Σχ. 1: Διάγραμμα Feynmann που αναπαριστά την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση δύο ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια εισέρχονται στην περιοχή αλληλεπίδρασης, ανταλάσσουν φωτόνια και απομακρύνονται.
Εδάφια:
9.a. Οι θεμελιώδεις δυνάμεις
9.b. Ταξινόμηση σωματιδίων
9.c. Νόμοι διατήρησης
9.d. Τα quarks
9.e. Το "Καθιερωμένο Μοντέλο"
Τα ερωτήματα που θα εξετάσουμε στο παρόν κεφάλαιο είναι ποια είναι πραγματικά τα στοιχειώδη σωμάτια και ποιες είναι οι αλληλεπιδράσεις τους.
Ως το 1940 οι φυσικοί πίστευαν ότι τα πιο στοιχειώδη σωματίδια είναι τα πρωτόνια, τα νετρόνια, τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα, με τα αντισωμάτιά τους. Από το 1945, σε κρούσεις με μεταξύ σωματιδίων υψηλής ενέργειας, ανακαλύφθηκαν πολλά νέα σωματίδια με πολύ μικρή διάρκεια ζωής (10-6 - 10-23 sec) και τέθηκε έντονα το ερώτημα αν όλα αυτά τα σωματίδια είναι στοιχειώδη και πώς είναι δυνατόν να είναι τόσα πολλά, δεδομένης της "οικονομίας" της φύσης.
Το συμπέρασμα, από τα πειράματα και τις ως τώρα αποδεκτές θεωρίες, είναι ότι υπάρχουν δύο οικογένειες στοιχειωδών σωματιδίων, τα quarks και τα λεπτόνια.
Κλειδί για την κατανόηση των ιδιοτήτων των στοιχειωδών σωματιδίων είναι η γνώση και η κατανόηση των αλληλεπιδράσεών τους.
| Ισχυρή | Μικρής εμβέλειας (1-2 fm) | Υπέυθυνη για το σχηματισμό των πυρήνων |
| Ηλεκτρομαγνητική | Μεγάλης εμβέλειας (~1/r2), ισχύς: ισχυρή/100 | Υπέυθυνη για το σχηματισμό ατόμων και μορίων |
| Ασθενής | Μικρής εμβέλειας (1-2 fm), ισχύς: ισχυρή/109 | Υπέθυνη για τη διάσπαση πυρήνων (ραδιενέργεια) |
| Βαρυτική | Μεγάλης εμβέλειας (~1/r2), ισχύς: ισχυρή/1038 | Υπέθυνη για την κίνηση πλανητών |
Στη σύγχρονη φυσική οι αλληλεπδράσεις των σωματιδίων περιγράφονται ως ανταλλαγή ειδικών σωματιδίων πεδίου (ή κβάντων πεδίου), που λέγονται φορείς της δύναμης (κάτι ανάλογο με τον ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ των ατόμων). Τα σωματίδια πεδίου μεταφέρουν ενέργεια και ορμή από το ένα αλληλεπιδρών σωμάτιο στο άλλο. Στον παρακάτω πίνακα αναφέρονται οι φορείς κάθε μίας από τις δυνάμεις και τα χαρακτηριστικά τους.
| Ισχυρή | γλοιόνια (gluons) | μάζα; |
| Ηλεκτρομαγνητική | φωτόνια (γ) | χωρίς μάζα |
| Ασθενής | Διανυσματικά μποζόνια W+, W-, Z0 | μεγάλη μάζα (~90 GeV) |
| Βαρυτική | γκραβιτόνιο (δεν έχει ανακαλυφθεί) | μάζα; |
Η δημιουργία των σωματιδίων-φορέων (εκ του μηδενός) είναι κάτι που παραβιάζει τη αρχή διατήρησης της ενέργειας. Ο λόγος που είναι δυνατή αυτή η δημιουργία είναι ότι η αρχή της αβεβαιότητας χρόνου-ενέργειας επιτρέπει τέτοιες παραβιάσεις, με την προυπόθεση ότι θα διαρκούν πολύ μικρό χρόνο, τ (ΔΕ τ=hbar). τ είναι ο χρόνος μεταξύ εκπομπής του σωματίου-φορέα από το ένα αλληλεπιδρών σωμάτιο και απορρόφησής του από το άλλο.
Ένας τρόπος που συνήθως χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων είναι τα διαγράμματα Feynmann. Ένα παράδειγμα δείχνεται στο Σχ. 1.
Όπως ήδη αναφέραμε, από το 1930 και μετά οι φυσικοί άρχισαν να ανακαλύπτουν μια πληθώρα ασταθών σωματιδίων, τα οποία αρχικά θεώρησαν ως στοιχειώδη. Τελικά, διαπιστώθηκε ότι τα περισσότερα από τα σωματίδια αυτά συντίθενται από άλλα, περισσότερο στοιχειώδη, τα quarks (τα οποία δεν μπορούν να υπάρξουν μεμονωμένα), οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι υπάρχουν δύο μόνο οικογένειες στοιχειωδών σωματιδίων, τα quarks και τα λεπτόνια.
Το διάγραμμα που ακολουθεί αποτελεί μια κατάταξη των σωματιδίων που έχουν παρατηρηθεί πειραματικά, με βαση τις αλληλεπιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν (ακριβέστερα, με βάση το αν μπορούν να αλληλεπιδρούν μέσω της ισχυρής δύναμης ή όχι).
Τα σωματίδια χωρίζονται σε αδρόνια (τα οποία μπορούν να αλληλεπιδρούν ισχυρά) και λεπτόνια (τα οποία δεν αλληλεπιδρούν ισχυρά). Τα αδρόνια με τη σειρά τους διακρίνονται σε βαρυόνια (σπιν ημιακέραιο) και μεσόνια (σπιν ακέραιο). Τα αδρόνια δεν είναι στοιχειώδη, αλλά συντίθενται από quarks - περισσότερα για αυτό θα αναφέρουμε αργότερα. Τα λεπτόνια είναι στοιχειώδη σωμάτια. Υπάρχουν τρεις οικογένειες λεπτονίων. Η οικογένεια του ηλεκτρονίου (ηλεκτρόνιο και νετρίνο ηλεκτρονίου), του μιονίου (μιόνιο και νετρίνο μιονίου) και του σωματίου ταυ (ταυ και νετρίνο του). Τα χαρακτηριστικά τους αναφέρονται στον πίνακα που ακολουθεί.
| Τα λεπτόνια | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Τα αντισωμάτια των παραπάνω λεπτονίων έχουν ίδια μάζα, αντίθετο φορτίο και αντίθετους λεπτονικούς αριθμούς (βλ. επόμενο εδάφιο). |
Τα περισσότερα από τα αδρόνια του διαγράμματος του προηγούμενου εδαφίου είναι εξαιρετικά ασταθή. Διασπώνται πολύ γρήγορα (σε 10-23 - 10-6 sec), δίδοντας άλλα σωματίδια. Τα βαρυόνια διασπώνται δίδοντας ως τελικό προιόν πρωτόνιο (το ελαφροτερο βαρυόνιο). Εν γένει, η συνήθης ύλη συντίθεται μόνο από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια.
Ακολουθούν τρία παραδείγματα διασπάσεων/μεταστοιχειώσεων στοιχειωδών σωματιδίων.
Η διατήρηση του βαρυονικού αριθμού μας λέει ότι ο αριθμός των βαρυονίων θα πρέπει να διατηρείται κατά την αντίδραση, και η διατήρηση του λεπτονικού αριθμού ότι ο αριθμός των λεπτονίων κάθε οικογένειας θα πρέπει να διατηρείται. (Με άλλα λόγια, στα βαρυόνια αποδίδουμε έναν νέο κβαντικό αριθμό, τον βαρυονικό - ίσο με μονάδα για κάθε βαρυόνιο -, που θα πρέπει να διατηρείται. Ανάλογα, στα λεπτόνια αποδίδουμε τρεις λεπτονικούς αριθμούς, έναν για κάθε οικογένεια - π.χ. το ηλεκτρόνιο έχει λεπτονικό αριθμό ηλεκτρονίου 1 και τους υπόλοιπους λεπτονικούς αριθμούς μηδέν. Σημειώστε ότι τα αντιβαρυόνια έχουν βαρυονικό αριθμό αντίθετο από αυτόν του αντίστοιχου βαρυονίου. Το ανάλογο ισχύει και για τα αντιλεπτόνια κάθε οικογένειας.)
Εκτός από τους νόμους διατήρησης βαρυονικού και λεπτονικών αριθμών υπάρχουν και κάποιοι επιπλέον νόμοι διατήρησης, που αφορούν μόνο τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Αυτοί είναι η διατήρηση της παραδοξότητας, της χάρης και της ομορφιάς, για τους οποίους θα αναφέρουμε περισσότερα στο εδάφιο των quarks.
| Τα quarks | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Τα βαρυόνια αποτελούνται από τρία quarks (--> βαρυονικός αριθμός 1) ενώ τα μεσόνια από ένα quark και ένα antiquark (--> βαρυονικός αριθμός 0).
Τα συνήθη αδρόνια απότελούνται μόνο από τα quarks u και d (p=uud, n=udd).
Το s quark απαντά σε μία κατηγορία ασταθών σωματιδίων, γνωστά ως παράδοξα σωματίδια, τα οποία ενώ παράγονται μέσω ισχυρής αλληλεπίδρασης διασπώνται μέσω ασθενούς.
Εκτός από το φορτίο υπάρχει και μια άλλη ιδιότητα/κατάσταση των quarks, η οποία λέγεται χρώμα. Τα quarks μπορούν να υπάρξουν σε τρία χρώματα: κόκκινο, πράσινο και μπλε (τα antiquarks θα έχουν τα χρώματα αντικόκκινο, αντιπράσινο και αντιμπλέ). Η ιδιότητα αυτή του χρώματος είναι υπεύθυνη για την ισχυρή δύναμη μεταξύ των quarks (με τον ίδιο τρόπο που το φορτίο είναι υπεύθυνο για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ σωματιδίων). Η ισχυρή δύναμη μεταξύ quarks λέγεται και δύναμη χρώματος και οι φορείς της λέγονται γλοιόνια. Τα quarks, κατά την αλληλεπίδρασή τους ανταλάσσουν γλοιόνια και μέσω αυτής της ανταλλαγής αλλάζουν το χρώμα τους (τα γλοιόνια φέρουν επίσης χρώμα). Η θεωρία που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των quarks λέγεται Κβαντική Χρωμοδυναμική.
Είπαμε και πιο πάνω ότι, από ό,τι φαίνεται ως τώρα, στη φύση δεν μπορούν να υπάρξουν μεμονωμένα quarks. Υπάρχουν μόνο σε συνδυασμούς και μάλιστα μόνο σε συνδυασμούς οι οποίοι είναι άχρωμοι. Άχρωμο σωματίδιο μπορούμε να πάρουμε συνδυάζοντας είτε τρία quarks διαφορετικού χρώματος είτε ένα quark ενός χρώματος με ένα antiquark του ίδιου αντιχρώματος. Η πρώτη δυνατότητα, όπως μπορεί κανείς εύκολα να διαπιστώσει, οδηγεί σε βαρυόνιο και η δεύτερη σε μεσόνιο (βλ. Σχ. 2).
Για να αποδειχθεί το μοντέλο αυτό πειραματικά χρειάζεται επιτάχυνση και κρούσεις σωματιδίων σε πολύ υψηλές ενέργειες (> TeV), πράγμα που με τους υπάρχοντες επιταχυντές σωματιδίων δεν είναι εφικτό, υπάρχει όμως δυνατότητα να γίνει εφικτό στο εγγύς μελλον.
Η προσπάθεια ενοποίησης με τις παραπάνω αλληλεπιδράσεις και της βαρύτητας, οδηγεί στη θεωρία που είναι γνωστή ως Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία, GUT.
-------
Γιατί χρειαζόμαστε πολύ υψηλές ενέργειες για να μελετήσουμε τη δομή των στοιχειωδών
σωματιδίων;