Αναζητώντας “παράξενα” σωματίδια στο

A LargeIonColliderExperimnent

MasterClasses : Μαθήματα στοιχειωδών σωματιδίων

Σωματίδια, σωμάτια...● Εκτός από τα “διάσημα” πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια,

υπάρχουν πολλά άλλα:

– Ta πρωτόνια & νετρόνια (...νουκλεόνια) είναι φτιαγμένα από ... Quarks!

– Στα μάτια μας φτάνουν ...Φωτόνια από οτιδήποτε βλέπουμε

– Νετρίνα μας διαπερνούν αντιμετωπίζοντας μας σαν ...κενό!

– Βραχύβια σωματίδια εμφανίζονται και εξαφανίζονται στους

μετασχηματισμούς ύλης – ενέργειας (...θυμίζει κάτι η Εcmc2 ))

– Ο πυρήνας συγκρατείται σταθερός με ανταλλαγή γλουονίων, διαβάσαμε

για το σωμάτιο του Higgs, ή ίσως και τα βαρυόνια !

● Ο κατάλογος δεν σταματά εδώ. Και μην ξεχνάμε και την...αντιύλη!

Στοιχειώδη* Σωμάτια...*χωρίς δομή

Quarks: Στοιχειώδη συστατικά της ύλης

● Δεν υπάρχουν ελεύθερα, αλλά

συνδέονται σχηματίζοντας

αδρόνια (π.χ. πρωτόνια και

νετρόνια.)

● Είναι 6, έχουν φορτίο, μάζα,

spin και ...ιδιαίτερα ονόματα!

Th

e F

use

Schoo

ll

Quarks...● Quarks “up” και “dow””,

συνδέονται μεταξύ τους με ισχυρή

αλληλεπίδραση ανταλλάσοντας

γλουόνια

● “up” με φορτίο

● “down” με φορτίο

ph

ysic

s4u.w

ord

pre

ss

wik

ipe

dia

+2

3|e|

−1

3|e|

Ερωτήματα που περιμένουν

απάντηση...✗ Γιατί τα quarks μένουν

εγκλωβισμένα στον πυρήνα;✗ Με ποιο μηχανισμό αποκτούν

την μάζα τους;

Από την θεωρία ισχυρής αλληλεπίδρασης (“Κβαντική Χρωμοδυναμική”):

● Αν θερμοκρασία (...η κινητική ενέργεια...)

ξεπεράσει ένα κρίσιμο όριο, τα quarks

και τα γλουόνια ελευθερώνονται σε μία

κατάσταση πλάσματος QQuarkGluo”Plasma). (Κάτι

σαν μια ... ζεστή, μα πολύ ζεστή, ”σούπα” ~ 100.000 πιο ζεστή

από τον πυρήνα του ήλιου!)

– Οι συνθήκες αυτές υπήρχαν στις πρώτες

στιγμές του σύμπαντος και

– δημιουργούνται στον επιταχυντή LHC,

κατά την σύγκρουση πυρήνων με

ταχύτητες κοντά σε αυτήν του φωτός.

CE

RN

“Strange” Quarks, παράξενα αδρόνια, παράδοξος κόσμος!

● Στην ασταθή κατάσταση QGP εμφανίζονται (για

δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου) τα “stra”ge” quarks.

● Σχηματίζουν “παράξενα σωματίδια”

(“Strange particles”) όπως το Καόνιο ή το

Λάμδα .

● Μεγάλος αριθμός παράξενων σωματιδίων,

(αυξημένη παραδοξότητα) είναι ένδειξη ότι οι

συγκρούσεις έχουν οδηγήσει στην ζητούμενη

κατάσταση πλάσματος QGP.

CE

RN

ΚS

o

Λ

Μετρήσεις...

● Λόγω της ταχύτητας τους τα “παράξενα σωματίδια” προλαβαίνουν

να διανύσουν μικρές απόσταση (~ mm-cm) πριν διασπαστούν με

ορισμένο τρόπο.

● Μελετώντας τα προϊόντα της διάσπασης μπορούμε να βρούμε το

αρχικό σωματίδιο προέλευσης.

● Τα φορτισμένα προϊόντα (π.χ. π+) κινούνται κυκλικά μέσα σε

μαγνητικό πεδίο. Η τροχιά εξαρτάται από την ορμή και το φορτίο

τους.

CE

RN

Σκοπός του πειράματος...

● Στην κατάσταση QGP εμφανίζονται μεταβατικές δομές (σωματίδια εξαιρετικά βραχύβια) κατά τους μετασχηματισμούς ύλης – ενέργειας.

● Η μελέτη τους δίνει πληροφορίες για τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα συστατικά της της ύλης.

● Φτάνοντας στις καταστάσεις που επικρατούσαν στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος αναζητούμε απαντήσεις στα πρωταρχικά ερωτήματα..

Βικ

ιπα

ίδει

α

Η φυσική στη μελέτη μας...

● Στα φαινόμενα των διασπάσεων που μελετάμε,

εφαρμόζουμε βασικές αρχές όπως:

● Αρχή διατήρησης ορμής:

● Αρχή διατήρησης ενέργειας:

● Για την ενέργεια προφανώς χρησιμοποιούμε την

σχετικιστική μορφή:

● O συνδυασμός τους οδηγεί σε μια απλή εξίσωση

όπου από τις μάζες και τις ορμές των προϊόντων

υπολογίζουμε την μάζα του αρχικού “παράξενου

σωματιδίου”.

– Ωχ, πράξεις; Όχι! Όλα αυτά τα αναλαμβάνει το

λογισμικό που χρησιμοποιούμε στην άσκηση και είναι

απλοποιημένη μορφή των αντίστοιχων που

χρησιμοποιούνται στο πείραμα ALICE.

The p

art

icle

ad

ven

ture

p⃗1= p⃗

2+ p⃗

3

Ε2= p

2c2+m

2c4

Ε1=Ε

2+Ε

3

Η άσκηση...

● Στην άσκηση χρησιμοποιούμε

δεδομένα που έχουν καταγραφεί

από τους ανιχνευτές του πειράματος.

● Με την χρήση του λογισμικού

προσπαθούμε να ανιχνεύσουμε την

ύπαρξη παράξενων σωματιδίων.

● Ειδικότερα, και πάντα μέσα από το

λογισμικό.

– Παρατηρούμε τροχιές σωματιδίων από

διασπάσεις, προβλέπουμε την

προέλευση τους και την

επιβεβαιώνουμε με χρήση των τιμών

μάζας – ορμής.

– Η γραφική ανάλυση των

αποτελεσμάτων δίνει πληροφορίες για

το αποτέλεσμα της κρούσης των

πυρήνων.

AL

ICE

Ma

ste

rcla

sses

Η άσκηση...

Αναλυτική περιγραφή της άσκησης υπάρχει στην ιστοσελίδα του ALICE MasterClass (και σε ελληνική

γλώσσα)...

AL

ICE

Maste

rcla

sses

Η άσκηση...

Αναλυτική περιγραφή της άσκησης υπάρχει στην ιστοσελίδα του ALICE MasterClass (και σε ελληνική

γλώσσα)...

ALIC

E M

aste

rcla

sse

s

Πηγές

● Ελληνική Ομάδα Εκλαϊκευσης

● CERN, Ευρωπαϊκό εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων

● Alice Masterclasses Videos

● Αναζητώντας παράξενα σωματίδια στο ALICE

● Μεγάλη έκρηξη

● CERN/ALICE

● The Particle Adventure

● Βικιπαίδεια, Particle Overview

Επιμέλεια: Νίκος Αναστασάκης, Φυσικός υπ. Ε.Κ.Φ.Ε.Χανίων