Γράφει:

CERN: Εξερεύνηση των άγνωστων φυσικών νόμων

του Δημήτριου Ηλιάδη

 

Γνωρίζοντας το σύμπαν

Το πείραμα στο CERN έφερε στην δημοσιότητα ανά το παγκόσμιο το σιωπηλό έργο των φυσικών, οι οποίοι, συνεχιστές του έργου του Θαλή, του Δημόκριτου, του Νεύτωνα και χιλιάδων άλλων, προσπαθούν να εξηγήσουν την Φύση και ό,τι συμβαίνει γύρω μας. Η αναζήτηση νέων γνώσεων στην Φυσική αφορά όλους. Ας μην ξεχνάμε πως οι επαναστάσεις στην Φυσική ακολουθούνταν πάντα από κοινωνικές επαναστάσεις, ωθούμενες είτε από την κατάρριψη μύθων, είτε από τον επαναπροσδιορισμό του ρόλου του ανθρώπου στον κόσμο.

Ξεκινούμε από αυτό το τεύχος ένα αφιέρωμα για την σύγχρονη φυσική, με την συνεισφορά των διακεκριμένων Καθηγητών Πάνου Ραζή και Χαράλαμπου Τσέρτου, οι οποίοι θα μας εισαγάγουν στην δημιουργία του Κόσμου, στο πώς μπορούμε να αναπαραγάγουμε τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, καθώς και ποια είναι τα αναπάντητα ερωτήματα της Φυσικής που προσπαθούμε να απαντήσουμε.

Το αφιέρωμα θα ολοκληρωθεί στο επόμενο τεύχος, όπου θα φιλοξενήσουμε μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα συνέντευξη του κορυφαίου φυσικού Δημήτριου Νανόπουλου.

 

Εισαγωγή στις βασικές έννοιες

Τι είναι τα στοιχειώδη σωματίδια;

Στην βασική φυσική του λυκείου μαθαίνουμε πως τα αντικείμενα με ύλη αποτελούνται από μόρια, τα μόρια αποτελούνται από άτομα και τα άτομα αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Πέρα όμως απ” αυτά, οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει ακόμη πιο μικρά, στοιχειώδη σωματίδια τα οποία χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες, τα «κουάρκς», τα «λεπτόνια» και τα «μποζόνια».

Σε σχέση με αυτά που γνωρίζαμε οι περισσότεροι, τα ηλεκτρόνια είναι λεπτόνια και τα πρωτόνια και νετρόνια αποτελούνται από 3 κουάρκς. Η ισχυρή δύναμη που συγκρατεί τα κουάρκς προέρχεται από το μποζόνιο «γλουτόνιο» (από το glue-γόμα).

Ποιοι είναι οι θεμελιώδεις κανόνες;

Οι φυσικοί έχουν περιορίσει τους νόμους που κυβερνούν την συμπεριφορά και την αλληλεπίδραση της ύλης και ενέργειας που αντιλαμβανόμαστε, σε ένα μικρό πυρήνα θεμελιωδών κανόνων και θεωριών. Το Πρότυπο Μοντέλο, όπως ονομάστηκε, απαρτίζεται από:

1.Τα σωματίδια της ύλης, στα οποία περιλαμβάνονται τα κουάρκς και τα λεπτόνια,

2. Τα σωματίδια-φορείς των δυνάμεων, στα οποία περιλαμβάνονται τα φωτόνια και τα γκλουτόνια,

3. Το υποθετικό μποζόνιο higgs το οποίο παραμένει το μόνο στοιχειώδες σωματίδιο του πρότυπου μοντέλου που δεν έχει ανιχνευθεί.

Πόσο μεγάλα είναι τα στοιχειώδη σωματίδια;

Για να αναλογιστούμε τις διαστάσεις, εάν ένα άτομο υδρογόνου είχε διάμετρο 100 χιλιομέτρων, τότε ο πυρήνας του ατόμου θα είχε διάμετρο 1 μέτρο και τα κουάρκς λιγότερο από 0.1 εκατοστό.

Ποιες είναι οι θεμελιώδεις δυνάμεις;

Υπάρχουν τέσσερα είδη θεμελιωδών δυνάμεων (αλληλεπιδράσεων) στην φύση:

1. Ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η οποία κρατά τα ηλεκτρόνια στο άτομο και την οποία γνωρίζουμε από το φως, τους ηλεκτρικούς κινητήρες.

2. Ισχυρή πυρηνική δύναμη, η οποία συγκρατεί τα κουάρκς μεταξύ τους στον πυρήνα του ατόμου.

3. Ασθενής πυρηνική δύναμη, η οποία σχετίζεται με την διάσπαση των ραδιενεργών πυρήνων.

4. Βαρυτική δύναμη, μέσω της οποίας όλες οι μάζες ελκύονται με όλες τις υπόλοιπες μάζες.

Το Πρότυπο Μοντέλο περιγράφει την σχέση των δυνάμεων, εκτός της βαρυτικής.

Τι είναι το «μποσόνιο Higgs» που εξηγεί την μάζα;

Σύμφωνα με την θεωρία του Καθηγητή Peter Higgs που διατύπωσε το 1964, το σύμπαν είναι γεμάτο με το «πεδίο Higgs» και, μέσω αλληλεπιδράσεων σε αυτό το πεδίο, τα σωματίδια αποκτούν μάζα. Ανάλογα με τον βαθμό αλληλεπίδρασης κάποιου σωματιδίου με το πεδίο αυτό, αποκτούν λίγη ή μεγάλη μάζα. Θα μπορούσε να παραλληλιστεί σαν μια κολλητική ουσία που επικάθεται σε κάποιο σώμα και αυξάνει την μάζα του. Για να σταθεί αυτή η θεωρία, χρειάζεται να αποδειχθεί πως υπάρχει τουλάχιστον ακόμη ένα μποζόνιο, το «μποζόνιο Higgs». Τον χαρακτηρισμό «σωματίδιο του Θεού» τον πήρε από το βιβλίο του βραβευμένου με Νόμπελ Φυσικής το 1988, Leon M. Lederman με τίτλο «Το σωματίδιο του Θεού: Αν το σύμπαν είναι η απάντηση, ποια είναι η ερώτηση;».

Τι είναι το CERN;

Το CERN (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών) είναι το μεγαλύτερο σε έκταση κέντρο πειραματικών πυρηνικών ερευνών, με επίκεντρο την σωματιδιακή φυσική. Βρίσκεται στα σύνορα Γαλλίας-Ελβετίας, και ιδρύθηκε το 1954. Έχει 20 χώρες μέλη. Στις εγκαταστάσεις του CERN έχουν γίνει πολλές σπουδαίες επιστημονικές ανακαλύψεις, όπως η ανακάλυψη των W και Ζ μποζονίων, η δημιουργία ατόμου αντι-υδρογόνου και, φυσικά, η δημιουργία του παγκόσμιου ιστού WWW μέσα στα πλαίσια προσπάθειας για καλύτερη διάχυση πληροφοριών στους συμμετέχοντες επιστήμονες.

Τι είναι ο Large Hadron Collider (LHC);

Οι επιταχυντές σωματιδίων επιταχύνουν αντιαδιαμετρικα δέσμες φορτισμένων σωματιδίων, κάτω από υψηλό κενό, πλησιάζοντας κατά πολύ την ταχύτητα του φωτός, και τις οδηγούν σε σύγκρούση, με αποτέλεσμα τα σωματίδια να διασπαστούν στα κουάρκς και γκλουόνια. Τα σωματίδια που χρησιμοποιούνται, έχουν βάση τα κουάρκς. Συγκεκριμένα είναι πρωτόνια και ιόντα μολύβδου, τα οποία ονομάζονται και ως «αδρόνια» (από τη λέξη «αδρός»).

Ποιο το αποτέλεσμα της σύγκρουσης;

Κάθε ακτίνα περιέχει 3,000 δέσμες σωματιδίων, και κάθε δέσμη γύρω στα 100 δισ. σωματίδια. Επειδή όμως τα σωματίδια είναι εξαιρετικά μικρά, η πιθανότητα της σύγκρουσης είναι μικρή. Όταν δύο δέσμες διασταυρώνονται γίνονται κατά μέσο όρο 20 συγκρούσεις. Συγκεκριμένα, αναμένεται πως θα δημιουργείται ένα σωματίδιο Higgs κάθε λίγες ώρες σε κάθε πείραμα. Μετά την σύγκρουση ακολουθεί η καταμέτρηση, παρακολούθηση της τροχιάς και χαρακτηρισμός των σωματιδίων που δημιουργούνται, με την χρήση ειδικών αισθητήρων.

Επανάληψη της αρχής της δημιουργίας;

Τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, μετά τη μεγάλη έκρηξη πριν 13.7 δισ. χρόνια και πριν ακόμη συμπληρωθεί ένα δευτερόλεπτο ύπαρξης, το σύμπαν είχε ήδη ακτίνα 300 εκατ. χιλιομέτρων και αποτελούσε μια εξαιρετικά ζεστή «σούπα» από κουάρκς και γλουόνια. Αυτά ενώνονταν για να σχηματίσουν πρωτόνια και νετρόνια. Σε ένα από τα πειράματα στον επιταχυντή ανδρονίων, θα επαναληφθούν αυτές οι συνθήκες, με την μετωπική σύγκρουση ακτίνων ιόντων μολύβδου. Με την σύγκρουση, τα κουάρκς θα ελευθερωθούν και θα καταγραφούν οι βασικές ιδιότητές τους, καθώς και το πως σμίγουν για τη δημιουργία της ύλης.

Τι είναι η αντιύλη;

Για κάθε σωματίδιο, υπάρχει ένα αντίστοιχο αντισωματίδιο με αντίθετο φορτίο. Έτσι, όπως η ύλη αποτελείται από σωματίδια, η αντιύλη αποτελείται από αντισωματίδια. Για παράδειγμα, το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο έχει ένα αντίστοιχο θετικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο, το «ποζιτρόνιο» το οποίο χρησιμοποιείται σήμερα στις ιατρικές τομογραφίες (PET scan).

Όταν συναντιόνται ύλη και αντιύλη, μετατρέπονται σε ακτινοβολία.

Κατά την «μεγάλη έκρηξη» η ύλη και αντιύλη πρέπει να υπήρχαν στις ίδιες ποσότητες. Αν υπήρχε όμως αυτή η αντιύλη σε κάποια σημεία του σύμπαντος, θα έπρεπε να λαμβάνουμε σημαντική κοσμική ακτινοβολία που να υποδηλοί αυτή την μετατροπή. Εντούτοις, από τις μετρήσεις φαίνεται πως στο σύμπαν μας επικράτησε η ύλη, και όχι η αντιύλη.

Τι είναι η «σκοτεινή ύλη» και «σκοτεινή ενέργεια;

Από την μελέτη της κίνησης των γαλαξιών, διαπιστώθηκε πως πρέπει να υπάρχει μια άγνωστη ύλη η οποία δεν αλληλεπιδρά στις ηλεκτρο-μαγνητικές δυνάμεις, αλλά μπορούμε να την συμπεράνουμε από τις βαρυτικές δυνάμεις που ασκούνται στην ύλη που μπορούμε να πα-ρατηρήσουμε. Η σκοτεινή ύλη, όπως ονομάστηκε, πιστεύεται πως αποτελεί το 22% του σύμπαντος, ενώ εμείς μπορούμε να παρατηρήσουμε άμεσα μόνο το 4%.

Το υπόλοιπο 74% του σύμπαντος αποτελείται από την σκοτεινή ενέργεια, όπως ονομάστηκε, η οποία βρίσκεται παντού στο σύμπαν, αλλά δεν γνωρίζουμε τη φύση της. Χρησιμεύει στο να εξηγήσει θεωρητικά γιατί το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό και, επιπρόσθετα, για να καλύψει το κενό του χώρου, εξ αιτίας αυτής της διαστολής.

Σχολιάστε

Επιτρέπονται τα εξής στοιχεία και ιδιότητες HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>