ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ CERN. Επιστημονική ομάδα ΒΑΣΙΛΗΣ ΣΙΔΕΡΗΣ &ΝΙΚΟΣ ΚΑΛΑΦΑΤΗΣ. 3ο Λύκειο Γαλατσίου

Transcript

1 ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ CERN Επιστημονική ομάδα ΒΑΣΙΛΗΣ ΣΙΔΕΡΗΣ &ΝΙΚΟΣ ΚΑΛΑΦΑΤΗΣ 3ο Λύκειο Γαλατσίου Υπεύθυνοι καθηγητές Μαραγκουδάκης Επαμεινώνδας και Φαράκου Γεωργία

2 ΤΟ ΠΑΝΗΓΥΡΙ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Οι Αλληλεπιδράσεις των Στοιχειωδών Σωματιδίων

3 ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥ CERN Το CERN - γεννήθηκε στη Γενεύη της Ελβετίας το 1954 από 12 ευρωπαϊκές χώρες μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα. Πρόκειται για ένα πανανθρώπινο εγχείρημα, που ως βασικό αντικείμενο ερευνών του ήταν και είναι τα στοιχειώδη σωματίδια, οι δομικοί λίθοι που απαρτίζουν την ύλη, όπως και οι δυνάμεις που τα διέπουν. Δηλαδή έργο του CERN είναι η καθαρή επιστήμη, η διερεύνηση των πλέον θεμελιωδών ερωτημάτων για τη Φύση: Τι είναι η ύλη; Από πού προέρχεται; Πως συγκρατείται για να σχηματίσει άστρα, πλανήτες και ανθρώπινα όντα; Στο CERN λειτουργούν επομένως πολλοί επιταχυντές, ένας εκ των οποίων είναι ο πελώριος (SPS), ο οποίος διαθέτει υπόγεια σήραγγα 7 χιλιομέτρων που επιτρέπει στα πρωτόνια να επιταχύνονται στα 400 GeV, δηλαδή σε πολύ υψηλές ενέργειες

4 Τα επιστημονικά όργανα που χρησιμοποιούνται στο CERN είναι οι επιταχυντές σωματιδίων και οι ανιχνευτές. Οι επιταχυντές δίνουν στα σωματίδια πολύ μεγάλες ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός, και τα ωθούν να συγκρουστούν, είτε με σταθερούς στόχους, είτε μεταξύ τους. Οι ανιχνευτές παρατηρούν και καταγράφουν τα προϊόντα αυτών των συγκρούσεων. ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ CERN ΑΠΟΚΑΛΕΙΤΑΙ ΑΠΟ ΠΟΛΛΟΥΣ ΩΣ «Πείραμα του Αιώνα» Ωστοσο,η κοινή γνώμη διίσταται. Οι σκεπτικιστές φοβούνται ότι κάτω από τις ακραίες συνθήκες σύγκρουσης των σωματιδίων θα μπορούσαν να παραχθούν μαύρες τρύπες, θέτοντας σε κίνδυνο τον πλανήτη. Στην προσπάθεια μας να μάθουμε περισσότερα για το πώς δημιουργήθηκε ο κόσμος, υποστηρίζουν, μπορεί να αυτοκαταστραφούμε.

5 Τα Στοιχειώδη Σωματίδια

6 Στις αρχές του 20oυ αιώνα, ο Ράδερφορντ κατάφερε να δείξει ότι το άτομο έχει ένα πολύ συμπαγή, όσο και σχετικά πολύ μικρό, πυρήνα ενώ ο υπόλοιπος χώρος του ατόμου φαινόταν κενός. Το βασικό πείραμα που πραγματοποίησε ήταν ο βομβαρδισμός ενός λεπτού φύλλου χρυσού με σωματίδια πολύ μεγάλης ταχύτητας. Ενώ λοιπόν τα πιο πολλά από αυτά τα σωματίδια διαπερνούσαν το φύλλο με πολύ μικρές αποκλίσεις, μερικά "γύριζαν" προς τα πίσω. Όπως έλεγε ο ίδιος ο Ράδερφορντ, "... ήταν το ίδιο απίστευτο σαν να είχες πυροβολήσει ένα τσιγαρόχαρτο με ένα βλήμα 15 ιντσών και το βλήμα να γύριζε κατευθείαν πίσω και να σε χτυπούσε". Ο πυρήνας του ατόμου είναι θετικά φορτισμένος ενώ, κατά τον Ράδερφορντ, ένα πλήθος (αρνητικά φορτισμένων) ηλεκτρονίων γέμιζε τον κενό χώρο. Έπρεπε να έρθει ο Μπορ για να βάλει τα ηλεκτρόνια στη "θέση" τους, δηλαδή να περιστρέφονται σε κυκλικές ή ελλειπτικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα (το ηλεκτρόνιο είχε ήδη ανακαλυφθεί από τον Τόμσον λίγα χρόνια πριν). ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ ΡΑΔΕΡΦΟΡΝΤ.. Νέα πειράματα, στην 2η και 3η δεκαετία του αιώνα μας, έδωσαν τη νέα πληροφορία ότι ο πυρήνας του ατόμου σχηματίζεται από δυο ειδών σωματίδια: το πρωτόνιο, με θετικό ηλεκτρικό φορτίο (ίσο κατ απόλυτη τιμή με αυτό του ηλεκτρονίου), και το νετρόνιο που έχει σχεδόν την ίδια μάζα με το πρωτόνιο αλλά είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

7 ΚΟΥΑΡΚ Στην δεκαετία του '60 και του '70 έγινε κατανοητό, αρχικά θεωρητικά και κατόπιν επιβεβαιώθηκε και πειραματικά, ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν είναι στοιχειώδη αλλά έχουν εσωτερική δομή: αποτελούνται δηλαδή από μικρότερα σωματίδια που ονομάστηκαν κουάρκ (quark). Τα κουάρκ παρουσιάζονται σε δυο είδη: το άνω (up) κουάρκ και το κάτω (down) κουάρκ. Τα κουάρκ είναι ηλεκτρικά φορτισμένα: το άνω κουάρκ έχει φορτίο +2/3 (σε μονάδες του φορτίου του ηλεκτρονίου που θεωρούμε ότι έχει φορτίο -1, ενώ το κάτω κουάρκ έχει φορτίο -1/3. Το πρωτόνιο αποτελείται από 2 άνω κουάρκ και 1 κάτω κουάρκ, ενώ το νετρόνιο από 2 κάτω κουάρκ και 1 άνω κουάρκ

8 Οι Αλληλεπιδράσεις των Στοιχειωδών Σωματιδίων

9 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. Είναι ακριβώς σα να είχαμε τα γράμματα της αλφαβήτου αλλά όχι τις λέξεις και τους κανόνες που δημιουργούν προτάσεις με νόημα. Σίγουρα, στην καθημερινή ζωή μας, αντιλαμβανόμαστε ένα σχετικά μεγάλο αριθμό διαφορετικών δυνάμεων: ηλεκτρικές, βαρυτικές, μαγνητικές, τριβής κ.α. Πιστεύουμε όμως ότι 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 και ασθενής πυρηνική Οι δυο πρώτες ήταν γνωστές (τουλάχιστον σε κάποια μορφή τους) από τα αρχαία χρόνια και τις αντιλαμβανόμαστε στην καθημερινή μας ζωή. Οι άλλες δυο, παρόλο που δεν τις "αισθανόμαστε" άμεσα, παίζουν επίσης ένα πολύ σοβαρό ρόλο στην ίδια μας την ύπαρξη. Ας δούμε όμως, μια-μια τις τέσσερις αλληλεπιδράσεις.

10 Βαρυτική Αλληλεπίδραση Ασθενής Πυρηνική Δύναμη 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 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

11 Ηλεκτρομαγνητική Αλληλεπίδραση Α Λ Λ Η Λ Ε Π Ί Δ Ρ Α Σ Η Είναι υπεύθυνη για το "τίναγμα" που αισθανόμαστε 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

12 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.

13 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 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 (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.

14

15 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. Ακριβώς, 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 Η θεωρία που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων με την ανταλλαγή φωτονίων ονομάζεται Κβαντική Ηλεκτροδυναμική

16 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.

17 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. Με απλά λόγια θα λέγαμε ότι 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 δυστυχώς πολύ αργότερα: μόλις τον 17ο αιώνα ο Νεύτωνας ενοποίησε την ουράνια με την επίγεια μηχανική. Την επόμενη ενοποίηση την πραγματοποίησε ο Μάξουελ 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 και καθιέρωσε αυτό που σήμερα αποκαλούμε ηλεκτρομαγνητισμό. Στις αρχές του 20ου αιώνα ο Αϊνστάιν 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 Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων, CERN (στη Γενεύη), το σωματίδιο Z0, ο φορέας της ασθενούς αλληλεπίδρασης, με όλες τις ιδιότητες που προέβλεπε η νέα θεωρία. Οι δημιουργοί της Θεωρίας: Γκλάσοου, Σαλάμ και Ουάϊνμπεργκ είχαν ήδη τιμηθεί με το βραβείο Νομπέλ, ενώ τους ακολούθησαν για την ανακάλυψη του Z0 οι Ρούμπια και Βαν ντερ Μερ

18 ΤΕΛΟΣ ΚΑΛΟ ΜΑΣ ΤΑΞΙΔΙ!!!