CERNΠαναγιωτοπούλου Κατερίνα

Γ’ 4

Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων

• Είναι ένας κλάδος της φυσικής που μελετά τα στοιχειώδη σωματίδια που συγκροτούν την ύλη καθώς και την συμπεριφορά (ακτινοβολία = το προϊόν της εκπομπής μιας πηγής, όπως σωματίδια ύλης ή ηλεκτρομαγνητικά κύματα που έχουν την τάση να απομακρύνονται από την πηγή, καθώς βάλλονται από αυτήν) και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Λέγεται επίσης και φυσική υψηλών ενεργειών, επειδή πολλά στοιχειώδη σωματίδια δεν υφίστανται υπό τις συμβατικές συνθήκες που συναντάμε στη φύση όπως τη γνωρίζουμε στον πλανήτη μας, αλλά μπορούν να δημιουργηθούν και να ανιχνευθούν μέσω ενεργειακών κρούσεων (κρούση= η άσκηση μεγάλων δυνάμεων μεταξύ δύο σωμάτων για πολύ μικρό χρονικό διάστημα) με άλλα σωματίδια, όπως γίνεται στους επιταχυντές σωματιδίων (μια ειδική μηχανική διάταξη που μπορεί και επιταχύνει σωματίδια σε μεγάλες ταχύτητες, που μπορεί να φτάσουν ένα σημαντικό ποσοστό της ταχύτητας του φωτός)

Στοιχειώδη σωματίδια• Στοιχειώδες σωματίδιο: είναι

το μικρότερο δομικό σωματίδιο της ύλης που έχει ανακαλυφθεί και που δεν διαιρείται περαιτέρω, τουλάχιστον με τα σημερινά δεδομένα, σε ακόμη μικρότερα.

1) Σωματίδια δομής: φερμιόνια (κουάρκ και λεπτόνια )

2) Σωματίδια φορείς: μπαζόνια (φωτόνια, W και Z, γκλουόνιο, βαρυτόνιο)

Καθιερωμένο Πρότυπο Το καθιερωμένο πρότυπο (Standard

Model) είναι μια φυσική θεωρία που περιγράφει τα δομικά συστατικά της ύλης και μεταξύ τους ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Πρόκειται για μια πολύ καλά θεμελιωμένη θεωρία που έχει ανταπεξέλθει σε πάρα πολλούς πειραματικούς ελέγχους. Στην πραγματικότητα είναι μια σύνθεση θεωριών. Η σημερινή σύνθεση ολοκληρώθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1970, μετά από πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης των κουάρκ.

Τι είναι το CERN;• Το CERN (Conseil Europeenne pour la Recherche Nu

cleaire) είναι το μεγαλύτερο σε έκταση πειραματικό κέντρο πυρινικών ερευνών και ειδικότερα επί της σωματιδιακής φυσικής στον κόσμο.

• Ιδρύθηκε το 1954 από 12 ευρωπαϊκές χώρες εκ των οποίων και η Ελλάδα και σήμερα αριθμεί 20 κράτη-μέλη. Βρίσκεται δυτικά της Γενεύης, στα σύνορα Ελβετίας και Γαλλίας.

• Τα CERN απασχολεό περίπου 3000 ανθρώπους (μηχανικούς,τεχνικούς, τεχνίτες, διοικητικούς, εργάτες κλπ )

• Περίπου 6500 επιστήμονες (σχεδόν οι μισοί φυσικοί σωματιδίων του κόσμου) έρχονται στο CERN για τις έρευνες τους. Εκπροσωπούν 500 Πανεπιστήμια και περισσότερα από 80 έθνη.

• Το CERN ερευνά τα συστατικά της ύλης και το είδος των δυνάμεων που την κρατούν ενωμένη.

Επιταχυντής LHC• Ο LHC (Large Hadron Collider),

στα ελληνικά Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων, είναι ένας επιταχυντής στοιχειωδών σωματιδίων στο ευρωπαϊκό κέντρο πυρηνικών ερευνών CERN της Γενεύης.

• Ο LHC είναι πολύ κοντά στην ταυτοποίηση του σωματιδίου Χιγκς. Η επιβεβαίωση της ύπαρξης του θα ερμηνεύσει πως τα υπόλοιπα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν μάζα κατά το μοντέλο Χιγκς.

• Ο LHC είναι ο μεγαλύτερος, με μέγιστη ενέργεια, επιταχυντής στον κόσμο . Χρησιμοποιείται κυρίως για την έρευνα φαινομένων που θα προκύψουν από τη σύγκρουση δεσμών πρωτονίων-πρωτονίων, σε πολύ μεγάλες ενέργειες (7TEV= μονάδα μέτρησης της ενέργεια και χρησιμοποιείται κυρίως σε ατομικό και υποατομικό επίπεδο). Η εγκατάστασή του πραγματοποιήθηκε στην υπόγεια σήραγγα του επιταχυντή LEP με περιφέρεια 27 χιλιομέτρων και σε βάθος περίπου 100 μέτρων. Σε όλη αυτή τη διαδρομή έχουν τοποθετηθεί δύο σωλήνες μέσα στους οποίους επικρατεί υψηλό κενό (χαμηλότερη πίεση από αυτή του διαστήματος). Τους σωλήνες διατρέχουν οι δέσμες των πρωτονίων κινούμενες αντίθετα. Για την επιτάχυνση των πρωτονίων χρησιμοποιούνται ηλεκτρικά πεδία μέσα από τα οποία κάθε φορά που περνούν τα πρωτόνια κερδίζουν ενέργεια. Οι διατάξεις αυτές ονομάζονται ηλεκτρομαγνητικές κοιλότητες. Για να αναγκαστούν τα πρωτόνια να κινηθούν σε κυκλική τροχιά χρησιμοποιούνται μαγνήτες που βρίσκονται σε όλο το μήκος της διαδρομής.

Ανιχνευτής ATLAS• Ο ανιχνευτής ATLAS ( A Toroidal LHC

Apparatus) είναι μια δακτυλιοειδής συσκευή του LHC, η οποία ανιχνεύει τα προϊόντα της σύγκρουσης των πρωτονίων. Στο κέντρο του ATLAS συγκρούονται δύο δεσμίδες πρωτονίων (με 100.000.000 πρωτόνια η κάθε μία) οι οποίες έχουν ήδη επιταχυνθεί με αντίθετες κατευθύνσεις μέσα στον επιταχυντή LHC. Κατά τη σύγκρουση τα πρωτόνια της μίας δεσμίδας μπορεί να αλληλεπιδράσουν ασθενώς με αυτά της άλλης, οπότε απλά να αλλάξουν πορεία, αλλά μπορεί επίσης να αλληλεπιδράσουν ισχυρά, να σπάσουν, δηλαδή να μην αναγνωρίζονται πια ως πρωτόνια. Στη δεύτερη περίπτωση δημιουργούνται νέα σωματίδια. Αυτά τα νέα σωματίδια είναι που ανιχνεύει ο ATLAS.

Ανιχνευτής CMS• Ο ανιχνευτής CMS ( Compact

Muon Solenoid), στα ελληνικά Συμπαγές Μιονικό Σωληνοειδές, περιλαμβάνει 100.000.000 ανιχνευτικά στοιχεία, τα οποία αναζητούν σημάδια που μαρτυρούν την ύπαρξη νέων σωματιδίων και φαινομένων, 40.000.000 φορές το δευτερόλεπτο. Όπως κι ο ανιχνευτής ATLAS μελετά συγκρ5ούσεις πρωτονίων.

Ανιχνευτής ALICE• Το πείραμα ALICE στο SERN

είναι σχεδιασμένο για την μελέτη συγκρούσεων πυρήνων μολύβδου σε πολύ ψηλές ενέργειες. Ο ανιχνευτής ALICE ζυγίζει 10.000 τόνους, έχει ύψος 16 μέτρα και μήκος 26 μέτρα. Αποτελείται από 18 υπο-ανιχνευτές οι οποίοι ιχνηλατούν και αναγνωρίζουν δεκάδες χιλιάδες σωματίδια που παράγονται σε κάθε μία από τις 8000 συγκρούσεις βαρέων ιόντων ανά δευτερόλεπτο.

Ανιχνευτής LHCb• Ο ανιχνευτής LHCb (Large

Hadron Collider beauty), είναι ένα ενιαίο μπροστινό φασματόμετρο βεαχιόνων με μια πολική γωνιακή κάλυψη από 10 mrad 300 mrad στον ορίζοντα και 250 mrad στο κάθετο επίπεδο. Σχεδιάστηκε για την έρευνα των σωματιδίων που ονομάζονται μεσόνια, τα οποία διασπόνται σε καόνια και πιόνια.

Σύγκρουση των πρωτονίων

• Σε τέσσερα σημεία του επιταχυντή υπάρχουν τεράστιοι ανιχνευτές και εκεί συγκρούονται μεταξύ τους τα πρωτόνια. Ο LHC έχει δύο υπεραγώγιμους δακτύλιους, στους οποίους τα πρωτόνια συγγρούονται σε πυκνές δέσμες, προκειμένου να επιτυγχάνονται όσο το δυνατόν περισσότερες συγγρούσεις.

Επιτάχυνση πρωτονίων• Τα πρωτόνια πριν μπουν

στον επιταχυντή LHC δεν προεπιταχύνονται από άλλους επιταχυντές μικρότερης ενέργειας. Σε τέσσερα σημεία του επιταχυντή υπάρχουν τεράστιοι ανιχνευτές όπου συγκρούονται μεταξύ τους τα πρωτόνια. Η ενέργεια που επιτυγχάνεται σε αυτές τις συγκρούσεις φτάνει τα 7Tev σε κάθε δέσμη πρωτονίων.

Το πείραμα του αιώνα• Το πείραμα του αιώνα είναι το

σύνολο των εξής 4 πειραμάτων (ATLAS, CMS, ALICE, LCHb).

Στο καθένα από αυτά, επιστήμονες από όλο τον κόσμο καταγράφουν τα σωματίδια που παράγονται από τις συγκρούσεις και κάνουν «ανάλυση δεδομένων» μέσα από την οποία προκύπτουν νέα σωματίδια ή όχι.

ΤΕΛΟΣ