτύπωμα στον εσωτερικό ανιχνευτή άρα είναι ανήκουν σε ουδέτερα σωματίδια, δηλαδή είτε φωτόνια είτε νετρόνια. Οι δυο λοιπόν γκρι τροχιές που σταματούν στο αδρονικό θερμιδόμετρο ανήκουν σε νετρόνια και η τροχιά που σταματά στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο ανήκει σε φωτόνιο. 3

14 Σχετική θεωρία Τις τελευταίες δεκαετίες, οι φυσικοί έχουν καταφέρει να περιορίσουν τους νόμους που κυβερνούν το σύμπαν σε τέσσερις θεμελιώδεις. Ένας από τους βασικούς στόχους της σύγχρονης έρευνας είναι η ενοποίηση όλων των νόμων σε μια γενική ενοποιημένη θεωρία η οποία θα εξηγεί την συμπεριφορά της ύλης και της ενέργειας. Όλοι οι υπάρχοντες νόμοι και θεωρίες θα είναι ειδικές περιπτώσεις της γενικής αυτής θεωρίας. Μια προσπάθεια που γίνεται προς τη κατεύθυνση αυτής της ενοποιημένης θεωρίας είναι το Καθιερωμένο μοντέλο (Standard model). Αυτό το μοντέλο απέχει πολύ από τη τελική του μορφή και προς το παρόν παρουσιάζει αρκετές αμφιλεγόμενες ιδιότητες. Παρόλα αυτά, έχει βρεθεί ότι το μοντέλο αυτό έχει αρκετές εφαρμογές, όχι μόνο στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων αλλά και στην αστροφυσική, τη κοσμολογία και τη πυρηνική φυσική. Έτσι, παρόλο που είναι ημιτελές, παραμένει ζωτικής σημασίας για τους επιστήμονες καθώς εξηγεί μια μεγάλη σειρά φαινομένων και ανωμαλιών. Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο υπάρχουν 6 στοιχειώδη σωματίδια, τρία εκ των οποίων συνδυάζονται ώστε να δημιουργηθούν όλοι οι δομικοί λίθοι του κόσμου μας, τα άτομα. Τα 6 αυτά σωματίδια χωρίζονται σε 3 κατηγορίες με βάση τις ιδιότητές τους Quarks Λεπτόνια Μποζόνια ή φορείς δυνάμεων Εικόνα. Τα στοιχειώδη σωμάτια Quarks Τα quarks συνδυάζονται και δημιουργούν σωματίδια που ονομάζονται αδρόνια ρκ των οποίων τα πιο σταθερά είναι τα πρωτόνια και τα νετρόνια που δομούν τους ατομικούς πυρήνες. Υπάρχουν 6 quark τα up, down, strange, charm, top, bottom. Όμως μόνο τα δυο συμμετέχουν στο σχηματισμό των πρωτονίων και των νετρονίων. Τα πρωτόνια αποτελούνται από δυο up και ένα down quarks ενώ τα νετρόνια από δυο down και ένα up quark. Τα Quarks δεν απαντώνται ποτέ μόνα τους στη φύση αλλά μόνο σε ομάδες μέσα σε σωμάτια. Το φορτίο τους είναι μικρότερο από του ηλεκτρονίου. 4

15 Όνομα Σύμβολο Φορτίο Up Down u d 2 + e 3 e 3 Top Bottom Charm Strange t b c s + 2 e 3 e e 3 e 3 Λεπτόνια Τα λεπτόνια σε αντίθεση με τα quarks δεν συνδυάζονται προς σχηματισμό σωματίων. Τα πιο γνωστά είναι τα ηλεκτρόνια που κυριαρχούν μιας και βρίσκονται μέσα σε όλων των ειδών τα άτομα. Υπάρχουν 6 ειδών λεπτόνια που είναι γνωστά και ως γεύσεις που σχηματίζουν 3 ομάδες. Η πρώτη ομάδα αποτελείται από τα λεπτόνια ηλεκτρονίου (ηλεκτρόνιο και νετρίνο ηλεκτρονίου). Η δεύτερη ομάδα αποτελείται από το μιόνιο και το νετρίνο μιονίου, ενώ η Τρίτη από το τ και το τ νετρίνο. Τα ηλεκτρόνια είναι τα πιο κοινά φορτισμένα λεπτόνια στη φύση καθώς και τα πιο σταθερά λόγω της πολύ μικρής τους μάζας. Τα μιόνια και τα τ είναι μεγαλύτερα και παράγονται μόνο κατά τη διάρκεια συγκρούσεων πολύ υψηλής ενέργειας. Έχουν πολύ μικρή διάρκεια ζωής και λόγως τις μεγάλης τους μάζας μετατρέπονται γρήγορα σε ηλεκτρόνια. Τα νετρίνα δεν έχουν φορτίο και ελάχιστη έως μηδενική μάζα. Όνομα Σύμβολο Φορτίο Ηλεκτρόνιο e - - Νετρίνο ηλεκτρονίου ν e 0 Μιόνιο μ - - Νετρίνο μιονίου ν μ 0 τ τ - - τ νετρίνο ν τ 0 5

16 Φορείς δυνάμεων Με βάση το καθιερωμένο μοντέλο η δύναμη που ασκείται μεταξύ δυο σωμάτων δρα είτε μέσω ενός πεδίου που δημιουργεί το ένα από τα δυο σωμάτια είτε με την ανταλλαγή ενός σωματιδίου που είναι ο φορέας της δύναμης. Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση, η ισχυρή, η ασθενής, η ηλεκτρομαγνητική και η βαρυτική. Κάθε δύναμη έχει ένα αντίστοιχο φορέα. Στη φύση μέχρι τώρα έχουμε παρατηρήσει μόνο τους τρεις από τους τέσσερεις φορείς. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη ή αλληλεπίδραση δρα μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων. Ο φορέας της δύναμης αυτής είναι ο πιο γνωστός από τους φορείς δυνάμεων, το φωτόνιο. Η ισχυρή δύναμη δρα μέσω των γκλουονίων και εμφανίζεται ανάμεσα στα Quark όπου τους επιτρέπει να σχηματίζουν αδρόνια αλλά και ανάμεσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια όπου τους επιτρέπει να σχηματίζουν τους ατομικούς πυρήνες. Η ασθενής δύναμης δρα μέσω των W +, W - και Z o μποζονίων και είναι υπεύθυνη για τη ραδιενέργεια. Τέλος η βαρύτητα είναι υπεύθυνη για το σχηματισμό των αστέρων, των πλανητών και των υπολοίπων ουράνιων σωμάτων. Ο φορέας της βαρυτικής δύναμης είναι το γκραβιτόνιο του οποίου όμως η ύπαρξη δεν έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά ακόμα. Όνομα Αλληλεπίδραση Σύμβολο Φορτίο γκλουόνιο W +, W -, Z o ισχυρή ασθενής g W +, W -, Z o 0 ±e, 0 φωτόνιο ηλεκτρομαγνητική γ 0 γκραβιτόνιο βαρυτική ν μ 0 Μποζόνια Τα μποζόνια είναι σωματίδια με ακέραιο σπιν. Έχουν την χαρακτηριστική ιδιότητα να σχηματίζουν πλήρως συμμετρικές σύνθετες κβαντικές καταστάσεις. Ως επακόλουθο υπόκεινται στην στατιστική Μποζέ-Αϊνστάιν. Όπως βεβαιώνει το θεώρημα σπιν και στατιστικής, τα μποζόνια έχουν ακέραιο σπιν (, 2, 3,...). Ένα τυπικό παράδειγμα μποζονίων είναι τα φωτόνια (φορείς της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης) Φερμιόνια Τα Φερμιόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια, με την χαρακτηριστική ιδιότητα να σχηματίζουν πλήρως αντισυμμετρικές σύνθετες κβαντικές καταστάσεις. Άλλο κοινό χαρακτηριστικό τους είναι το ημιακέραιο σπιν (/2, 3/2...). Ως επακόλουθο υπόκεινται στην απαγορευτική αρχή του Πάουλι και στην στατιστική Φέρμι-Ντιράκ. Ένα τυπικό παράδειγμα φερμιονίων είναι τα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα του ατόμου, που καταλαμβάνουν τις διαθέσιμες θέσεις στις στοιβάδες. Η απαγορευτική αρχή του Πάουλι ευθύνεται για τη σταθερότητα των ατομικών ηλεκτρονικών στοιβάδων απαραίτητη για την ύπαρξη της χημείας αλλά και γενικότερα για την σταθερότητα της ύλης. Αντιύλη Η αντιύλη είναι η μορφή της ύλης που αποτελείται από τα αντισωματίδια των σωματιδίων που συγκροτούν τη συνήθη ύλη. Για κάθε στοιχειώδες σωματίδιο υπάρχει και ένα αντισωματίδιο. Τα δυο αυτά σωματίδια έχουν κοινές ιδιότητες αλλά αντίθετα 6

17 φορτία και αντίθετα σπιν. Όλα τα σωματίδια στη φύση έχουν και το αντίστοιχο αντισωματίδιό τους εκτός του φωτόνιο όπου το αντίστοιχο αντισωματίδιο είναι και πάλι το φωτόνιο. Για παράδειγμα, ένα άτομο αντι-υδρογόνου αποτελείται από ένα αρνητικά φορτισμένο αντιπρωτόνιο, γύρω από το οποίο περιστρέφεται ένα θετικά φορτισμένο ποζιτρόνιο. Αν ένα σωματίδιο και ένα αντισωματίδιο έρθουν σε επαφή, και τα δύο καταστρέφονται και παράγεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Κάθε φορά που δημιουργείται ύλη από καθαρή ενέργεια, δημιουργούνται ίσες ποσότητες σωματιδίων και αντισωματιδίων. Αντίθετα, όταν εξαϋλώνεται ύλη με αντιύλη, τότε παράγεται ακτινοβολία. Η αντιύλη παράγεται συνήθως όταν κοσμικές ακτίνες χτυπήσουν την ατμόσφαιρα της Γης, και αυτές εξαϋλώνονται σε ύλη και αντιύλη. Αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια πειραμάτων και σε επιταχυντές σωματιδίων. 7

18 Εικόνα 2. Το διάγραμμα Feynman ενός ποζιτρονίου και ενός ηλεκτρονίου που εξαϋλώνονται και γεννάται ένα φωτόνιο το οποίο μετά διασπάται σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίου ποζιτρονίου μέσω του φαινομένου της δίδυμου γένεσης. Εικόνα 3. Η αλληλεπίδραση μεταξύ ενός φωτονίου και ενός πυρήνα που οδηγεί σε δίδυμο γένεση