ΠΟΙΚΙΛΗΣ ΥΛΗΣ - ΕΠΙΣΤΗΜΗ

ΜΕΓΑΛΟΣ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΗΣ ΑΔΡΟΝΙΩΝ

Προετοιμάζοντας το ... απρόσμενο στη σωματιδιακή φυσική

Διάγραμμα ενός από τους τεράστιους ανιχνευτές του LHC. Στο κάτω αριστερά μέρος απεικονίζονται δύο φιγούρες ανθρώπων σαν μέτρο εκτίμησης του μεγέθους της συσκευής

Οταν δύο πρωτόνια που κινούνται με ταχύτητα 99,999999% της ταχύτητας του φωτός συγκρουστούν μεταξύ τους, η υποατομική έκρηξη που πραγματοποιείται εκλύει τεράστια ενέργεια. Αυτή η ενέργεια, που ισούται με 14.000 φορές την ενέργεια της μάζας ενός πρωτονίου σε ηρεμία, διαμοιράζεται ανάμεσα στα μικρότερα σωματίδια που συνθέτουν κάθε πρωτόνιο: τα κουάρκ και τα γλουόνια που τα συγκρατούν ενωμένα. Στις περισσότερες συγκρούσεις η ενέργεια σπαταλιέται σε πλάγιες συγκρούσεις μεταξύ των κουάρκ και των γλουονίων, που δημιουργούν μια πλειάδα σωματιδίων που έχουν καταλογογραφηθεί και αναλυθεί από τους φυσικούς εδώ και δεκαετίες. Κάποιες φορές, όμως, δύο από τα κουάρκ συγκρούονται μεταξύ τους κεντρικά, με ενέργεια της τάξης των 2 τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ (το ένα έβδομο της ενέργειας με την οποία συγκρούστηκαν τα δύο πρωτόνια). Οι φυσικοί είναι βέβαιοι ότι η φύση κρύβει νέα κόλπα στο ...μανίκι της, που πρέπει να αποκαλύπτονται σε τέτοιου είδους συγκρούσεις, όπως ίσως ένα εξωτικό σωματίδιο γνωστό σαν μποζόνιο Χιγκς, ή ένα θαυμαστό φαινόμενο που αποκαλείται υπερσυμμετρία, ή ίσως ακόμα κάτι απρόσμενο που θα φέρει τη θεωρητική φυσική «τα πάνω κάτω».

Η τελευταία φορά που έγιναν τέτοιες βίαιες συγκρούσεις ήταν κατά το πρώτο εκατομμυριοστό του εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου μετά την υποτιθέμενη «Μεγάλη Εκρηξη», που έδωσε στο ορατό σύμπαν τη σημερινή του μορφή. Θα αρχίσουν να γίνονται και πάλι το 2007, μέσα σε ένα κυκλικό τούνελ κάτω από τα γαλλοελβετικά σύνορα, κοντά στη Γενεύη. Τότε αναμένουν χιλιάδες επιστήμονες από δεκάδες χώρες, ότι θα έχει ολοκληρωθεί η κατασκευή των γιγαντιαίων ανιχνευτών του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), ενός τεραστίων διαστάσεων έργου που συντονίζεται από το CERN (Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών). Ο LHC θα κατασκευαστεί μέσα στο προϋπάρχον τούνελ του Μεγάλου Επιταχυντή Ηλεκτρονίων - Ποζιτρονίων (LEP) που το 2000 έφτασε μόλις στο 1% των ενεργειών για τις οποίες σχεδιάστηκε ο LHC. Ετσι, θα αποφευχθεί ένα μεγάλο μέρος του κόστους του έργου, αλλά θα πρέπει και πάλι να κατασκευαστούν πολύ πιο ισχυροί υπεραγώγιμοι ηλεκτρομαγνήτες, καθώς και οι ειδικοί ανιχνευτές που χρειάζονται, ο μεγαλύτερος από τους οποίους έχει ύψος εξαώροφης οικοδομής.

Απεικόνιση της μήκους 27 χιλιομέτρων σήραγγας, που θα φιλοξενήσει τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, 100 μέτρα κάτω από την επιφάνεια του εδάφους στα γαλλοελβετικά σύνορα. Οι κύκλοι επισημαίνουν τις θέσεις όπου θα τοποθετηθούν ανιχνευτές και βοηθητικός εξοπλισμός

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»

Το Τυπικό Μοντέλο

Το Τυπικό Μοντέλο της Σωματιδιακής Φυσικής ενσωματώνει τη γνώση μας για τα θεμελιώδη σωματίδια. Περιλαμβάνει σωματίδια που συνθέτουν τα γνωστότερα στους μη ειδικούς υποατομικά σωματίδια της ύλης (πρωτόνια, νετρόνια) και σωματίδια φορείς δυνάμεων, δηλαδή τα σωματίδια που υλοποιούν αυτή την αλληλεπίδραση που ονομάζουμε δύναμη. Για παράδειγμα, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ ενός πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου δημιουργείται από φωτόνια (σωματίδια φωτός), που ανταλλάσσονται διαρκώς ανάμεσα στο πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο.

Τα «σωματίδια ύλης» (σ.σ. τα εισαγωγικά επειδή και τα «σωματίδια δυνάμεων» είναι επίσης αναπόσπαστο συστατικό της ύλης) ανήκουν σε τρεις οικογένειες με τέσσερα μέλη η καθεμία. Η μόνη διαφορά ανάμεσα στις οικογένειες είναι η μάζα. Ολα τα σώματα του κόσμου που μας περιβάλλει είναι φτιαγμένα από την ελαφρότερη οικογένεια που περιλαμβάνει τα «πάνω» κουάρκ, τα «κάτω» κουάρκ, τα ηλεκτρόνια και τα ηλεκτρονιονετρίνα. Οι άλλες δύο οικογένειες σωματιδίων είναι εφήμερες και δημιουργούνται μόνο μετά από συγκρούσεις υψηλής ενέργειας μεταξύ μεγαλύτερων σωματιδίων (με εξαίρεση τα νετρίνα όλων των οικογενειών, που είναι μακρόβια).

Τα κουάρκ συγκρατούνται ενωμένα από την ισχυρή δύναμη, που έχει ως φορέα τα γλουόνια. Ο συνδυασμός των κουάρκ δίνει τα αδρόνια, μεταξύ των οποίων είναι τα πρωτόνια και τα νετρόνια που σχηματίζουν τους πυρήνες των ατόμων. Τα ηλεκτρόνια ελκόμενα από τους πυρήνες λόγω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης περιστρέφονται γύρω απ' αυτούς και ο συνδυασμός αυτός δημιουργεί τα άτομα, που συνδυαζόμενα μεταξύ τους δημιουργούν τα μόρια. Η ασθενής αλληλεπίδραση, που έχει ως φορείς τα σωματίδια W και Z, έχει να κάνει με τις πυρηνικές αντιδράσεις στα αστέρια, αλλά και τις αυθόρμητες ραδιενεργείς διασπάσεις των ατομικών πυρήνων, κατά τις οποίες εκλύεται ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο.

Η βαρύτητα, η ασθενέστερη δύναμη, είναι πιο προσιτή στους ανθρώπους, εξαιτίας τής άμεσα ορατής επίδρασής της σε όλα τα υλικά σώματα. Φορείς της υποτίθεται ότι είναι τα βαρυτόνια, τα οποία όμως δεν έχουν ανιχνευτεί ακόμα, πιθανότατα ακριβώς επειδή η δύναμη αυτή είναι τόσο ασθενής. Επιπλέον, τα βαρυτόνια δεν είναι ακόμα πλήρως ενσωματωμένα στη θεωρία του Τυπικού Μοντέλου.

Γιατί η φύση έχει τρεις οικογένειες «σωματιδίων ύλης» είναι ένα από τα πολλά ερωτήματα, που αφήνει αναπάντητα το Τυπικό Μοντέλο. Αν και αποτελεί έναν από τους μεγαλύτερους διανοητικούς θριάμβους της επιστήμης του 20ού αιώνα, το Τυπικό Μοντέλο δεν πρέπει να θεωρείται τίποτα περισσότερο από ένα σημαντικό βήμα στην κατεύθυνση μιας πληρέστερης περιγραφής της ύλης και της κίνησής της.