ΛΙΑΝΝΑ ΠΑΝΤΑΖΗ

ΈΝΑ ΤΑΞΙΔΙ ΣΤΟ ΠΑΡΕΛΘΟΝ

Το ταξίδι αυτό στο παρελθόν γίνεται με την αναπαραγωγή στον επιταχυντή του CERN της τεράστιας ενέργειας που επικρατούσε στις πρώτες στιγμές μετά τη γέννηση του Σύμπαντος όταν έγινε η Μεγάλη Έκρηξη. Θα πρέπει όμως να διευκρινίσουμε ότι όταν μιλάμε σήμερα για τις απαρχές του Σύμπαντος με μία «Μεγάλη Έκρηξη» δεν κάνουμε απλές εικασίες που δεν βασίζονται πουθενά. Αντίθετα μιλάμε για ένα πλήρες, μαθηματικά θεμελιωμένο μοντέλο που δημιουργήθηκε με τη βοήθεια των δύο μεγάλων θεωριών του 20ου αιώνα, της Γενικής Σχετικότητας και της Κβαντικής Μηχανικής και συμπληρώθηκε τα τελευταία χρόνια με τις θεωρίες του Πληθωρισμού και των Υπερχορδών. Το μοντέλο μάλιστα αυτό επεξηγεί ικανοποιητικά πολλές από τις παρατηρήσεις και τα πειράματα που έχουν γίνει μέχρι τώρα.

«Μεγάλη Έκρηξη»

Φυσικά όταν μιλάμε για την “Μεγάλη Έκρηξη” μην φανταστείτε κάτι σαν την έκρηξη ενός δυνατού βαρελότου! Η Μεγάλη Έκρηξη των κοσμολόγων δεν

έχει καμιά σχέση με τις εκρήξεις που γνωρίζει ο καθένας από μας, είτε είναι βαρελότα είτε βόμβες υδρογόνου. Ο όρος μάλιστα “Μεγάλη Έκρηξη” είναι μάλλον παραπλανητικός και καθιερώθηκε από τον καθηγητή Φρεντ Χόυλ που ήταν και είναι ο κύριος πολέμιος της όλης αυτής θεωρίας για τη γέννηση του σύμπαντος.

Μ’ αυτό φυσικά δεν υποστηρίζουμε ότι οι γαλαξίες είναι αυτοί που κινούνται, αλλά ότι ο μεταξύ τους χώρος είναι αυτός που μεγαλώνει («ξεχειλώνει»). Και ενώ τίποτα το υλικό δεν μπορεί να τρέξει με μεγαλύτερη ταχύτητα από την ταχύτητα του φωτός, αυτό δεν ευσταθεί για τον χώρο ο οποίος μπορεί να διαστέλλεται πολύ ταχύτερα και από την ταχύτητα ακόμη του φωτός. Μ’ αυτήν λοιπόν την έννοια η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν παρά μια «έκρηξη» αυτού τούτου του χώρου, μια τεραστίων δηλαδή διαστάσεων διαστολή του («ξεχείλωμα») που συμπαρασύρει μαζί του και τους γαλαξίες, ενώ η «έκρηξη» έγινε συγχρόνως σ’ όλα τα σημεία του με αποτέλεσμα να μην υπάρχει σήμερα κάποιο συγκεκριμένο κέντρο στο Σύμπαν αφού το κέντρο βρίσκεται «παντού».

3

Με τον όρο «Μεγάλη Έκρηξη» οι σύγχρονοι επιστήμονες εννοούν μια εκθετική και απότομη διαστολή του Σύμπαντος από ένα απειροελάχιστο σημείο «ανυπαρξίας». Η γέννηση δηλαδή και η μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος είναι κατά κάποιον τρόπο το «ξεδίπλωμα» του χρόνου και του χώρου από μια κατάσταση υπερβολικής πυκνότητας και θερμότητας σε μια παγωμένη και τεράστια σε μέγεθος σημερινή ύπαρξη, σε έναν χώρο ο οποίος δημιουργείται καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται. Σ’ ένα Σύμπαν όπου σήμερα όλοι οι μακρινοί γαλαξίες φαίνονται να απομακρύνονται συνεχώς ο ένας από τον άλλο.

ΤΟ ΑΤΟΜΟ

Η δομή της ύλης, σαν φιλοσοφική ιδέα ξεκίνησε από τον Λεύκιππο και τον Δημόκριτο (4ος αιώνας π.Χ.). Πέρασαν πολλοί αιώνες ώσπου τον 18ο αιώνα ο Λαβουαζιέ (Antoine Laurent Lavoisier), μαζί  με μια ολόκληρη σειρά  άλλων επιστημόνων, επιβεβαίωσαν με πειράματά τους την ορθότητα αυτής της άποψης.

5

ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ

Η ύλη κατά τον Λεύκιππο και το Δημόκριτο,

αποτελείται από μικροσκοπικά, αόρατα, αιώνια, άφθαρτα, αμετάβλητα, αδιαίρετα σωμάτια, τα άτομα, τα οποία γεννήθηκαν αυτόματα και τυχαία. Τα άτομα δεν έχουν καμμία ποιοτική διαφορά μεταξύ τους, παρά μόνο στο μέγεθος και στο σχήμα τους. Μεταξύ των ατόμων υπάρχει το κενό, ή το μη ον ή μανόν, το οποίο όμως έχει υλική υπόσταση. Λόγω της ύπαρξης του κενού, τα άτομα έχουν την ιδιότητα της κίνησης. Από τις συγκρούσεις των ατόμων δημιουργείται η ύλη. Οι δύο φιλόσοφοι πιστεύουν πως μέσω διαφόρων συνδυασμών, τα όμοια άτομα έλκονται, σχηματίζοντας σώματα.

Τζον Ντάλτον

Το πρότυπο Το πρότυπο του του Thomson (1Thomson (1904904))

αρνητικάηλεκτρόνια

θετικά φορτισμένη ύλη.

Το σταφιδόψωμο

ουδέτερο άτομο

ΠΥΡΗΝΑΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ

Στις αρχές του 20 αιώνα, ο Ράδερφορντ (Ernest Rutherford) κατάφερε να δείξει ότι το άτομο έχει ένα πολύ συμπαγή και σχετικά πολύ μικρό, πυρήνα ενώ ο υπόλοιπος χώρος του ατόμου φαινόταν κενός.

ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ

Το πρότυπο Το πρότυπο του του RRutherfoutherforrd d (1(191911)1)

ηλεκτρόνιο

πυρήνας

Το πλανητικό

πρότυποτου πυρηνικού

ατόμου.

ΠΡΩΤΟΝΙΑ ΚΑΙ

ΝΕΤΡΟΝΙΑ

Νέα πειράματα, 1920-1930, έδωσαν μια νέα πληροφορία ότι ο πυρήνας του ατόμου σχηματίζεται από δυο ειδών σωματίδια: το πρωτόνιο, με θετικό ηλεκτρικό φορτίο και το νετρόνιο που έχει σχεδόν την ίδια μάζα με το πρωτόνιο αλλά είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ

ΚΟΥΑΡΚ

Στην δεκαετία του '60 και του '70 διαπιστώθηκε, ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν είναι στοιχειώδη αλλά έχουν εσωτερική δομή: αποτελούνται δηλαδή από μικρότερα σωματίδια που ονομάστηκαν κουάρκ (quarκ). Τα κουάρκ παρουσιάζονται σε δυο είδη: το άνω (up) κουάρκ και το κάτω (down) κουάρκ.

13

ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ

14

ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ

Η 1η ΓΕΝΙΑ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

Μπορούμε τώρα να περιγράψουμε όλη τη φύση, εμάς τους ίδιους και το σύμπαν ολόκληρο με αυτά τα σωματίδια; Πράγματι, η σημερινή επιστήμη για τη δομή της ύλης, η ΦΥΣΙΚΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ, χρειάζεται μόνο 3+1 βασικούς δομικούς λίθους για να χτίσει τον σημερινό κόσμο. Το άνω και το κάτω κουάρκ, το ηλεκτρόνιο και επιπλέον ένα πολύ παράξενο σωματίδιο, το νετρίνο. Αυτό το τελευταίο είχε προβλεφθεί από τον Πάολι (Wolfgang Pauli) από το 1930, αλλά μόνο το 1956 αποδείχθηκε και πειραματικά η ύπαρξή του. Είναι ένα ουδέτερο ηλεκτρικά σωματίδιο με εκπληκτικά μικρή μάζα. Στη πραγματικότητα η μάζα του είναι μικρότερη από το σφάλμα που κάνουν οι πειραματικές συσκευές και θεωρητικά το αντιμετωπίζουμε σαν να μην έχει μάζα, κάτι τελείως αποδεκτό κατά τη ειδική θεωρία της σχετικότητας. Το νετρίνο εμφανίζεται σαν προϊόν της διάσπασης του νετρονίου. Το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο ονομάζονται λεπτόνια (από την λέξη "λεπτός").

15ΦΕΡΜΙΛΑΜΠ

Ο Πίνακας των Στοιχειωδών Σωματιδίων περιέχει μόνο τους δομικούς

λίθους από τους οποίους αποτελείται η ύλη όλου του Σύμπαντος. Δεν μας λέει όμως, πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους τα σωματίδια για να συγκροτήσουν 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 – δυνάμεων που συναντάμε στην ύλη, μπορεί να καταταχθεί σε τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις. ηλεκτρομαγνητική δύναμη ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση-δύναμη ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση-δύναμη βαρυτική δύναμη

17

Στοιχειώδη Σωματίδια

Για να μελετήσουμε πληρέστερα τα στοιχειώδη σωματίδια αλλά και τις

αλληλεπιδράσεις τους με την ύλη, τα κατατάξαμε σε δυο κύριες κατηγορίες:

Τα σωματίδια δομής, που συμμετέχουν στη δομή της ύλης, και αυτά είναι τα κουάρκ και τα λεπτόνια, και στα

Τα σωματίδια φορείς, τα καλούμενα μποζόνια, που είναι σωματίδια-φορείς των δυνάμεων. Αυτά είναι το φωτόνιο για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, τα W και Z μποζόνια για την ασθενή αλληλεπίδραση, το γκλουόνιο για την ισχυρή αλληλεπίδραση και το υποθετικό βαρυτόνιο ή γκραβιτόνιο για τη βαρυτική δύναμη.

18

19

Πολλές είναι οι θεωρίες που

έχουν προταθεί για να εξηγήσουν τη δημιουργία του σύμπαντος και τους νόμους της φύσης όπως η θεωρία των φυσαλίδων, η θεωρία των χορδών, η θεωρία του καθιερωμένου προτύπου και άλλες.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) είναι η καλύτερη θεωρία που έχουν

αυτή τη στιγμή οι φυσικοί για να περιγράψουν το σύμπαν. Αυτή η θεωρία λέει ότι τα πάντα γύρω μας, είναι φτιαγμένα από τα 12 σωματίδια - τα κουάρκ και τα λεπτόνια - και τέσσερις δυνάμεις με τις οποίες τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν.

Οι δύο πιο γνωστές δυνάμεις είναι του ηλεκτρομαγνητισμού και της βαρύτητας.

Οι άλλες δύο δυνάμεις που δεν είναι τόσο γνωστές είναι: Η Ισχυρή Πυρηνική δύναμη που συγκροτεί τον ατομικό πυρήνα, καθιστώντας τον

σταθερό. Χωρίς αυτή δεν θα υπήρχαν άλλα άτομα εκτός από του υδρογόνου γιατί το υδρογόνο έχει ένα μόνο πρωτόνιο στον πυρήνα του.

Η Ασθενής Πυρηνική δύναμη που δημιουργεί τις πυρηνικές αντιδράσεις που επιτρέπουν στον ήλιο να λάμπει για δισεκατομμύρια χρόνια. Ως αποτέλεσμα, τρισεκατομμύρια νετρίνα έρχονται από τον ήλιο και περνούν μέσα απ' το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο, αλλά δεν τα νοιώθουμε γιατί η αλληλεπίδραση της Ασθενούς πυρηνικής δύναμης είναι πολύ μικρή. 22

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model)

Παρόλη την απίστευτή επιτυχία του, το Καθιερωμένο Πρότυπο έχει σοβαρές ελλείψεις. Για παράδειγμα, αν τα μόνα «συστατικά» του σύμπαντος είναι οι Δυνάμεις και τα Σωματίδια, τότε όλα τα σωματίδια θα πρέπει να ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, αντίθετα με ό,τι παρατηρείται στην πραγματικότητα. Διότι μέχρι τώρα δεν έχει βρεθεί ο μηχανισμός με τον οποίο τα σωματίδια να αποκτούν μάζα. Για να τα επιβραδύνουν λοιπόν, οι θεωρητικοί φυσικοί υποθέτουν την ύπαρξη ενός μυστηριώδους, πανταχού παρόντος και άγνωστου μέχρι σήμερα «πεδίου»-«υγρού» - «θάλασσα του Higgs», το Πεδίο Higgs.

23

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model)

Βαρυτική Αλληλεπίδραση

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.

25

ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ

Ηλεκτρο-μαγνητική Αλληλεπίδραση

Είναι υπεύθυνη για τη λειτουργία όλων των ηλεκτρικών μηχανών και τη διάδοση του φωτός. Αλλά είναι ακόμα υπεύθυνη για τη συγκρότηση των ατόμων: τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου και συγκρατούνται από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Ασκείται μεταξύ όλων των σωμάτων που έχουν ηλεκτρικό φορτίο είτε αυτά είναι ακίνητα είτε κινούνται.

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 θετικά φορτισμένων πρωτονίων είναι απωστικές. Όμως αυτά συγκρατούνται στον πυρήνα.

26

ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ

Ασθενής Πυρηνική Δύναμη

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.

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 και της δίνουμε αυθαίρετα ισχύ 1. Ας συγκρίνουμε τις υπόλοιπες με αυτήν. Η Ηλεκτρομαγνητική είναι περίπου 1000 (για πιο ακρίβεια 1370) φορές μικρότερη. Η Ασθενής Πυρηνική Δύναμη είναι 100.000 φορές μικρότερη από τη Ισχυρή. Η Βαρυτική Αλληλεπίδραση, πραγματικά είναι τραγικά μικρή: είναι 1038 (η μονάδα ακολουθούμενη από 38 μηδενικά!) φορές μικρότερη 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 τα πειράματα αυτά, στοιχεία για τη βαρυτική αλληλεπίδραση. Μόνο σε πειράματα όπου υπεισέρχονται τεράστιες μάζες όπως αστέρων ή γαλαξιών έχουμε τη δυνατότητα να δούμε τα αποτελέσματα αυτής της αλληλεπίδρασης.

27

Η ΙΣΧΥΣ ΤΩΝ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΩΝ

28

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 (I. Newton) ενοποίησε την ουράνια με την επίγεια μηχανική. Την επόμενη ενοποίηση την πραγματοποίησε ο Μάξουελ (J.C. Maxwell) 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.

31

Η ΕΝΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΩΝ

Η Ενοποίηση των Αλληλεπιδράσεων

Στις αρχές του 20ου αιώνα ο Αϊνστάιν (A. Einstein) 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 (S. Glashow), Σαλάμ (A. Salam) και Ουάϊνμπεργκ (S. Weinberg) είχαν ήδη τιμηθεί με το βραβείο Νομπέλ, ενώ τους ακολούθησαν για την ανακάλυψη του Z0 οι Ρούμπια (C. Rubbia) και Βαν ντερ Μερ (S. van der Meer).

32

Η ΕΝΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΩΝ

ΕΝΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΔΥΝΑΜΕΩΝ

ΚΗΔ = Κβαντική ηλεκτροδυναμική

ΚΧΔ = Κβαντική χρωμοδυναμική SUSY = Θεωρία Υπερσυμμετρίας = SUPER SYMETRY

S. Glashow, A. Salam, S. Weinberg

Οι θεωρίες που διατυπώνονται με σκοπό να περιγράψουν τη

δομή της ύλης πρέπει όχι μόνο να περιγράφουν τα παρατηρούμενα φαινόμενα αλλά επίσης να μην προβλέπουν άλλα, που με βεβαιότητα, δεν εμφανίζονται στη φύση.

Θα πρέπει να ελέγχεται κάθε πρόβλεψη μιας προτεινόμενης θεωρίας και να αποδεικνύεται ότι δεν έρχεται σε αντίφαση με τα παρατηρημένα φαινόμενα. Με απλά λόγια δεν θα πρέπει οι προβλέψεις τους να οδηγούν σε αφύσικα αποτελέσματα.

34

Γνωρίζουμε, μέσω λεπτομερών πειραματικών παρατηρήσεων, ότι η

ασθενής αλληλεπίδραση έχει μικρή ακτίνα δράσης. Επομένως, οι φορείς της W+, W- και Z0 θα πρέπει να έχουν μάζα. Είναι αδύνατο λοιπόν να θεμελιώσουμε την θεωρία της ασθενούς

αλληλεπίδρασης με άμαζο φορέα. Η δυσκολία αυτή εμφανίστηκε και όταν άρχισε η προσπάθεια

ενοποίησης της θεωρίας του ηλεκτρομαγνητισμού με την ασθενή αλληλεπίδραση.

Το πρόβλημα, είναι η παρουσία, στις μαθηματικές εκφράσεις ενός όρου που περιγράφει την μάζα του αντίστοιχου φορέα, με ταυτόχρονη όμως συμβατότητα και με αυστηρούς κανόνες. Όμως ο φορέας αυτός αν και έχει προβλεφθεί δεν έχει πειραματικά βρεθεί.

35

ΕΝΟΠΟΙΗΣΗ ΘΕΩΡΙΑΣ ΑΣΘΕΝΟΥΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΜΕ ΤΗ ΘΕΩΡΙΑ

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΥ

Η έκφραση "άμαζο σωματίδιο", όσο και αν ηχεί παράξενα, αποτελεί μια

πολύ καθορισμένη έννοια στη σχετικιστική κβαντομηχανική, δηλαδή την κβαντομηχανική που ενσωματώνει την ειδική θεωρία σχετικότητας του Einstein. Μια πρώτη απαίτηση για το "άμαζο σωματίδιο" είναι ότι η ταχύτητά του είναι πάντοτε ίση με την ταχύτητα του φωτός (ανεξάρτητα από την ταχύτητα του παρατηρητή).

Η μάζα του φορέα κάθε αλληλεπίδρασης συνδέεται άμεσα με την ακτίνα δράσης της αντίστοιχης αλληλεπίδρασης. Αν η δράση μιας αλληλεπίδρασης είναι άπειρη, τότε ο φορέας είναι άμαζος. Όσο μεγαλύτερη μάζα έχει ο αντίστοιχος φορέας τόσο η ακτίνα δράσης της αλληλεπίδρασης γίνεται μικρότερη. Μικρή ακτίνα δράσης σημαίνει ότι η ισχύς της αλληλεπίδρασης μειώνεται δραματικά με την απόσταση (με μαθηματικούς όρους έχουμε εκθετική πτώση της ισχύος).

36

Η έκφραση "άμαζο σωματίδιο",

Στη Φυσική υπάρχουν και πολλά παραδείγματα όπου μια

θεωρητική πρόβλεψη επαληθεύτηκε και πειραματικά. Κλασικό παράδειγμα είναι τα κουάρκ, που προτάθηκαν από τον M. Gell-Mann, ως καθαρά θεωρητικά κατασκευάσματα για να εξηγηθούν οι ιδιότητες της πληθώρας των σωματιδίων (πρωτόνιο, νετρόνιο, π, Κ, Λ, Σ κ.λπ.) που είχαν παρατηρηθεί στην δεκαετία του 1960.

37

Επαλήθευση θεωρητικής πρόβλεψης

Τι μας λείπει λοιπόν για την πειραματική απόδειξη της θεωρίας του

καθιερωμένου προτύπου; Μας λείπει ένας φορέας ο οποίος θα προσδώσει μάζα στα σωματίδια. Τον προβλέπει η θεωρία αλλά θα πρέπει να αποδειχθεί και

πειραματικά. Αυτό είναι το σωματίδιο του Χιγκς ή το μποζόνιο του Χιγκς ή το

σωματίδιο του θεού.

Είναι πολύ λογικό, λοιπόν, να αναρωτηθούμε τι σχέση έχει

αυτός ο μηχανισμός, που βοηθά να παρουσιαστούν οι κατάλληλοι όροι στις εξισώσεις μας, με τη φύση; Το ότι το higgs βοηθά στην παρουσία αυτών των όρων είναι απόδειξη της ύπαρξής του; Όχι βέβαια! Γι' αυτό άλλωστε και το ψάχνουμε!. Πράγματι, μπορεί αυτός ο μηχανισμός να είναι απλώς ένα επιφαινόμενο (δηλαδή πρόσθετο επακόλουθο ή συν-εκδηλωμένο φαινόμενο) και η φύση να είναι εξυπνότερη. Από την άλλη πλευρά, το καθιερωμένο μοντέλο που χρησιμοποιεί τον μηχανισμό αυτό είναι τόσο εκπληκτικά επιτυχές στις προβλέψεις του που θα ήταν άδικο να μην ενδιαφερθούμε να παρατηρήσουμε το σωματίδιο higgs.

39

Το συγκεκριμένο σωματίδιο αποτελεί μέρος της θεωρίας του

Καθιερωμένου προτύπου που πρωτοδιατυπώθηκε από τον φυσικό Πίτερ Χιγκς και άλλους τη δεκαετία του 1960, για να εξηγήσει πώς αποκτούν μάζα τα σωματίδια.

Η θεωρία προτείνει ότι υπάρχει ένα πεδίο ενέργειας Χιγκς σε όλο το Σύμπαν. Καθώς τα σωματίδια κινούνται μέσα του, αλληλεπιδρούν με το πεδίονκαι προσελκύουν Μποζόνια Χιγκς, τα οποία συγκεντρώνονται γύρω τους σε ποικίλους αριθμούς.

Εάν φανταστεί κανείς το Σύμπαν σαν ένα πάρτι, σχετικά άγνωστοι μεταξύ τους καλεσμένοι μπορούν να διασχίσουν ένα δωμάτιο χωρίς να γίνουν αντιληπτοί, ενώ οι πιο δημοφιλείς θα προσελκύσουν ομάδες φίλων (τα μποζόνια Χιγκς), οι οποίοι θα τους αναγκάσουν να επιβραδύνουν την πορεία τους. Το ίδιο ισχύει για σωματίδια που κινούνται στο πεδίο Χιγκς, καθώς κάποια θα προσελκύουν μεγαλύτερες συναθροίσεις μποζονίων Χιγκς, αποκτώντας μεγαλύτερη μάζα.

40

Πώς λειτουργεί το μποζόνιο Χιγκς;

Η ιδέα του Άγγλου φυσικού Higgs (αλλά και των Brout, Englert,

Guralnik, Hagen, Kibble και Nambu) για το μποζόνιο Higgs είναι ακριβώς η λύση για να ξεπεραστεί η δυσκολία και να εμφανιστεί ο όρος μάζα για τα σωματίδια φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης.

Κατ' αρχάς απαιτήθηκε η εισαγωγή στη θεωρία αυτού του νέου σωματιδίου με "παράξενες", αλλά πλήρως συμβατές με τους αυστηρούς κανόνες, ιδιότητες. Το νέο σωματίδιο, το σωματίδιο higgs, διαφέρει τόσο από τα σωματίδια ύλης δηλαδή τα κουάρκ και τα λεπτόνια, όσο και από τα σωματίδια φορείς των αλληλεπιδράσεων, όμως αλληλεπιδρά μαζί τους.

41

Γιατί θεωρείται επομένως τόσο σημαντική η ανακάλυψη του σωματιδίου

Το μποζόνιο του Χιγκς είναι ένα σωματίδιο, σήμα κατατεθέν του

πεδίου Χιγκς που απλώνεται σε ολόκληρο το Σύμπαν και προσδίδει στα σωματίδια τη μάζα που έχουν. Οφείλει το όνομά του στον 83χρονο σήμερα φυσικό από το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου Πίτερ Χιγκς, που πρότεινε την ύπαρξή του πριν από 48 χρόνια. Επιστήμονες θεωρούν ότι αμέσως μόλις έγινε η Μεγάλη Έκρηξη, πολλά σωματίδια δεν είχαν μάζα αλλά την απέκτησαν χάρη σε αυτό το πεδίο που φέρει το όνομα του. Κάποια σωματίδια αλληλεπιδρούν με το πεδίο αποκτούν μάζα. Η ύπαρξη του σωματιδίου Χιγκς που είναι αλληλένδετη με το ομώνυμο πεδίο, είναι καθοριστική για να κατανοήσουμε την προέλευση της μάζας.

42

Τι είναι το μποζόνιο του Χιγκς;

Το σωματίδιο του Χιγκς και το αντίστοιχο ομώνυμο πεδίο

που αναφέραμε πιο πάνω μάς εξηγούν πώς τα σωματίδια αποκτούν τη μάζα τους και στη συνέχεια ξεχύνονται στο Σύμπαν κατευθυνόμενα από διάφορες δυνάμεις για να δημιουργήσουν με τη συμπεριφορά τους τον κόσμο. Αν δεν υπήρχε η μάζα όλα τα σωματίδια, από το μικρότερο μέχρι το μεγαλύτερο, θα περιφέρονταν με ταχύτητα του φωτός χωρίς να υπάρχει τίποτα το υλικό, χειροπιαστό στο Σύμπαν. Η μάζα που αποτελεί εμάς τους ίδιους, τα ζώα, τα φυτά, ό,τι πιάνουμε και βλέπουμε στη Γη και στο Σύμπαν δεν θα υπήρχε με την μορφή που την βλέπουμε, θα ήταν μια σούπα σωματιδίων κινουμένων με την ταχύτητα του φωτός.

43

Γιατί θεωρείται επομένως τόσο σημαντική η ανακάλυψη του σωματιδίου

Ο εντοπισμός του μποζονίου του Χιγκς δεν θα μας πει κάτι

περισσότερο χρήσιμο από αυτά που γνωρίζουμε για το πώς λειτουργεί το Σύμπαν, θα καλύψει όμως ένα τεράστιο κενό στο Βασικό Μοντέλο του Καθιερωμένου Προτύπου, το οποίο κενό υπήρχε για πάνω από μισό αιώνα.

Αλλά γιατί έως τώρα δεν έχουμε παρατηρήσει το σωματίδιο του Χιγκς;

44

Για να παραγάγουμε ένα σωματίδιο στα πειράματα πρέπει

να έχουμε διαθέσιμη ενέργεια κατ' ελάχιστο ίση με το γινόμενο της μάζας του σωματιδίου επί το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός. Επομένως, αν το higgs έχει μεγάλη μάζα, τα έως σήμερα πειράματα δεν είχαν την ικανότητα να το παραγάγουν.

Πράγματι, οι θεωρητικές προβλέψεις για τη μάζα του higgs είναι τέτοιες ώστε να θεωρούμε ότι στα νέα πειράματα που ξεκίνησαν το 2009 στο CERN έχουμε επί τέλους ικανή ενέργεια να το παραγάγουμε και να το ανιχνεύσουμε.

45

Αλλά, γιατί έως τώρα δεν έχουμε παρατηρήσει το σωματίδιο higgs;

Με έμμεσο τρόπο. Δημιουργώντας συγκρούσεις με δέσμες

πρωτονίων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN, που εκτοξεύονταν η μία πάνω στην άλλη σχεδόν με ταχύτητα φωτός. Από τις συγκρούσεις αυτές προέκυπταν διάφορα σωματίδια που «παγιδεύονταν» στους ανιχνευτές του CERN και τα οποία υποδήλωσαν σε ορισμένες περιπτώσεις την ύπαρξη του σωματιδίου Χιγκς το οποίο ζει για απειροελάχιστο χρονικό διάστημα.

46

Με ποιον τρόπο κατάφεραν οι επιστήμονες να βρουν το επίμαχο σωματίδιο;

Αν και το πεδίο Higgs δεν είναι καθαυτό μετρήσιμο, επιταχυντές μπορούν να το διεγείρουν και να απελευθερώσουν ανιχνεύσιμα σωματίδια που ονομάζονται μποζόνια Higgs. Μέχρι πριν λίγο, πειράματα με τους πιο ισχυρούς επιταχυντές στον κόσμο δεν είχαν παρατηρήσει κανένα μποζόνιο Higgs, αλλά άμεσα πειραματικά δεδομένα υποδείκνυαν πως οι φυσικοί των στοιχειωδών σωματιδίων είναι μπροστά σε μία μεγάλη ανακάλυψη.

47

Αυτή δεν ήταν η πρώτη προσπάθεια.

To μποζόνιο του Χιγκς είναι μια εκδήλωση του λεγόμενου πεδίου Χιγκς, μέσω του οποίου η ύλη αποκτά τη μάζα της. Τα σωματίδια που δεν έχουν μάζα, για παράδειγμα το φωτόνιο, περνούν μέσα από το πεδίο χωρίς να συναντήσουν αντίσταση. Άλλα σωματίδια, όπως το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο, κολυμπούν με δυσκολία μέσα στο πεδίο. Και όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση που συναντούν, τόσο μεγαλύτερη η μάζα τους.

48

Αυτή δεν ήταν η πρώτη προσπάθεια.

Τους τελευταίους 18 μήνες οι επιστήμονες κυνηγούσαν το μποζόνιο

Χιγκς προκαλώντας συγκρούσεις πρωτονίων μέσα σε πεδία υψηλής ενέργειας στον κόστους 8 δισ. ευρώ Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN στην Γενεύη της Ελβετίας.

Μέσα του, στα έγκατα των γαλλοελβετικών Αλπεων, δημιουργούνται ακόμη μικρότερα σωματίδια που οι επιστήμονες παρατηρούν, αναζητώντας μία ένδειξη στα στοιχεία που να υποδεικνύει την ύπαρξη του μποζόνιου Χιγκς.

Σε κάθε περίπτωση, εάν υπάρχουν, τα μποζόνια Χιγκς θα παραμείνουν μυστηριώδη, καθώς εμφανίζονται και εξαφανίζονται ταχύτατα και οι επιστήμονες μπορούν μάλλον να παρατηρήσουν τα υπολείμματα και την επίδρασή τους, περισσότερο από ότι τα ίδια.

Μετά από χρόνια ερευνών οι επιστήμονες περιόρισαν το εύρος της πιθανής μάζας στην οποία θα μπορούσαν να υφίστανται τα μποζόνια Χιγκς. Μόλις ένα χρόνο πριν, μία στατιστική ανωμαλία τους έδειξε για πρώτη φορά ότι βρίσκονται στο σωστό δρόμο.

49

Πώς το αναζήτησαν οι επιστήμονες;

50

Οι επιστήμονες του "Large Hadron Collider" ανέφεραν ότι

είναι πλέον 99,99% σίγουροι ότι έφτασαν στην ανακάλυψη του σωματιδίου. Το σωματίδιο εντοπίστηκε στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Ο επιταχυντής είναι ένα τούνελ μήκους 18 μιλίων (28,96 χιλιόμετρα), το οποίο είναι θαμμένο στο υπέδαφος (100 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της Γης) κοντά στα σύνορα Ελβετίας και Γαλλίας, μέσα στο οποίο οι επιστήμονες προσπαθούν να δημιουργήσουν τις συνθήκες εκείνες που οδήγησαν στο Μπιγκ Μπανγκ, έτσι ώστε να ερμηνεύσουν τη γέννηση του Σύμπαντος. Ή αλλιώς, να "φωτογραφίσουν" τον Θεό.

Οι έρευνες πραγματοποιήθηκαν από δύο πολυπληθείς ομάδες ειδικών που συντονίστηκαν από τον καθηγητή Peter Higgs, το όνομα του οποίου δόθηκε στο σωματίδιο.

55

Κοντά στην ανακάλυψη της δημιουργίας του Σύμπαντος

Η ανεύρεση του μποζονίου του Χιγκς, το οποίο προτάθηκε

από τον Βρετανό φυσικό τη δεκαετία του 1960 ως το σωματίδιο εκείνο που προσδίδει μάζα σε άλλα σωματίδια, αποτελεί ένα σημαντικό βήμα για την επιβεβαίωση της λεγόμενης θεωρίας της υπερσυμμετρίας.

Η θεωρία αυτή, αποτελεί ένα πολύτιμο ερμηνευτικό εργαλείο για την κατανόηση βαθύτερων καταστάσεων και δυνάμεων που ρυθμίζουν τη λειτουργία του Σύμπαντος. Αυτές οι δυνάμεις είναι αόρατες από τον άνθρωπο και αντιπροσωπεύουν το 90% του Σύμπαντος.

56

Κοντά στην ανακάλυψη της δημιουργίας του Σύμπαντος

58

ΕΝΤΟΠΙΣΤΗΚΕ ΤΟ ΜΠΟΖΟΝΙΟ ΧΙΓΚΣ!

Τα ερευνητικά δεδομένα έδειξαν ότι το σωματίδιο που εντοπίστηκε είναι 133 φορές πιο βαρύ από το Πρωτόνιο που βρίσκεται στην καρδιά κάθε Ατόμου. 

«Είμαι έκπληκτος από την απίστευτη ταχύτητα με την οποία υπήρξαν αυτά τα αποτελέσματα ... είπε ο Χιγκς. Ποτέ δεν είχα διανοηθεί ότι θα παρακολουθούσα εν ζωή κάτι τέτοιο και θα ζητήσω από την οικογένειά μου να βάλει τη σαμπάνια να παγώνει», αναφέρει σε ανακοίνωσή του η οποία εστάλη από το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου όπου διδάσκει.

Ο ίδιος ωστόσο ήταν παρών στο επιστημονικό σεμινάριο που οργανώθηκε από το CERN στη Γενεύη για την παρουσίαση των ιστορικών αποτελεσμάτων του Μεγάλου Πειράματος.

59

60

ΠΙΤΕΡ ΧΙΓΚΣ

Σαμπάνια!Με αυτόν τον τρόπο εξέφρασε ο βρετανός φυσικός Πίτερ Χιγκς, 83 ετών, τη χαρά του μετά την ανακοίνωση για την ανακάλυψη ενός νέου υποατομικού σωματιδίου «συμβατού» με το μποζόνιο, του οποίου την ύπαρξη είχε προϋποθέσει ο ίδιος πριν από 50 χρόνια.

Στον Πίτερ Χιγκς δεν άρεσε το παρατσούκλι «σωματίδιο

του Θεού» που προσδόθηκε στο υπό αναζήτηση μποζόνιο, ήδη από τη δεκαετία του 1990. Ο ίδιος το έλεγε διαβολοσωματίδιο γιατί δεν μπορούσε να το βρει πειραματικά. Ωστόσο, επειδή η απόδειξη της ύπαρξής του θα ήταν ιδιαίτερα σημαντική, εξαιτίας του ρόλου που εκτιμάτο ότι έπαιζε, το παρατσούκλι έμεινε.

61

Το μποζόνιο του Χιγκς ή το σωματίδιο του Θεού;

62

O Πίτερ Χιγκς στην υπόγεια σήραγγα του LHC. Ο μεγάλος βρετανός φυσικός είχε την τύχη να δει τις προβλέψεις του να επιβεβαιώνονται.

"Το μποζόνιοΧιγκς, είναι αυτό που θέλουμε να είναι;"

Ο κ. Τράκας καθηγητής του Ε.Μ.Π. του τμήματος Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων είπε:

"Ανακοινώθηκε όντως η εύρεση ενός σωματιδίου, το οποίο δεν ξέρουμε ακόμα αν είναι αυτό που περιμένουμε. Κατά πάσα πιθανότητα είναι", απάντησε ο καθηγητής με μια σχετική επιφυλακτικότητα. "Πιο σημαντικό από την ανακάλυψη ή όχι είναι το εξής. Στην ουσία αναζητούμε εξισώσεις που να εξηγούν τη φύση. Κάνουμε μοντέλα. Παρατηρούμε στη φύση ότι τα σωματίδια έχουν μάζα. Από την άλλη μεριά τουλάχιστον μέχρι το 1965, οι εξισώσεις που είχαμε στα χέρια μας ήταν λάθος. Δεν μπορούσε κανείς να περιγράψει τα σωματίδια με μάζα. Τα μοντέλα μέχρι τότε ήταν ασυνεπή. Αυτό το κενό ήρθε να καλύψει η προσθήκη ενός νέου σωματιδίου".

Υπάρχει το σωματίδιο στη φύση;

"Το σωματίδιο δεν υπάρχει στη φύση. Αυτή τη στιγμή στη φύση υπάρχουν μόνο τρία. Τα υπόλοιπα παράγονται". Καταλήγοντας ο καθηγητής ανέφερε πως το μεγαλύτερο όφελος είναι η "μεγαλύτερη γνώση" και οι άπειρες δυνατότητες που ανοίγονται μπροστά μας από τη μελέτη και τη μεθοδολογία. Μέσα από τη μελέτη άλλωστε, όπως λέει, φτάσαμε στο σημείο το λέιζερ που χρησιμοποιείται στην ιατρική και όχι μόνο, "να πωλείται ακόμα και στα περίπτερα". "Καμία εφαρμογή δεν υπάρχει που να μην ξεκίνησε από τη βασική έρευνα", καταλήγει.

Μπορούμε να εξηγήσουμε κάθε φυσικό φαινόμενο πάνω στη Γη, καθώς και τις διεργασίες που συμβαίνουν στον Ήλιο και σε κάθε αστέρα που βλέπουμε στον νυχτερινό ουρανό.

66

Τι μπορούμε να εξηγήσουμε χρησιμοποιώντας το Καθιερωμένο Μοντέλο;

Με τη μελέτη του μποζονίου, μπορούμε να ελέγξουμε την αξιοπιστία της

πολύ φιλόδοξης θεωρίας της υπερσυμμετρίας, που κάνει λόγο για καινούργιες μορφές ύλης, δηλαδή τα υπερσυμμετρικά σωματίδια.

Με άλλα λόγια, όπως για κάθε σωματίδιο υπάρχει ένα αντισωματίδιο, έτσι μπορεί να υπάρχει και το υπερσυμμετρικό του σωματίδιο. Απέναντι σε ένα ηλεκτρόνιο ίσως να βρίσκεται ένα υπερσυμμετρικό ηλεκτρόνιο που ναι μεν διαθέτει το ίδιο φορτίο και αλληλεπιδρά με τον ίδιο τρόπο, διαθέτει ωστόσο άλλη μάζα και άλλη τρόπο περιφοράς.

Για την αναζήτηση του δυσδιάκριτου σωματιδίου που προσδίδει μάζα στο σύμπαν, έχουν δαπανηθεί ήδη δισεκατομμύρια ευρώ ενώ οι έρευνες αναμένεται να εντατικοποιηθούν.

67

Το μποζόνιο μπορεί να μας οδηγήσει στην κατανόηση του Σύμπαντος

Πρακτικά τι θετικά έχει η ανακάλυψη;

"Η έρευνα που επιτελείται στο CERN είναι αυτό που αποκαλούμε βασική έρευνα. Ο σκοπός είναι η παραγωγή γνώσης και δεν υπάρχει αρχικά καμία πρακτική εφαρμογή. Καμία. Παρόλα αυτά, πολλές πρακτικές εφαρμογές εμφανίζονται εκ των υστέρων. Για παράδειγμα, το CERN ανακάλυψε το WWW (World Wide Web) για άλλο λόγο,  η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίου (PET) χρησιμοποιεί όργανα (ανιχνευτές) που βασίζονται στη μέθοδο παρατήρησης σωματιδίων".

Χωρίς δουλειά δεν θα μείνει γιατί από εδώ και πέρα

περνάμε σε άλλο επίπεδο στη Φυσική, πιο δύσκολο. Είναι πολλά τα πράγματα που δεν κατανοούμε στο Σύμπαν και η συνδρομή του CERN ελπίζεται να είναι καθοριστική. Μεταξύ άλλων, στο μέλλον, οι επιστήμονες θα επιχειρήσουν να κατανοήσουν τη λεγόμενη σκοτεινή ύλη που λέγεται ότι αποτελεί το 25% του Σύμπαντος αλλά δεν εκπέμπει καθόλου φως ή κάποιο άλλο είδος ακτινοβολίας, τις μαύρες τρύπες και τις περίφημες έξτρα διαστάσεις.

69

Και τώρα με τι θα ασχολείται ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN;

http://www.youtube.com/watch?v=M4NNNBU9uhIhttp://www.youtube.com/watch?v=kDzsozneB7U&feature=endscreen&NR=1http://www.youtube.com/watch?v=QPg807AuDNk&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=QPg807AuDNk&feature=related

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

ΕΜΠ: Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών -  Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.), Νίκος ΤράγκαςΔιονύση Π. Σιμόπουλου, Διευθυντή Ευγενιδείου Πλανηταρίου http://www.youtube.com/watch?v=kDzsozneB7U&feature=endscreen&NR=1