· Web viewΤα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του...

12
ΒΡΑΒΕΙΟ NOBEL ΦΥΣΙΚΗΣ 2004 "Για την ανακάλυψη της ασυμπτωτικής ελευθερίας των Ισχυρών αλληλεπιδράσεων" David J. Gross H. David Politzer Frank Wilczek 1/3 του βραβείου 1/3 του βραβείου 1/3 του βραβείου USA USA USA University of California, Kavli Institute for Theoretical Physics Santa Barbara, CA, USA California Institute of Technology (Caltech) Pasadena, CA, USA Massachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USA b. 1941 b. 1949 b. 1951 Η Ισχυρή δύναμη εξηγήθηκε Η ισχυρή αλληλεπίδραση –συχνά καλούμενη και χρωματική αλληλεπιδραση – είναι μία από τις τέσσερεις βασικές δυνάμεις της Φύσης. Δρά ανάμεσα στα quarks, τα συστατικά με τα οποία κατασκευάζονται τα πρωτόνια, τα νετρόνια και οι πυρήνες. Πρόοδος στην σωματιδιακή Φυσική ή η σημασία της στην καθημερινή μας ζωή μπορεί μερικές φορές να φαίνεται δύσκολο να κατανοηθεί από κάποιον που δεν έχει γνώση της Φυσικής. Παρόλα αυτά όταν αναλύουμε ένα καθημερινό φαινόμενο όπως το ρίξιμο ενός νομίσματος στο τραπέζι, οι κινήσεις του προσδιορίζονται στην πραγματικότητα από τις βασικές δυνάμεις ανάμεσα στους βασικούς θεμέλιους λίθους – πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια – Πράγματι περίπου τα 80% του βάρους του νομίσματος οφείλεται στις κινήσεις του και στις διαδικασίες στο εσωτερικό των πρωτονίων και των νετρονίων – η αλληλεπίδραση μεταξύ quarks. Ο David Gross, ο David Politzer και ο Frank Wilczek ανακάλυψαν μια ιδιότητα των ισχυρών αλληλεπιδράσεων η οποία εξηγεί γιατί τα quarks μπορούν να συμπεριφέρονται σχεδόν σαν ελεύθερα σωματίδια μόνο σε πολύ υψηλές ενέργειες. Αυτή η ανακάλυψη οδήγησε στα θεμέλια της χρωματικής αλληλεπίδρασης (ένα ποιο ολοκληρωμένο όνομα είναι Κβαντική – Χρωμο – Δυναμική (QCD). Η θεωρία έχει εξεταστεί με μεγάλη

Transcript of  · Web viewΤα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του...

Page 1:  · Web viewΤα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του φορτίου του πρωτονίου – 1/3 ή 2/3, ένα παράξενο φαινόμενο

ΒΡΑΒΕΙΟ NOBEL ΦΥΣΙΚΗΣ 2004

"Για την ανακάλυψη της ασυμπτωτικής ελευθερίας των Ισχυρών αλληλεπιδράσεων"

David J. Gross H. David Politzer Frank Wilczek1/3 του βραβείου 1/3 του βραβείου 1/3 του βραβείου

USA USA USAUniversity of California, Kavli Institute for Theoretical Physics Santa Barbara, CA, USA

California Institute of Technology (Caltech) Pasadena, CA, USA

Massachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USA

b. 1941 b. 1949 b. 1951

Η Ισχυρή δύναμη εξηγήθηκε

Η ισχυρή αλληλεπίδραση –συχνά καλούμενη και χρωματική αλληλεπιδραση – είναι μία από τις τέσσερεις βασικές δυνάμεις της Φύσης. Δρά ανάμεσα στα quarks, τα συστατικά με τα οποία κατασκευάζονται τα πρωτόνια, τα νετρόνια και οι πυρήνες. Πρόοδος στην σωματιδιακή Φυσική ή η σημασία της στην καθημερινή μας ζωή μπορεί μερικές φορές να φαίνεται δύσκολο να κατανοηθεί από κάποιον που δεν έχει γνώση της Φυσικής. Παρόλα αυτά όταν αναλύουμε ένα καθημερινό φαινόμενο όπως το ρίξιμο ενός νομίσματος στο τραπέζι, οι κινήσεις του προσδιορίζονται στην πραγματικότητα από τις βασικές δυνάμεις ανάμεσα στους βασικούς θεμέλιους λίθους – πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια – Πράγματι περίπου τα 80% του βάρους του νομίσματος οφείλεται στις κινήσεις του και στις διαδικασίες στο εσωτερικό των πρωτονίων και των νετρονίων – η αλληλεπίδραση μεταξύ quarks.

Ο David Gross, ο David Politzer και ο Frank Wilczek ανακάλυψαν μια ιδιότητα των ισχυρών αλληλεπιδράσεων η οποία εξηγεί γιατί τα quarks μπορούν να συμπεριφέρονται σχεδόν σαν ελεύθερα σωματίδια μόνο σε πολύ υψηλές ενέργειες. Αυτή η ανακάλυψη οδήγησε στα θεμέλια της χρωματικής αλληλεπίδρασης (ένα ποιο ολοκληρωμένο όνομα είναι Κβαντική – Χρωμο – Δυναμική (QCD). Η θεωρία έχει εξεταστεί με μεγάλη προσοχή ειδικότερα κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής, στο CERN, στη Γενεύη. Το Καθιερωμένο Μοντέλο και οι τέσσερεις δυνάμεις της Φύσης

Η πρώτη δύναμη η οποία πρέπει να έγινε αντιληπτή στους ανθρώπους είναι η βαρύτητα.. Αυτή είναι η αλληλεπίδραση η οποία προκαλεί την πτώση των σωμάτων στο έδαφος αλλά επίσης διέπει τις κινήσεις των πλανητών και των γαλαξιών. Η βαρύτητα. Μπορεί να φαίνεται ισχυρή δύναμη – θεωρήστε π.χ. τους μεγάλους κρατήρες οι οποίοι σχηματιστήκαν από κομήτες που προσέκρουσαν στη γη, ή τους τεράστιους πυραύλους οι οποίοι απαιτούνται για να σηκώσουν ένα δορυφόρο στο διάστημα. Παρόλα αυτά στο μικρόκοσμο μεταξύ σωματιδίων όπως ηλεκτρονίων και πρωτονίων η δύναμη βαρύτητας είναι εξαιρετικά ασθενής (Σχήμα 1).

Οι τρεις δυνάμεις ή αλληλεπιδράσεις όπως οι φυσικοί προτιμούν να τις αναφέρουν εμφανίζονται στο μικρόκοσμο περιγράφονται από το «Καθιερωμένο Μοντέλο» . Είναι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η

Page 2:  · Web viewΤα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του φορτίου του πρωτονίου – 1/3 ή 2/3, ένα παράξενο φαινόμενο

ασθενής και η ισχυρή αλληλεπίδραση. Μεταξύ των συμμετεχόντων σε αρκετά προγενέστερα βραβεία Nobel το «Καθιερωμένο Μοντέλο» έχει μεγάλη θεωρητική υφή. Αυτό γιατί είναι η μόνη μαθηματική περιγραφή η οποία λαμβάνει υπόψη του και την θεωρεία της σχετικότητας του Einstein και την κβαντομηχανική. Το «Καθιερωμένο Μοντέλο» περιγράφει σωματίδια όπως τα quarks, τα λεπτόνια και τα σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις. Τα ηλεκτρόνια τα οποία σχηματίζουν τον εξωτερικό φλοιό των ατόμων είναι λεπτόνια και, από όσο ξέρουμε δεν είναι κατασκευασμένα από μικρότερα σωματίδια. Το άτομο μεταπηδά στο σχηματισμό μορίων, τα μόρια σχηματίζουν δομές και με αυτόν τον τρόπο το όλο σύμπαν μπορεί τελικά να περιγραφεί.

Σχήμα. 1. Οι τέσσερεις δυνάμεις (ή αλληλεπιδράσεις) της Φύσης, τα σωματίδια φορείς των δυνάμεων των και τα φαινόμενα ή σωματίδια που επηρεάζονται από αυτές. Οι τρεις δυνάμεις που ελέγχουν τον μικρόκοσμο είναι όλες μικρότερες από την βαρύτητα και έχουν ενοποιηθεί με το «Καθιερωμένο Μοντέλο».

 Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση παρέχει φως και συνοχή

Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, είναι υπεύθυνη για ένα μεγάλο πλήθος καθημερινών φαινομένων στον κόσμο που μας περιβάλει όπως τριβή, μαγνητισμός και του γεγονότος ότι ούτε εμείς ούτε τα αντικείμενα τα οποία βρίσκονται γύρω μας διαπερνούν το πάτωμα.ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση η οποία συνδέει ένα ηλεκτρόνιο με ένα πρωτόνιο στο άτομο του Υδρογόνου είναι ο ασύλληπτα μεγάλος αριθμός 1041 φορές ισχυρότερος από την βαρύτητα. ¨όμως παρόλη την τεράστια διαφορά σε σθένος μεταξύ των δύο αλληλεπιδράσεων υπάρχουν και αρκετές ομοιότητες. Το σθένος και των δύο αλληλεπιδράσεων ελαττώνεται όπως το τετράγωνο της απόστασης και είναι και οι δύο απείρου εμβέλειας. Και οι δύο αλληλεπιδράσεις η ηλεκτρομαγνητική και η βαρυτική ασκούνται δια μέσου σωματιδίων που ονομάζονται φορείς δυνάμεων το graviton (βαρυτόνιο) και το φωτόνιο (το πιο ελαφρό σωματίδιο). Το graviton (βαρυτόνιο) σε αντίθεση με το

Page 3:  · Web viewΤα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του φορτίου του πρωτονίου – 1/3 ή 2/3, ένα παράξενο φαινόμενο

φωτόνιο δεν έχει ακόμη πειραματικά ευρεθεί. Η ιδιότητα της απείρου εμβέλειας και των δύο αλληλεπιδράσεων μπορεί να αποδειχθεί ότι οφείλετε στο ότι έχουν μηδενική μάζα. Τα φωτόνια του Ήλιου είναι απαραίτητα είναι απαραίτητα για τη ζωή στη γη. Επιπλέον όταν η ενέργεια αυτή παράγεται από σύντηξη στο κέντρο του Ηλίου, οι άλλες δύο αλληλεπιδράσεις του «Καθιερωμένου Μοντέλου» παίζουν σπουδαίο ρόλο επίσης. Το φωτόνιο έχει μια σπουδαία ακόμη ιδιότητα; είναι ηλεκτρικά ουδέτερο αλλά συνδέεται με άλλα ηλεκτρικά φορτία. Αυτός είναι ο λόγος που τα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση περιγράφεται από την θεωρία της κβαντο-ηλεκτρο-δυναμικής (QED), μια από τις πιο πετυχημένες θεωρίες της φυσικής. Συμφωνεί με τα αποτελέσματα των πειραμάτων με ακρίβεια ενός μέρους στα δέκα εκατομμύρια. Στους Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger και Richard Feynman απονεμηθεί το βραβείο Nobel το 1965. Ένας από τους λόγους που είναι τόσο επιτυχημένη είναι γιατί η εξίσωση η οποία την περιγράφει περιέχει μια μικρή σταθερά την καλούμενη σταθερά ζεύξης,αm, που η τιμή της είναι 1/137 σημαντικά μικρότερη από το 1.

Αυτό καθιστά δυνατό τον υπολογισμό ηλεκτρομαγνητικών φαινόμενων με μια επέκταση σε σειρά αυτής τη μικρής σταθεράς. Αυτή η κομψή μαθηματική μέθοδος ονομάζεται θεωρία διαταραχών και αναπτύχθηκε κυρίως από τον Feynman.

Μια σημαντική ιδιότητα της κβαντομηχανικής στην QED θεωρία είναι ότι μπορεί να δειχθεί ότι η σταθερά ζεύξης μεταβάλλεται με την ενέργεια; Αυξάνεται όσο αυξάνεται η ενέργεια. Στους σημερινούς επιταχυντές παραδείγματος χάριν στον LEP στο CERN η τιμή της έχει μετρηθεί να είναι 1/128 μάλλον αντί για 1/137 σε ενέργειες που αντιστοιχούν σε 100 δισεκατομμύρια ηλεκτονιοβοτ (eV). Εάν η ενεργειακή εξάρτηση της σταθεράς ζεύξης σχεδιαστεί σε συνάρτηση με την αντίστοιχη ενέργεια τότε η κλήση της καμπύλης ελαφρά ανεβαίνει. Οι θεωρητικοί φυσικοί τότε λένε ότι η παράγωγος, ή η βήτα –συνάρτηση είναι θετική πάντα.

Page 4:  · Web viewΤα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του φορτίου του πρωτονίου – 1/3 ή 2/3, ένα παράξενο φαινόμενο

Η ασθενής αλληλεπίδραση – ραδιενεργός διάσπαση

Η ασθενής αλληλεπίδραση μεταφέρεται από μποζόνια, W± και Z0 σωματίδια που αντιθέτως από το φωτόνιο και το graviton (βαρυτόνιο) έχουν μεγάλες μάζες (προσεγγιστικά 100 μάζες πρωτονίου!). Αυτός είναι και ο λόγος που η ασθενής αλληλεπίδραση είναι μικρής εμβέλειας. Δρα και στα quarks και στα λεπτόνια και είναι υπεύθυνη για τις ραδιενεργούς διασπάσεις. Είναι πολύ συνδεδεμένη με την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση και οι δύο αλληλεπιδράσεις λέγεται ότι είναι ενοποιημένες σε μία αλληλεπίδραση την ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση η οποία τελικά διασαφηνίστηκε το 1970, από τους Gerardus ’t Hooft και Martinus Veltman που τους απονεμηθεί το βραβείο Nobel το 1965 για την τελική διατύπωση αυτής της θεωρίας.

Η Ισχυρή αλληλεπίδραση – φορτίο και χρώμα

Ήταν γνωστό από το τη δεκαετία του 1960 ότι τα πρωτόνια (και τα νετρόνια) αποτελούνται από quarks. Όμως όλως περιέργως δεν ήταν δυνατόν να παραχθούν ελεύθερα quarks. Είναι περιορισμένα, μια θεμελιώδης ιδιότητα αυτών των δομικών σωματιδίων. Μόνο σύνολα από quarks, δύο ή τρία, μπορούν να υπάρξουν ελεύθερα παραδείγματος χάριν το πρωτόνιο. Τα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του φορτίου του πρωτονίου – 1/3 ή 2/3, ένα παράξενο φαινόμενο το οποίο δεν έχει ακόμη εξηγηθεί. Κάθε quark, μαζί με το φορτίο του έχει επίσης μια παράξενη ιδιότητα η οποία όπως το ηλεκτρικό φορτίο, είναι κβαντισμένο το οποίο σημαίνει ότι παίρνει μόνο διακριτές και ορισμένες τιμές. Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται χρωματικό φορτίο και οφείλει το όνομά της στην ομοιότητα με την ιδιότητα του χρώματος.

Τα quarks μπορούν να μεταφέρουν χρωματικό φορτίο κόκκινο, μπλε και πράσινο. Για κάθε quark υπάρχει ένα antiquark κατά τον ίδιο τρόπο που για κάθε ηλεκτρόνιο υπάρχει ένα αντισωμάτιο του το ποσιτρόνιο. Τα antiquarks έχουν χρωματικό φορτίο αντικόκκινο, αντιμπλέ και αντιπράσινο. Σύνολα από quarks, τα οποία μπορούν να υπάρξουν ελευθέρα έχουν ουδέτερο χρώμα. Τα τρία quarks του πρωτονίου (u, u και d) έχουν διαφορετικά χρωματικά φορτία έτσι ώστε το συνολικό χρωματικό φορτίο να είναι λευκό (ουδέτερο). Με τον ίδιο τρόπο όπως τα ηλεκτρικά ουδέτερα μόρια μπορούν να σχηματίζουν δεσμούς (δια μέσου των έλξεων των θετικών και των αρνητικών μερών τους), η ανταλλαγή δυνάμεων μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων στους πυρήνες συμβαίνει δια μέσου των χρωματικών δυνάμεων διαρρέουν μεταξύ των quarks των και των και των φορέων δυνάμεων σωματιδίων.

Η δύναμη μεταξύ των quarks μεταφέρεται από τα γλουόνια (gluons) (από τη λέξη ‘κόλλα’), τα οποία, όπως τα φωτόνια στερούνται μάζας. Τα gluons, όμως, σε αντίθεση με τα φωτόνια επίσης έχουν την ιδιότητα του χρωματικού φορτίου, που αποτελείται από χρώμα και αντιχρώμα. Αυτή η ιδιότητα είναι που κάνει την χρωματική δύναμη τόσο πολύπλοκη και διαφορετική από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη.

Page 5:  · Web viewΤα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του φορτίου του πρωτονίου – 1/3 ή 2/3, ένα παράξενο φαινόμενο

Μια ασθενέστερη σύνδεση απελευθερώνει τα σωματίδια

Για ένα μεγάλο διάστημα οι φυσικοί πίστευαν ότι ήταν αδύνατον να βρεθεί μια θεωρία με την οποία τα αποτελέσματα των ισχυρών αλληλεπιδράσεων ανάμεσα στα quarks θα μπορούσαν να υπολογιστούν με τον ίδιο τρόπο όπως στις ηλεκτρομαγνητικές ή στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Παραδείγματος χάριν αν μελετηθεί η αλληλεπίδραση μεταξύ πρωτονίων στον πυρήνα πολύ καλά αποτελέσματα θα μπορούσαν να ληφθούν περιγράφοντάς την σαν ανταλλαγή ενός pi-μεσονίου – μια ιδέα που έδωσε στον Hideki Yukawa το βραβείο Nobel το 1949. Όμως χρειάζεται μια σταθερά ζεύξης μεγαλύτερη από 1 το οποίο σημαίνει ότι η μέθοδος (θεωρία διαταραχών) του Feynman (βλπ. παραπάνω) δεν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί. Δυστυχώς ακόμη και στις μέρες μας δεν υπάρχει μια ικανοποιητική μέθοδος για τον υπολογισμό τέτοιων φαινομένων ισχυρών αλληλεπιδράσεων.

Η κατάσταση φαίνεται να χειροτερεύει σε υψηλότερες ενέργειες; Εάν η συνάρτηση βήτα είναι θετική (έτσι ώστε η σταθερά ζεύξης μεταβάλλεται με την ενέργεια) η αλληλεπίδραση θα ήταν ακόμη ποιο ισχυρή και οι υπολογισμοί θα γινόντουσαν πολύ περισσότερο παράλογοι.

Ο Γερμανός θεωρητικός φυσικός, Kurt Symanzik (τώρα δεν ζει), συνειδητοποίησε ότι ο μόνος τρόπος να επιτευχθεί μια λογική θεωρία θα ήταν να ευρεθεί μία με αρνητική συνάρτηση βήτα. Αυτό θα εξηγούσε και το γιατί τα quarks εμφανίζονται μερικές φορές σαν ελεύθερα σωματίδια “κόκκοι” – ένα μέσα στο πρωτόνιο – ένα φαινόμενο, το οποίο έχει παρατηρηθεί σε πειράματα σκέδασης ανάμεσα σε ηλεκτρόνια και πρωτόνια.

Δυστυχώς, ο ίδιος ο Symanzik δεν μπόρεσε να βρει μια τέτοια θεωρία και μολονότι ο Gerardus ’t Hooft είχε φτάσει πολύ κοντά σε μια τέτοια θεωρία το καλοκαίρι του 1972, οι φυσικοί είχαν αρχίσει να απογοητεύονται. Αντίθετα “ενδείξεις” εμφανίζονται ότι όλες οι ρεαλιστικές θεωρίες είχαν θετική συνάρτηση βήτα. Σήμερα γνωρίζουμε ότι ήταν λάθος γιατί τον Ιούνιο του 1973 δύο δημοσιεύσεις και μάλιστα η μία απέναντι στην άλλη στο περιοδικό Physical Review Letters, μία από τον Gross and Wilczek και μία από τον Politzer, η καταπληκτική ανακάλυψη ανακοινώθηκε ότι η συνάρτηση βήτα μπορούσε να είναι αρνητική. Όταν έγινε αυτή η ανακάλυψη αυτοί οι φυσικοί ήσαν πολύ νέοι – οι Wilczek and Politzer ήταν πράγματι ακόμη μεταπτυχιακοί φοιτητές.

Σύμφωνα με τις θεωρίες τους τα σωματίδια φορείς των ισχυρών αλληλεπιδράσεων τα gluons, είχαν μια μοναδική και τελείως μη αναμενόμενη ιδιότητα, ειδικότερα, δεν αλληλεπιδρούν μόνο μεταξύ των αλλά και μεταξύ των. Αυτή η ιδιότητα σημαίνει ότι όσο ποιο κοντά έρχονται μεταξύ τους τα quarks τόσο ασθενέστερο γινόταν το χρωματικό των φορτίο και ασθενέστερη η αλληλεπίδραση. Τα quarks πλησιάζουν μεταξύ τους όταν η ενέργεια αυξάνεται, έτσι η ισχύς της αλληλεπίδρασης ελαττώνεται σαν συνάρτηση της ενέργειας. Αυτή η ιδιότητα καλείται ασυμπτωτική ελευθερία και σημαίνει ότι η συνάρτηση βήτα είναι αρνητική. Από την άλλη μεριά το σθένος της αλληλεπίδρασης αυξάνεται καθώς αυξάνεται η απόσταση το οποίο σημαίνει ότι ένα quark δεν μπορεί να μετακινηθεί από το εσωτερικό ενός ατομικού πυρήνα. Η θεωρία επαληθεύει τα πείραμα: Τα quarks είναι περιορισμένα σε ομάδες των τριών μέσα στο πρωτόνιο και το νετρόνιο και δεν μπορούν να παρασταθούν σαν “κόκκοι” σε ανάλογα πειράματα.

Η ασυμπτωτική ελευθερία μας δίνει την δυνατότητα να υπολογίζουμε σε μικρή απόσταση αλληλεπιδράσεις των quarks και των gluons, υποθέτοντας συμπεριφέρνονται σαν ελεύθερα σωματίδια. Αν τα φέρουμε σε σύγκρουση σε πού υψηλές ενέργειες είναι δυνατόν να τα φέρουμε παρα πολύ κοντά το ένα στο άλλο. Όταν η ασυμπτωτική ελευθερία ανακαλύφθηκε και η θεωρία της Κβαντικής -Χρωμο-Δυναμικής QCD, η οποία ήταν ασυμπτωτικά ελεύθερη διατυπώθηκε υπολογισμοί μπορούσαν να γίνουν για πρώτη φορά οι οποίοι ήταν σε καταπληκτική συμφωνία με τα πειράματα. (Σχήμα 2.).

Page 6:  · Web viewΤα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του φορτίου του πρωτονίου – 1/3 ή 2/3, ένα παράξενο φαινόμενο

Σχήμα 2. Η τιμή της μεταβαλλόμενης σταθεράς ζεύξης, αs, των ισχυρών αλληλεπιδράσεων σαν συνάρτηση της ενεργειακής κλίμακας E. Η καμπύλη της οποίας η κλίση ελαττώνεται (αρνητική συνάρτηση βήτα) είναι η πρόβλεψη της ασυμπτωτικής ελευθερίας της QCD και, όπως φαίνεται συμφωνεί πάρα πολύ καλά με τις μετρήσεις οι οποίες έχουν γίνει.

Ο καταιγισμός των σωματιδίων αποκαλύπτουν την αλήθεια

Μια σπουδαία απόδειξη της θεωρίας της QCD παρέχεται από τις κρούσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και των αντισωματιδίων τους των ποσιτρονίων, με πολύ υψηλές κινητικές ενέργειες όταν εκμηδενίζουν (εξαφανίζουν) το ένα το άλλο. Σύμφωνα με την εξίσωση του Einstein E=mc2, η κινητική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε άλλα νέα σωματίδια παραδείγματος χάριν, σε quarks με μάζα και κινητική ενέργεια. Αυτά τα quarks δημιουργούνται πολύ βαθειά μέσα στην διαδικασία, και είναι πολύ κοντά το ένα στο άλλο αλλά απομακρύνονται μεταξύ τους με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Χάρις στην ασυμπτωτική ελευθερία της QCD είναι δυνατόν να υπολογίσουμε την διαδικασία.

Αληθεύει ότι όταν τα quarks έχουν κινηθεί μακρυά το ένα από το άλλο επηρεάζονται από αυξανόμενες ισχυρές δυνάμεις οι οποίες οδηγούν τελικά στην δημιουργία ενός καινούργιου ζεύγους quark-antiquark και ένα καταιγισμό σωματιδίων που εμφανίζεται στην κατεύθυνση των αρχικών quarks and antiquarks αντίστοιχα. Αλλά η διαδικασία διατηρεί μία “μνήμη” της πρώτης ασυμπτωτικής ελευθερίας, μέρος της οποίας μπορεί να υπολογιστεί, δίνοντας μια τιμή για την πιθανότητα της δημιουργίας της εμφάνισης διπλού –καταιγιστικού γεγονότος που συμφωνεί με τις παρατηρήσεις.Ακόμη ποιο πειστικό ίσως είναι η εμφάνιση τριπλού καταιγισμού γεγονότος που παρατηρήθηκε στον επιταχυντή DESY στο Αμβούργο στα τέλη του 1970.Αυτές οι εμφανίσεις μπορούν επιτυχώς να αναπαρασταθούν σαν μια gluon ραδιενεργή διαφυγή απομακρυνόμενη από το quark ή το antiquark (Σχήμα 3.).

Page 7:  · Web viewΤα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του φορτίου του πρωτονίου – 1/3 ή 2/3, ένα παράξενο φαινόμενο

Σχήμα 3. Εμφάνιση διπλού ή τριπλού καταιγισμού σωματιδίων που εμφανίστηκαν σε κρούσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και ποσιτρονίων. Το μεγενθυμένο τμήμα επιδεικνύει την QCD ερμηνεία που επίσης επιτρέπει λεπτομερείς υπολογισμούς της πιθανότητας τέτοιων γεγονότων. Αυτές οι πιθανότητες συμφωνούν πολύ καλά με τα μετρούμενα δεδομένα (e– = ηλεκτρόνιο, e+ = ποσιτρόνιο, q = quark, q με παύλα= αντιquark και g = gluon).

Η ασυμπτωτική ελευθερία της QCD ανακαλύφθηκε επίσης για να εφοδιάσει τους φυσικούς με μια εξήγηση ενός φαινομένου το οποίο είχε παρατηρηθεί μερικά χρόνια νωρίτερα στον επιταχυντή του Stanford (Friedman, Kendall and Taylor; Βραβείο Nobel Prize το 1990). Τα ηλεκτρικά φορτισμένα συστατικά του πρωτονίου συμπεριφέρονται σαν ελεύθερα σωματίδια όταν τα χτυπήσουμε τόσο δυνατά ώστε να αποκτήσουν υψηλές ενέργειες. Προσθέτοντας το ποσό της ορμής συμπεριλαμβάνεται στα φορτισμένα του (the quarks) επίσης γίνεται φανερό ότι περίπου μισό από το ποσό της ορμής του πρωτονίου είναι σε κάτι άλλο – τα gluons!

Μπορεί οι δυνάμεις της φύσης να είναι ενοποιημένες;

Πιθανόν η ποιο βασανιστική ιδιότητα της QCD η ασυμπτωτική ελευθερία είναι ότι ότι ανοίγει το δρόμο για την πιθανότητα μιας ενοποιημένης περιγραφής των δυνάμεων της Φύσης. Εάν εξετάσουμε την ενεργειακή εξάρτηση των σταθερών ζεύξης του ηλεκτρομαγνητικής, της ασθενούς και της ισχυρής αλληλεπίδρασης είναι προφανές ότι σχεδόν αλλά όχι ακριβώς τέμνονται σε ένα σημείο και έχουν την ίδια τιμή σε μια πολύ υψηλή ενέργεια. Εάν πράγματι τέμνονται μπορούμε να υποθέσουμε ότι οι τρεις αλληλεπιδράσεις είναι ενοποιημένες ένα πολύ παλιό όνειρο των φυσικών που επιθυμούν να περιγράφουν τους Νόμους της Φύσης με την απλούστερη δυνατή γλώσσα. (Σχήμα 4.)

Page 8:  · Web viewΤα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του φορτίου του πρωτονίου – 1/3 ή 2/3, ένα παράξενο φαινόμενο

Σχήμα 4. Μεταβαλλόμενες σταθερές ζεύξης του Καθιερωμένου μοντέλου (αριστερά) και με την εισαγωγή της υπερσυμμετρίας (δεξιά) Στο Καθιερωμένο μοντέλο οι τρεις γραμμές οι οποίες δείχνουν την αντίστροφη τιμή των σταθερών ζεύξης των τριών θεμελιωδών δυνάμεων δεν τέμνονται σε ένα σημείο, αλλά με την εισαγωγή της υπερσυμμετρίας και υποθέτοντας ότι τα υπερσυμμετρικά σωματίδια δεν είναι βαρύτερα από περίπου 1 TeV/c2, πράγματι τέμνονται σε ένα σημείο. Είναι αυτό μια ένδειξη ότι η υπερσυμμετρία θα ανακαλυφθεί στον επόμενο επιταχυντή στο CERN, τον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (Large Hadron Collider),ή αυτό δεν είναι τίποτε άλλο από μια απλή σύμπτωση;

Παρόλα αυτά το Καθιερωμένο μοντέλο χρειάζεται κάποιες μετατροπές ένα είναι το όνειρο της ενοποίησης των δυνάμεων της Φύσης να πραγματοποιηθεί. Μια πιθανότητα είναι να εισαχθεί ένα σύνολο υπερσυμμετρικών σωματιδίων τα οποία ίσως έχουν αρκετά μικρές μάζες ώστε να μπορούν να ανιχνευτούν στον LHC επιταχυντή ο οποίος τώρα κατασκευάζεται στο CERN στη Γενεύη.

Page 9:  · Web viewΤα quarks έχουν φορτίο το οποίο είναι κλάσμα του φορτίου του πρωτονίου – 1/3 ή 2/3, ένα παράξενο φαινόμενο

Εάν η Υπερσυμμετρία ανακαλυφθεί θα παράσχει ένα μεγάλο στήριγμα στις θεωρίες υπερχορδών οι οποίες θα μπορέσουν ίσως να ενοποιήσουν και την εναπομείνασα δύναμη, τη βαρύτητα με τις άλλες τρεις αλληλεπιδράσεις. Το Καθιερωμένο Μοντέλο επίσης χρειάζεται τροποποίηση ώστε να συμπεριλάβει τις πρόσφατα ανακαλυφθείσες ιδιότητες των νετρίνων – για το εάν έχουν μάζες διαφορετικές από μηδέν. Επιπρόσθετα, πιθανόν αυτό να οδηγήσει στην εξήγηση ενός αριθμού κοσμολογικών αινιγμάτων όπως η σκοτεινή ύλη. Ανεξάρτητα από αυτή την ανάπτυξη είναι ξεκάθαρο ότι η φανταστική και αναπάντεχη ανακάλυψη της ασυμπτωτικής ελευθερίας στην QCD (Σχήμα 5.) έχει βαθειά μεταβάλει την κατανόησή μας στους τρόπους με τους οποίους οι βασικές δυνάμεις της Φύσης του κόσμου μας ενεργούν.

Σχήμα 5. Ο τύπος ο οποίος περιγράφει την ανακάλυψη. Σύμβολα:g: η σταθερά ζεύξης,Nc: ο αριθμός των χρωμάτων (= 3 in QCD),NF: ο αριθμός των quarks (= 6 στο Καθιερωμένο Μοντέλο).