| 
ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Μέχρι το 1932 οι φυσικοί πίστευαν ότι όλη η ύλη αποτελείται από τέσσερα βασικά σωματίδια: ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια και φωτόνια. Τα σωματίδια αυτά πίστευαν ότι δε διασπώνται σε μικρότερα μέρη. Τα πρώτα νέα σωματίδια βρέθηκαν στην κοσμική ακτινοβολία που φτάνει στη Γη από το διάστημα. Μετά τη δεκαετία του '50 οι φυσικοί κατασκεύαζαν όλο και μεγαλύτερους επιταχυντές, με τους οποίους επιτάχυναν σωμάτια σε όλο και μεγαλύτερες ενέργειες και πραγματοποιούσαν κρούσεις με άλλα σωμάτια - στόχους.
![]()
.jpg)
Κάθε φορτισμένο λεπτόνιο από τα e, μ, τ έχει το δικό του νετρίνο ve, νμ, ντ, που το συνοδεύει στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις του.
ΤΑ ΣΩΜΑΤΙΑ ΦΟΡΕΙΣ ΔΥΝΑΜΕΩΝ
![]()
![]()
Η σύγχρονη Φυσική εξηγεί όλες τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων ως ανταλλαγή κάποιων άλλων σωματιδίων που τα θεωρεί φορείς των συγκεκριμένων αλληλεπιδράσεων.
Κατά τις διασπάσεις των στοιχειωδών σωματιδίων, εκτός από τους νόμους διατήρησης ενέργειας, ορμής, στροφορμής, και φορτίου, ισχύουν κάποιοι επιπλέον νόμοι διατήρησης. Αυτοί είναι ο νόμος διατήρησης του βαρυονικού αριθμού και του λεπτονικού αριθμού κάθε οικογένειας.
.jpg) |
| ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ |
Μέχρι το 1932 οι φυσικοί πίστευαν ότι όλη η ύλη αποτελείται από τέσσερα βασικά σωματίδια: ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια και φωτόνια. Τα σωματίδια αυτά πίστευαν ότι δε διασπώνται σε μικρότερα μέρη. Τα πρώτα νέα σωματίδια βρέθηκαν στην κοσμική ακτινοβολία που φτάνει στη Γη από το διάστημα. Μετά τη δεκαετία του '50 οι φυσικοί κατασκεύαζαν όλο και μεγαλύτερους επιταχυντές, με τους οποίους επιτάχυναν σωμάτια σε όλο και μεγαλύτερες ενέργειες και πραγματοποιούσαν κρούσεις με άλλα σωμάτια - στόχους.
.jpg) |
| Ο μεγάλος επιταχυντής στο CERN στη Γενεύη. Έχει περιφέρεια 27km και βρίσκεται 100m κάτω από το έδαφος. Τα σωματίδια μέσα σ' αυτόν ταξιδεύουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και διαγράφουν αυτή την περιφέρεια 11000 φορές το δευτερόλεπτο |
Κατά τις κρούσεις αυτές κινητική ενέργεια των αρχικών σωματίων μετατρεπόταν σε μάζα των νέων σωματίων, σύμφωνα με την ισοδυναμία μάζας – ενέργειας. Έτσι είδαν να γεννιούνται όλο και νέα περισσότερα σωμάτια, τα περισσότερα από τα οποία ήταν εξαιρετικά ασταθή και βραχύβια. Μερικά από αυτά έχουν μέσο χρόνο ζωής της τάξης των 10-20s.
ΑΝΤΙΣΩΜΑΤΙΑ
Το 1932 ο Anderson (Άντερσον) παρατήρησε για πρώτη φορά ένα σωματίδιο που ήταν σε όλα όμοιο με το ηλεκτρόνιο, αλλά έφερε το στοιχειώδες θετικό φορτίο.Το σωματίδιο αυτό ονομάστηκε ποζιτρόνιο (e+) και αποτελεί το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου.
Το συμπέρασμα, από τα πειράματα και τις ως τώρα αποδεκτές θεωρίες, είναι ότι υπάρχουν δύο οικογένειες στοιχειωδών σωματιδίων, τα quarks και τα λεπτόνια.
Κλειδί για την κατανόηση των ιδιοτήτων των στοιχειωδών σωματιδίων είναι η γνώση και η κατανόηση των αλληλεπιδράσεών τους.
Σήμερα, που γνωρίζουμε περισσότερα από 200 «στοιχειώδη σωμάτια», ξέρουμε ότι τα περισσότερα από αυτά, συμπεριλαμβανομένων των νετρονίων και των πρωτονίων, δε θεωρούνται πια στοιχειώδη, αλλά αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια. Έτσι επικράτησε τις πραγματικά στοιχειώδεις οντότητες της ύλης να τις ονομάζουμε σωματίδια και τις πιο σύνθετες σωμάτια.ΑΝΤΙΣΩΜΑΤΙΑ
Το 1932 ο Anderson (Άντερσον) παρατήρησε για πρώτη φορά ένα σωματίδιο που ήταν σε όλα όμοιο με το ηλεκτρόνιο, αλλά έφερε το στοιχειώδες θετικό φορτίο.Το σωματίδιο αυτό ονομάστηκε ποζιτρόνιο (e+) και αποτελεί το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου.
.jpg) |
| Ο Carl David Anderson (3 Σεπ, 1905 - 11 Ιανουαρίου, 1991) ήταν Αμερικανός φυσικός . Είναι γνωστός για την ανακάλυψη του ποζιτρονίου το 1932, ένα επίτευγμα για το οποίο έλαβε το 1936 το βραβείο Νόμπελ Φυσικής , και του μιονίου το 1936 |
Στη συνέχεια ανακαλύφθηκε το αντιπρωτόνιο (p¯) που είναι όμοιο με το πρωτόνιο,αλλά φέρει το στοιχειώδες αρνητικό φορτίο.Ακολούθησε η ανακάλυψη του αντινετρονίου (n¯) που όμως δεν έχει φορτίο, όπως και το νετρόνιο.Το αντινετρόνιο έχει όμως άλλα χαρακτηριστικά, που είναι αντίθετα από αυτά του νετρονίου (κβαντικούς αριθμούς). Όταν το αντινετρόνιο διασπάται, παράγονται σωμάτια που είναι αντισωμάτια εκείνων που παράγονται κατά τη διάσπαση του νετρονίου.
.jpg) |
| Από τη σύγκρουση δύο αρχικών σωματιδίων γεννιούνται τελείως διαφορετικά νέα σωματίδια |
Σε κάθε σωμάτιο αντιστοιχεί και ένα αντισωμάτιο.
Σε κάθε σωματίδιο της ύλης αντιστοιχεί και ένα αντισωματίδιο, που έχει ίδια μάζα, αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο ή ενδεχομένως άλλους κβαντικούς αριθμούς. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιοέχει αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, ενώ το αντισωματίδιό του, το ποζιτρόνιο, έχει θετικό.Όταν ένα σωματίδιο συγκρούεται με το αντισωματίδιο του εξαϋλώνονται, αφήνοντας πίσω τους μόνο ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας γ.
Σε κάθε σωματίδιο της ύλης αντιστοιχεί και ένα αντισωματίδιο, που έχει ίδια μάζα, αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο ή ενδεχομένως άλλους κβαντικούς αριθμούς. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιοέχει αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, ενώ το αντισωματίδιό του, το ποζιτρόνιο, έχει θετικό.Όταν ένα σωματίδιο συγκρούεται με το αντισωματίδιο του εξαϋλώνονται, αφήνοντας πίσω τους μόνο ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας γ.
Τα αντισωματίδια του φωτονίου και μερικών άλλων σωματιδίων ταυτίζονται με τα ίδια τα σωματίδια. Συνήθως τα αντισωματίδια συμβολίζονται με μια παύλα πάνω από το σύμβολο του σωματιδίου.
.jpg) |
| Διάγραμμα που δείχνει τη διαδικασία παραγωγής ζεύγους. Ένα φωτόνιο αλληλεπιδρά με πυρήνες σε φύλλα μολύβδου και δημιουργούνται ζεύγη (e-, e+). Στη συνέχεια τα σωματίδια του ζεύγους καμπυλώνονται αντίθετα μέσα σε μαγνητικό πεδίο |
Ο πιο συνηθισμένος τρόπος δημιουργίας του ποζιτρονίου είναι το φαινόμενο της παραγωγής ζεύγους ποζιτρονίου - ηλεκτρονίου.
Ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας, καθώς αλληλεπιδρά με κάποιο πυρήνα, εξαφανίζεται και στη θέση του εμφανίζεται ένα ζεύγος (e-,e+).Σύμφωνα με την ισοδυναμία μάζας και ενέργειας,τα δύο σωματίδια που δημιουργούνται έχουν ενέργεια τουλάχιστον ίση με:
E = 2mec2 = 2(9,1×10-31kg)(3×108m/s)2 = 1,64×10-13J = 1,02MeV
Την αντίστοιχη τουλάχιστον ενέργεια πρέπει να διαθέτει και το φωτόνιο που εξαφανίζεται.![]()
.jpg) |
| Όταν ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο πλησιάζουν, εξαφανίζονται και τα δύο και ελευθερώνεται ένα αντίστοιχο ποσό ενέργειας. Σχεδόν αμέσως η ενέργεια αυτή μετατρέπεται σε σωματίδια, περίπου όπως σχηματίστηκε και η ύλη στα πρώτα στάδια του Σύμπαντος. Η διάταξη γύρω από την περιοχή της σύγκρουσης είναι ανιχνευτές που ανιχνεύουν τα παραγόμενα σωματίδια |
Η αντίστροφη διαδικασία λέγεται εξαΰλωση και συμβαίνει όταν συγκρούεται ένα ηλεκτρόνιο με ένα ποζιτρόνιο.Τα δύο σωματίδια εξαφανίζονται και εμφανίζονται δύο ή περισσότερα φωτόνια με ολική ενέργεια τουλάχιστον 2mec2.
Δημιουργία ενός μόνο φωτονίου μ' αυτή την ενέργεια είναι αδύνατη,γατί θα παραβιαζόταν η αρχή διατήρησης της ορμής.
Αν η ενέργεια των αρχικών σωματιδίων είναι αρκετά μεγάλη, τότε στην τελική κατάσταση θα εμφανιστεί πλειάδα άλλων σωματίων, αλλά πάντα η συνολική ενέργεια και η ορμή πρέπει να διατηρούνται.
Τα αντισωματίδια αποτελούν αντικείμενο μελέτης της σωματιδιακής φυσικής, και το δε σύνολο αυτών συγκροτούν τη λεγόμενη αντιύλη.Αν αντισωματίδια ενωθούν με κανονικά σωματίδια, τότε το σύνολο των μαζών τους μετατρέπεται σε ενέργεια σύμφωνα με τη σχέση:
Η αντιύλη δεν έχει παρατηρηθεί πουθενά στο σύμπαν μέχρι σήμερα, αλλά είναι δυνατό να παραχθεί τεχνητά σε επιταχυντές σωματιδίων.
Δημιουργία ενός μόνο φωτονίου μ' αυτή την ενέργεια είναι αδύνατη,γατί θα παραβιαζόταν η αρχή διατήρησης της ορμής.
Αν η ενέργεια των αρχικών σωματιδίων είναι αρκετά μεγάλη, τότε στην τελική κατάσταση θα εμφανιστεί πλειάδα άλλων σωματίων, αλλά πάντα η συνολική ενέργεια και η ορμή πρέπει να διατηρούνται.
 |
| Ένα διάγραμμα Feynman εξαΰλωσης ποζιτρονίου - ηλεκτρονίου σε φωτόνιο που (επαν)υλοποιείται ξανά σε ποζιτρόνιο και ηλεκτρόνιο |
Η αντιύλη δεν έχει παρατηρηθεί πουθενά στο σύμπαν μέχρι σήμερα, αλλά είναι δυνατό να παραχθεί τεχνητά σε επιταχυντές σωματιδίων.
Η ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΩΝ
.jpg)
Όπως ήδη αναφέραμε, από το 1930 και μετά οι φυσικοί άρχισαν να ανακαλύπτουν μια πληθώρα ασταθών σωματιδίων, τα οποία αρχικά θεώρησαν ως στοιχειώδη. Τελικά, διαπιστώθηκε ότι τα περισσότερα από τα σωματίδια αυτά συντίθενται από άλλα, περισσότερο στοιχειώδη, τα quarks (τα οποία δεν μπορούν να υπάρξουν μεμονωμένα), οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι υπάρχουν δύο μόνο οικογένειες στοιχειωδών σωματιδίων, τα quarks και τα λεπτόνια.
.jpg) |
| Το διάγραμμα αποτελεί μια κατάταξη των σωματιδίων που έχουν παρατηρηθεί πειραματικά, με βαση τις αλληλεπιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν |
Το παραπάνω διάγραμμα αποτελεί μια κατάταξη των σωματιδίων που έχουν παρατηρηθεί πειραματικά,με βάση τις αλληλεπιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν (ακριβέστερα,με βάση το αν μπορούν να αλληλεπιδρούν μέσω της ισχυρής δύναμης ή όχι).
.jpg)
Τα σωματίδια χωρίζονται σε αδρόνια (τα οποία μπορούν να αλληλεπιδρούν ισχυρά) και λεπτόνια (τα οποία δεν αλληλεπιδρούν ισχυρά). Τα αδρόνια με τη σειρά τους διακρίνονται σε βαρυόνια (σπιν ημιακέραιο) και μεσόνια (σπιν ακέραιο). Τα αδρόνια δεν είναι στοιχειώδη, αλλά συντίθενται από quarks - περισσότερα για αυτό θα αναφέρουμε αργότερα. Τα λεπτόνια είναι στοιχειώδη σωμάτια. Υπάρχουν τρεις οικογένειες λεπτονίων. Η οικογένεια του ηλεκτρονίου (ηλεκτρόνιο και νετρίνο ηλεκτρονίου), του μιονίου (μιόνιο και νετρίνο μιονίου) και του σωματίου ταυ (ταυ και νετρίνο του).
ΑΝΔΡΟΝΙΑ
Η αφθονία των σωματίων κάνει την ταξινόμηση τους μια μάλλον περίπλοκη υπόθεση. Συνήθως η ταξινόμηση των σωματίων βασίζεται στις αλληλεπιδράσεις. Τα σωμάτια που εκδηλώνουν ισχυρές αλληλεπιδράσεις λέγονται αδρόνια. Στα αδρόνια ανήκουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια.
QUARKS
Το 1963, οι Gell-Mann και Zweig (ανεξάρτητα) διατύπωσαν την άποψη ότι τα αδρόνια απότελούνται από πιο στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία ονόμασαν quarks.
![]()
Τα πρώτα quarks που ανακαλύφθηκαν ήταν τα u (up), d (down) και s (strange), και μεταγενέστερα ανακαλύφθηκαν άλλα τρία, τα c (charm), b (bottom ή beautifull), t (top ή truth). Για κάθε quark υπάρχει και το σχετικό antiquark.
Για την ερμηνεία των αλληλεπιδράσεων στις οποίες εμπλέκονται τα quarks χρειάζεται να εισαχθούν τρεις νέοι κβαντικοί αριθμοί, η παραδοξότητα, η ομορφιά και η αλήθεια, και τρεις αντίστοιχοι νόμοι διατήρησης (μόνο για τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις). Η μάζα τους κυμαίνεται από 360 MeV (u και d) ως ~100 GeV (t).
Τα quarks
QUARKS
Το 1963, οι Gell-Mann και Zweig (ανεξάρτητα) διατύπωσαν την άποψη ότι τα αδρόνια απότελούνται από πιο στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία ονόμασαν quarks.
Όλα τα αδρόνια έχουν δομή και αποτελούνται από πιο μικροσκοπικά συστατικά, που λέγονται quarks. Τα quarks έχουν ως φορτίο κλάσμα του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου. Σήμερα πιστεύουμε ότι τα quarks δεν έχουν εσωτερική δομή. Υπάρχουν έξι quarks, στα οποία έχουμε δώσει περίεργα ονόματα και τα οποία χωρίζουμε σε τρία ζεύγη.
Τα 6 quarks εικονίζονται στο παρακάτω σχήμα:
Τα 6 quarks εικονίζονται στο παρακάτω σχήμα:
.jpg) |
up (πάνω) - down (κάτω),
charm (γοητεία) - strange (παράδοξο),
top (κορυφή) - bottom (πυθμένας)
|
Για την ερμηνεία των αλληλεπιδράσεων στις οποίες εμπλέκονται τα quarks χρειάζεται να εισαχθούν τρεις νέοι κβαντικοί αριθμοί, η παραδοξότητα, η ομορφιά και η αλήθεια, και τρεις αντίστοιχοι νόμοι διατήρησης (μόνο για τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις). Η μάζα τους κυμαίνεται από 360 MeV (u και d) ως ~100 GeV (t).
Τα quarks
| quark | φορτίο (q/e) | spin (s) | Βαρυονικός αριθμός | παραδοξότητα (S) | χάρη (C) | ομορφιά | αλήθεια |
| u | 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| d | -1/3 | 1/2 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| s | -1/3 | 1/2 | 1/3 | -1 | 0 | 0 | 0 |
| c | 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| b | -1/3 | 1/2 | 1/3 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| t | 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Τα βαρυόνια αποτελούνται από τρία quarks (βαρυονικός αριθμός 1) ενώ τα μεσόνια από ένα quark και ένα antiquark ( βαρυονικός αριθμός 0).
Ας σημειώσουμε ότι όλα τα αδρόνια που παρατηρούμε σήμερα στο Σύμπαν είναι φτιαγμένα από το ζεύγος των quarks up και down(p=uud, n=udd).
.jpg)
Ας σημειώσουμε ότι όλα τα αδρόνια που παρατηρούμε σήμερα στο Σύμπαν είναι φτιαγμένα από το ζεύγος των quarks up και down(p=uud, n=udd).
.jpg)
Το ηλεκτρικό φορτίο του up είναι 23e και του down - 13e.
Τα quarks δεν εμφανίζονται ποτέ ελεύθερα αλλά πάντα σε ομάδες με άλλα quarks. Η ομαδοποίηση τους γίνεται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε τα αδρόνια που σχηματίζουν να έχουν πάντα ακέραιο ηλεκτρικό φορτίο (0, ±1e, ±2e κτλ.).
.jpg) |
| Τα πρωτόνια και τα νετρόνια τον πυρήνα αποτελούνται από τρία quarks το καθένα |
Έτσι, για παράδειγμα, το πρωτόνιο αποτελείται από 2 up και 1 down (uud), ενώ το νετρόνιο από 1 up και 2 down (udd).Επίσης ένα αντιπρωτόνιο αποτελείται από (u¯u¯d¯).
Το s quark απαντά σε μία κατηγορία ασταθών σωματιδίων, γνωστά ως παράδοξα σωματίδια, τα οποία ενώ παράγονται μέσω ισχυρής αλληλεπίδρασης διασπώνται μέσω ασθενούς.
Εκτός από το φορτίο υπάρχει και μια άλλη ιδιότητα/κατάσταση των quarks, η οποία λέγεται χρώμα. Τα quarks μπορούν να υπάρξουν σε τρία χρώματα: κόκκινο, πράσινο και μπλε (τα antiquarks θα έχουν τα χρώματα αντικόκκινο, αντιπράσινο και αντιμπλέ). Η ιδιότητα αυτή του χρώματος είναι υπεύθυνη για την ισχυρή δύναμη μεταξύ των quarks (με τον ίδιο τρόπο που το φορτίο είναι υπεύθυνο για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ σωματιδίων).
.jpg) |
| Ο σχηματισμός ενός μεσονίου από συνδυασμό quark-antiquark |
Η ισχυρή δύναμη μεταξύ quarks λέγεται και δύναμη χρώματος και οι φορείς της λέγονται γλουόνια. Τα quarks, κατά την αλληλεπίδρασή τους ανταλάσσουν γλοιόνια και μέσω αυτής της ανταλλαγής αλλάζουν το χρώμα τους (τα γλουόνια φέρουν επίσης χρώμα). Η θεωρία που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των quarks λέγεται Κβαντική Χρωμοδυναμική.
.jpg) |
| Ο σχηματισμός ενός βαρυονίου από τρία quarks διαφορετικού χρώματος |
Είπαμε και πιο πάνω ότι, από ότι φαίνεται ως τώρα, στη φύση δεν μπορούν να υπάρξουν μεμονωμένα quarks. Υπάρχουν μόνο σε συνδυασμούς και μάλιστα μόνο σε συνδυασμούς οι οποίοι είναι άχρωμοι. Άχρωμο σωματίδιο μπορούμε να πάρουμε συνδυάζοντας είτε τρία quarks διαφορετικού χρώματος είτε ένα quark ενός χρώματος με ένα antiquark του ίδιου αντιχρώματος. Η πρώτη δυνατότητα, όπως μπορεί κανείς εύκολα να διαπιστώσει, οδηγεί σε βαρυόνιο και η δεύτερη σε μεσόνιο
ΛΕΠΤΟΝΙΑ
Τα λεπτόνια είναι μια δεύτερη ανεξάρτητη κατηγορία σωματιδίων. Το χαρακτηριστικό των λεπτονίων είναι ότι δε συμμετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις, δεν αποτελούν συστατικό άλλων σωματιδίων και δε δομούνται από άλλα.
| Τα λεπτόνια | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Υπάρχουν συνολικά μόνο έξι λεπτόνια.Τα τρία από αυτά, που έχουν φορτίο -1e, είναι τα: ηλεκτρόνιο (e-), μιόνιο (μ-) και ταυ (τ-). Τα άλλα τρία είναι τα αντίστοιχα νετρίνα: ve, νμ, vt.
.jpg)
ΤΑ ΣΩΜΑΤΙΑ ΦΟΡΕΙΣ ΔΥΝΑΜΕΩΝ
Όλα τα σωματίδια στη φύση υπόκεινται σε τέσσερις βασικές δυνάμεις, με τη έννοια ότι όχι μόνο αλληλεπιδρούν μέσω αυτών αλλά και παράγονται μέσω αυτών των δυνάμεων.
Οι διάφορες αλληλεπιδράσεις (συχνά ονομάζονται και δυνάμεις) που γνωρίζουμε σήμερα, με σειρά μειούμενης ισχύος, είναι:
α) η ισχυρή αλληλεπίδραση,
Οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις μεταξύ των νουκλεονίων του πυρήνα και γενικότερα μεταξύ των αδρονίων είναι αποτέλεσμα της ισχυρής αλληλεπίδρασης.
Τα σωματίδια φορείς της ισχυρής αλληλεπίδρασης λέγονται γκλουόνια (gluons).
Οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις μεταξύ των νουκλεονίων του πυρήνα και γενικότερα μεταξύ των αδρονίων είναι αποτέλεσμα της ισχυρής αλληλεπίδρασης.
Τα σωματίδια φορείς της ισχυρής αλληλεπίδρασης λέγονται γκλουόνια (gluons).
β) η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση,
Οι δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των φορτίων στα φαινόμενα του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού είναι αποτέλεσμα της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης.
Τα σωματίδια φορείς της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης είναι τα φωτόνια. Έτσι, για παράδειγμα, οι φυσικοί εξηγούν την αλληλεπίδραση μεταξύ δύο ηλεκτρονίων ως ανταλλαγή ενός φωτονίου που εκπέμπεται από το ένα και απορροφάται από το άλλο.
Οι δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των φορτίων στα φαινόμενα του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού είναι αποτέλεσμα της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης.
Τα σωματίδια φορείς της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης είναι τα φωτόνια. Έτσι, για παράδειγμα, οι φυσικοί εξηγούν την αλληλεπίδραση μεταξύ δύο ηλεκτρονίων ως ανταλλαγή ενός φωτονίου που εκπέμπεται από το ένα και απορροφάται από το άλλο.
γ) η ασθενής αλληλεπίδραση,
Η ασθενής αλληλεπίδραση είναι υπεύθυνη για πολλές από τις αλληλεπιδράσεις των λεπτονίων.Είναι υπεύθυνη για την εκπομπή ηλεκτρονίων από τους πυρήνες. Η ασθενής αλληλεπίδραση είναι μικρής εμβέλειας, όπως και η ισχυρή, αλλά είναι πολύ ασθενέστερη.
Τα σωματίδια φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης είναι τα W+, W- και Ζo
Η ασθενής αλληλεπίδραση είναι υπεύθυνη για πολλές από τις αλληλεπιδράσεις των λεπτονίων.Είναι υπεύθυνη για την εκπομπή ηλεκτρονίων από τους πυρήνες. Η ασθενής αλληλεπίδραση είναι μικρής εμβέλειας, όπως και η ισχυρή, αλλά είναι πολύ ασθενέστερη.
Τα σωματίδια φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης είναι τα W+, W- και Ζo
δ) η βαρυτική αλληλεπίδραση.
Οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ μαζών που κυριαρχούν στο μακρόκοσμο είναι αποτέλεσμα της βαρυτικής αλληλεπίδρασης.
Κατ' αναλογία πιστεύουμε σήμερα ότι το σωματίδιο φορέας της βαρυτικής αλληλεπίδρασης είναι το βαρυτόνιο, χωρίς ακόμη να υπάρχουν θεωρητικές και πειραματικές ενδείξεις.
Τα χαρακτηριστικά τους αναφέρονται στον επόμενο πίνακα.
Οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ μαζών που κυριαρχούν στο μακρόκοσμο είναι αποτέλεσμα της βαρυτικής αλληλεπίδρασης.
Κατ' αναλογία πιστεύουμε σήμερα ότι το σωματίδιο φορέας της βαρυτικής αλληλεπίδρασης είναι το βαρυτόνιο, χωρίς ακόμη να υπάρχουν θεωρητικές και πειραματικές ενδείξεις.
.jpg) |
| Η ανταλλαγή σωματιδίων είναι υπεύθυνη για την δύναμη |
| Ισχυρή | Μικρής εμβέλειας (1-2 fm) | Υπέυθυνη για το σχηματισμό των πυρήνων |
| Ηλεκτρομαγνητική | Μεγάλης εμβέλειας (~1/r2), ισχύς: ισχυρή/100 | Υπέυθυνη για το σχηματισμό ατόμων και μορίων |
| Ασθενής | Μικρής εμβέλειας (1-2 fm), ισχύς: ισχυρή/109 | Υπέθυνη για τη διάσπαση πυρήνων (ραδιενέργεια) |
| Βαρυτική | Μεγάλης εμβέλειας (~1/r2), ισχύς: ισχυρή/1038 | Υπέθυνη για την κίνηση πλανητών |
Στη σύγχρονη φυσική οι αλληλεπδράσεις των σωματιδίων περιγράφονται ως ανταλλαγή ειδικών σωματιδίων πεδίου (ή κβάντων πεδίου), που λέγονται φορείς της δύναμης (κάτι ανάλογο με τον ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ των ατόμων). Τα σωματίδια πεδίου μεταφέρουν ενέργεια και ορμή από το ένα αλληλεπιδρών σωμάτιο στο άλλο. Στον παρακάτω πίνακα αναφέρονται οι φορείς κάθε μίας από τις δυνάμεις και τα χαρακτηριστικά τους.
| Ισχυρή | γλοιόνια (gluons) | μάζα; |
| Ηλεκτρομαγνητική | φωτόνια (γ) | χωρίς μάζα |
| Ασθενής | Διανυσματικά μποζόνια W+, W-, Z0 | μεγάλη μάζα (~90 GeV) |
| Βαρυτική | γκραβιτόνιο (δεν έχει ανακαλυφθεί) | μάζα; |
Σημειώστε επίσης ότι οι φορείς αυτοί έχουν spin ακέραιο, είναι δηλαδή μποζόνια, αντίθετα με τα σωματίδια που αποτελούν τς δομικά συστατικά της ύλης, τα οποία είναι φερμιόνια (spin ημιακέραιο).
.jpg) |
| Διάγραμμα Feynmann που αναπαριστά την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση δύο ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια εισέρχονται στην περιοχή αλληλεπίδρασης, ανταλάσσουν φωτόνια και απομακρύνονται |
Η δημιουργία των σωματιδίων-φορέων (εκ του μηδενός) είναι κάτι που παραβιάζει τη αρχή διατήρησης της ενέργειας. Ο λόγος που είναι δυνατή αυτή η δημιουργία είναι ότι η αρχή της αβεβαιότητας χρόνου-ενέργειας επιτρέπει τέτοιες παραβιάσεις, με την προυπόθεση ότι θα διαρκούν πολύ μικρό χρόνο, τ (ΔΕ τ=hbar). τ είναι ο χρόνος μεταξύ εκπομπής του σωματίου-φορέα από το ένα αλληλεπιδρών σωμάτιο και απορρόφησής του από το άλλο.
Αλληλεπίδραση
|
Ισχύς
|
Εμβέλεια
|
Όνομα
|
Μάζα ηρεμίας
|
Φορτίο
|
Ισχυρή
|
60
|
περίπου 10-15m
|
Γκλουόνιο
|
0
|
0
|
Ηλεκτρομαγνιτική
|
1
|
άπειρη
|
Φωτόνιο
|
0
|
0
|
Ασθενής
|
10-4
|
περίπου 10-18m
|
W+, W-
Zo
|
80,41GeV/c2
91,187GeV/c2
|
±e
0
|
Βαρυτική
|
10-41
|
άπειρη
|
Βαρυτόνιο
|
0
|
0
|
ΤΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΦΟΡΕΙΣ ΤΩΝ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΩΝ
Ένας τρόπος που συνήθως χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων είναι τα διαγράμματα Feynmann.
e- ηλεκτρόνιο νe νετρίνιο-e
|
μ- μιόνιο νμ νετρίνιο-μ
|
τ- ταυ ντ νετρίνιο-τ
|
Τα αντίστοιχα ζεύγη των λεπτονίων. Καθένα από τα e-, μ- και τ- έχει το δικό του νετρίνο
.jpg) |
| Μια παραστατική αναλογία του φορέα της δύναμης φαίνεται στο σχήμα. Δύο παιδιά ανταλλάσσουν ένα βαγονάκι με δυο διαφορετικούς τρόπους. Στην εικόνα (α) η ανταλλαγή οδηγεί σε άπωση, ενώ στην εικόνα (β) σε έλξη |
Τα 6 quarks, τα 6 λεπτόνια, τα αντισωματίδιά τους και τα σωματίδια φορείς των αλληλεπιδράσεων αποτελούν σήμερα τις θεμελιώδεις οντότητες με τις οποίες η σύγχρονη Φυσική αντιλαμβάνεται και περιγράφει τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις και την εξέλιξη του κόσμου από τις αρχέγονες στιγμές της γέννησής του μέχρι σήμερα.
.jpg) |
| Η Μεγάλη έκρηξη |
Σήμερα, ύστερα από 15 δισεκατομμύρια χρόνια από τη γέννηση του Σύμπαντος, στην ύλη που παρατηρούμε υπάρχουν μόνο τα πιο σταθερά των στοιχειωδών σωματιδίων, δηλαδή τα up και down quarks, που συγκροτούν τα νουκλεόνια, τα ηλεκτρόνια, τα νετρίνα, και οι φορείς των αλληλεπιδράσεων.
Οι αλληλεπιδράσεις αναφέρονται σε δύο quarks μέσα σε ένα νουκλεόνιο. Ο όρος «ισχύς» αναφέρεται στο πόσο ισχυρότερες είναι οι διάφορες αλληλεπιδράσεις σε σχέση με την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση που ελήφθη ως μονάδα σύγκρισης. Η «εμβέλεια» παριστάνει τη μέγιστη απόσταση στην οποία εκδηλώνεται κάθε αλληλεπίδραση.
ΝΟΜΟΙ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ
Τα περισσότερα από τα αδρόνια του διαγράμματος είναι εξαιρετικά ασταθή. Διασπώνται πολύ γρήγορα (σε 10-23 - 10-6 sec),δίδοντας άλλα σωματίδια.Τα βαρυόνια διασπώνται δίδοντας ως τελικό προιόν πρωτόνιο (το ελαφροτερο βαρυόνιο).Εν γένει, η συνήθης ύλη συντίθεται μόνο από πρωτόνια,νετρόνια και ηλεκτρόνια.
Ακολουθούν τρία παραδείγματα διασπάσεων/μεταστοιχειώσεων στοιχειωδών σωματιδίων.
Κατά τις διασπάσεις των στοιχειωδών σωματιδίων, εκτός από τους νόμους διατήρησης ενέργειας, ορμής, στροφορμής, και φορτίου, ισχύουν κάποιοι επιπλέον νόμοι διατήρησης. Αυτοί είναι ο νόμος διατήρησης του βαρυονικού αριθμού και του λεπτονικού αριθμού κάθε οικογένειας.
Η διατήρηση του βαρυονικού αριθμού μας λέει ότι ο αριθμός των βαρυονίων θα πρέπει να διατηρείται κατά την αντίδραση, και η διατήρηση του λεπτονικού αριθμού ότι ο αριθμός των λεπτονίων κάθε οικογένειας θα πρέπει να διατηρείται. (Με άλλα λόγια, στα βαρυόνια αποδίδουμε έναν νέο κβαντικό αριθμό, τον βαρυονικό - ίσο με μονάδα για κάθε βαρυόνιο -, που θα πρέπει να διατηρείται.
Ανάλογα, στα λεπτόνια αποδίδουμε τρεις λεπτονικούς αριθμούς, έναν για κάθε οικογένεια - π.χ. το ηλεκτρόνιο έχει λεπτονικό αριθμό ηλεκτρονίου 1 και τους υπόλοιπους λεπτονικούς αριθμούς μηδέν. Σημειώστε ότι τα αντιβαρυόνια έχουν βαρυονικό αριθμό αντίθετο από αυτόν του αντίστοιχου βαρυονίου. Το ανάλογο ισχύει και για τα αντιλεπτόνια κάθε οικογένειας.)
Εκτός από τους νόμους διατήρησης βαρυονικού και λεπτονικών αριθμών υπάρχουν και κάποιοι επιπλέον νόμοι διατήρησης,που αφορούν μόνο τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Αυτοί είναι η διατήρηση της παραδοξότητας, της χάρης και της ομορφιάς, για τους οποίους θα αναφέρουμε περισσότερα στο εδάφιο των quarks.
ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟ ΜΟΝΤΕΛΟ
Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι η θεωρία που προσπαθεί να ενοποιήσει τις ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, δηλαδή να τις περιγράψει με έναν ενιαίο τρόπο, ως τρεις διαφορετικές εκφάνσεις μίας και μοναδικής δύναμης. Αποτελεί συνδυασμό της θεωρίας ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων (η οποία ενοποίησε τις ηλεκτρομαγνητικές (ΗΜ) με τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις) και της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής (η οποία περιγράφει τα quarks και τις αλληλεπιδράσεις τους).Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο, σε υψηλές ενέργειες (> TeV) οι ισχυρές, ασθενείς και ΗΜ αλληλεπιδράσεις θα έχουν την ίδια σχετική ένταση.
Για να αποδειχθεί το μοντέλο αυτό πειραματικά χρειάζεται επιτάχυνση και κρούσεις σωματιδίων σε πολύ υψηλές ενέργειες (> TeV), πράγμα που με τους υπάρχοντες επιταχυντές σωματιδίων δεν είναι εφικτό, υπάρχει όμως δυνατότητα να γίνει εφικτό στο εγγύς μελλον.
Η προσπάθεια ενοποίησης με τις παραπάνω αλληλεπιδράσεις και της βαρύτητας, οδηγεί στη θεωρία που είναι γνωστή ως Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία, GUT.
ΒΑΡΥΟΝΙΟ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Το βαρυόνίο είναι ένα σύνθετο υποατομικό σωματίδιο που αποτελείται από τρία κουάρκ (σε αντιδιαστολή με τα μεσόνια, που αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ).Τα βαρυόνια και τα μεσόνια ανήκουν στην οικογένεια των αδρονίων,δηλαδή σωματίδια που κατασκευάζονται από κουάρκ.Τα βαρυόνια είναι φερμιόνια, σε αντίθεση με τα μεσόνια που είναι μποζόνια. Υπακούουν δηλαδή στηστατιστική Φέρμι-Ντιράκ, ενώ μπορούν να συμμετέχουν και σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις.Τα βαρυόνια διαθέτουν έναν κβαντικό αριθμό, τον βαρυονικό, ο οποίος διατηρείται σε κάθε είδους αλληλεπιδράσεις.
.gif) |
| Το βαρυόνίο είναι ένα σύνθετο υποατομικό σωματίδιο που αποτελείται από τρία κουάρκ |
Το όνομα "βαρυόνιο" προέρχεται από την ελληνική λέξη βαρύς επειδή, κατά τη στιγμή της ονομασίας τους, πιστευόταν ότι τα σωματίδια αυτά είχαν πολύ μεγάλη μάζα σε σχέση με τα υπόλοιπα.
.gif) |
| Το μοντέλο του βαρυονίου |
Τα βαρυόνια συμμετέχουν στην ισχυρή αλληλεπίδραση, ενώ τα λεπτόνια, τα οποία δεν είναι κουάρκ βάση, δεν συμμετέχουν. Τα πιο γνωστά είναι τα βαρυόνια πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της μάζας της ορατής ύλης στο σύμπαν.Τα ηλεκτρόνια είναι λεπτόνια.Κάθε βαρυόνιο έχει ένα αντίστοιχο αντισωματίδιο.Για παράδειγμα,το πρωτόνιο έχει το αντίστοιχο αντισωματίδιο του, το αντιπρωτόνιο.
ΙΣΤΟΡΙΑ
Τα βαρυόνια που αλληλεπιδρούν έντονα με τα φερμιόνια που συμμετέχουν στην ισχυρή αλληλεπίδραση και περιγράφονται από τη στατιστική Fermi-Dirac, που ισχύουν για όλα τα σωματίδια και υπακούουν στην αρχή του Pauli. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τα μποζόνια.Τα βαρυόνια, μαζί με τα μεσόνια είναι αδρόνια, που σημαίνει ότι τα σωματίδια που αποτελούνται από κουάρκ.
.gif) |
| Η οκταπλέτα των βαρυονίων-βαρυόνια που έχουν σπιν 1/2 |
Τα κουάρκ έχουν αριθμούς βαρυονίων Β = 1/3 και τα αντικουάρκ έχουν βαρυονικούς αριθμούς Β = -1 / 3. Ο όρος "βαρυόνιο" συνήθως αναφέρεται σε τρία κουάρκ (Β = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1).
.gif) |
| Η λεγόμενη δεκαπλέτα των βαρυονίων-βαρυόνια που έχουν σπιν 3/2. |
Άλλα βαρυόνια έχουν προταθεί, όπως τα πεντακουάρκ βαρυόνια που αποτελούνται από τέσσερα κουάρκ και ένα αντικουάρκ (Β = 1/3 + 1/3 + 1/3 + 1/3 - 1/3 = 1), αλλά η ύπαρξή τους δεν είναι γενικά αποδεκτή.Η θεωρία,των εφτάκουαρκ (5 κουάρκ,2 αντικουάρκ), εννέακουαρκ (6 κουάρκ, αντικουάρκ 3), κλπ., θα μπορούσαν επίσης να υπάρχουν.
ΒΑΡΥΟΝΙΚΗ ΥΛΗ
Βαρυονική ύλη είναι η ύλη που αποτελείται κυρίως από βαρυόνια (κατά βάρος), η οποία περιλαμβάνει άτομα από κάθε είδος. Μη βαρυονική ύλη, όπως υπονοείται από το όνομα, είναι οποιοδήποτε είδος της ύλης που δεν αποτελείται κυρίως από βαρυόνια.
Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει τη συνηθισμένη ύλη,όπως τα νετρίνα ή τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.Ωστόσο,μπορεί να περιλαμβάνει και τα υπερσυμμετρικά σωματίδια ή τις μαύρες τρύπες.
.gif) |
| Βαρυονική ύλη είναι η ύλη που αποτελείται κυρίως από βαρυόνια (κατά βάρος), η οποία περιλαμβάνει άτομα από κάθε είδος |
.gif) |
| Η διάκριση μεταξύ βαρυονικής και μη βαρυονικής ύλης είναι σημαντική στην κοσμολογία γιατί έχουμε υποθέσει ότι στο Big Bang που παράγεται από μια κατάσταση με ίσα ποσά από βαρυόνια και από αντιβαρυόνια |
Η διάκριση μεταξύ βαρυονικής και μη βαρυονικής ύλης είναι σημαντική στην κοσμολογία γιατί έχουμε υποθέσει ότι στο Big Bang που παράγεται από μια κατάσταση με ίσα ποσά από βαρυόνια και από αντιβαρυόνια.
ΒΑΡΥΟΓΕΝΝΕΣΗ
Η διαδικασία με την οποία τα βαρυόνια έρχονται να υπερτερούν αριθμητικά των αντισωματιδίων τους ονομάζεται βαρυογέννεση.Τα πειράματα έχουν δείξει ότι ο αριθμό των κουάρκ στο σύμπαν είναι μια σταθερή ποσότητα και πιο συγκεκριμένα, ο αριθμός των βαρυονίων είναι σταθερός. Στην τεχνική γλώσσα, ο συνολικός αριθμός των βαρυονίων φαίνεται να διατηρείται.
.gif) |
| Η διαδικασία με την οποία τα βαρυόνια έρχονται να υπερτερούν αριθμητικά των αντισωματιδίων τους ονομάζεται βαρυογέννεση |
Μεγάλη ενοποιημένη θεωρία της φυσικής σωματιδίων, επίσης, προβλέψει ότι ένα μόνο πρωτόνιο μπορεί να διασπαστεί, αλλάζοντας τον αριθμό των βαρυονίων από ένα.Ωστόσο, αυτό δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί στο πλαίσιο πειράματος. Η υπέρβαση των βαρυονίων σε αντιβαρυόνια πάνω στο σημερινό σύμπαν είναι πιθανό να οφείλεται στη μη-διατήρηση του αριθμού των βαρυονίων στο πολύ πρώιμο σύμπαν, αν και αυτό δεν είναι πλήρως κατανοητό.
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΒΑΡΥΟΝΙΩΝ
Τα πιο συνηθισμένα βαρυόνια είναι τα γνωστά πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία αποτελούν τους δομικούς λίθους του ατομικού πυρήνα. Άλλα σωματίδια που ανήκουν στην οικογένεια των βαρυονίων είναι τα σωμάτια Δ, Σ, Λ, Ξ και Ω.
Έχουν την χαρακτηριστική ιδιότητα να σχηματίζουν πλήρως συμμετρικές σύνθετες κβαντικές καταστάσεις.Ως επακόλουθο υπόκεινται στην στατιστική Μποζέ-Αϊνστάιν.
Ένα τυπικό παράδειγμα μποζονίων είναι τα φωτόνια (φορείς της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης).Όλα τα σωματίδια μεσολαβητές – φορείς - των τεσσάρων αλληλεπιδράσεων είναι Μποζόνια.
Όλα τα στοιχειώδη σωμάτια είναι είτε φερμιόνια είτε μποζόνια. Σωμάτια που αποτελούνται από μποζόνια μπορούν να είναι μόνο μποζόνια (αλλά τα μποζόνια μπορούν να αποτελούνται από φερμιόνια, όπως τα μεσόνια).
ΜΠΟΖΟΝΙΟ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Μποζόνιο λέγεται το σωματίδιο με ακέραιο σπιν.Πήρε το όνομά του προς τιμήν του Ινδού φυσικού Μποζέ, ο οποίος πρότεινε για πρώτη φορά μια διαφορετική στατιστική γι αυτά τα σωματίδια και ειδικότερα για τα φωτόνια,που είναι σήμερα γνωστή ως η στατιστική Μποζέ-Αϊνστάιν (Bose - Einstein).
.jpg) |
| Μποζόνιο λέγεται το σωματίδιο με ακέραιο σπιν |
.jpg) |
| O Μποζέ(1η Ιανουαρίου 1894 - 4 Φεβρουαρίου 1974) ήταν ένας Ινδός μαθηματικός και φυσικός γνωστός για τη συνεργασία του με τον Albert Einstein στη διατύπωση μιας θεωρίας σχετικά με τις ιδιότητες της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.Μέλος της Βασιλικής Εταιρείας,του απονεμήθηκε δεύτερο υψηλότερο πολιτικό βραβείο της Ινδίας,το Padma Vibhushan το 1954 από την κυβέρνηση της Ινδίας |
.jpg) |
| Το Καθιερωμένο Μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων, με τα μποζόνια στην τελευταία στήλη |
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΜΠΟΖΟΝΙΟΥ
α) Το spin καθενός είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της σταθεράς ħ του Πλανκ.
β) Δεν υπακούουν στην Απαγορευτική Αρχή του Pauli, στο « απαγορεύεται η συγκατοίκηση ».Άρα είναι δύσκολο να συνθέσουν σταθερές μορφές όπως συμβαίνει με τα φερμιόνια,οπότε διαφοροποιούνται από αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως ύλη (κβάντα πεδίων).
γ) Όπως βεβαιώνει το θεώρημα σπιν και στατιστικής, τα μποζόνια έχουν ακέραιο σπιν (1, 2, 3, ...).
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΜΠΟΖΟΝΙΩΝ
α) φωτόνια
β) W και Z μποζόνια.
γ) γκλουόνια (ή γλουόνια ή γλοιόνια)
δ) άτομα ηλίου 4
ε) Μποζόνια Χιγκς (Higgs)
.jpg) |
| Μποζόνιο Χιγκς (Higgs) |
Ένα παράδειγμα μποζονίου με μηδενικό spin είναι το σωματίδιο HIGGS, το οποίο προβλέπεται από το Standard Model. Το πεδίο Higgs στο οποίο αναφέρεται δεν είναι διανυσματικό πεδίο, είναι βαθμωτό, γι αυτό και το μποζόνιο HIGGS δεν είναι διανυσματικό μποζόνιο, χαρακτηρίζεται scalar - βαθμωτό - μποζόνιο με μηδενικό spin.
IΣTOΡIA THΣ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗΣ BOSE-EINSTEIN
Το 1923, ένας άγνωστος Ινδός φυσικός, ο Σαντιεντρανάθ Μποζ είχε υποβάλλει ένα χειρόγραφο στον Einstein ζητώντας τη γνώμη του. Ήταν μία νέα απόδειξη της φόρμουλας του μέλανος σώματος στην οποία είχε καταλήξει χρησιμοποιώντας τη Στατιστική Μηχανική αλλά με πολύ διαφορετικό τρόπο αντιμετώπισης των φωτονίων .
.jpg) |
| Ο Bose με τον Einstein |
Ενώ στην κλασική κατανομή Maxwell Boltzmann κάθε μόριο διατηρεί την ατομικότητά του, για τον Bose τα φωτόνια είναι απολύτως ταυτόσημα. Η εναλλαγή δύο εντελώς ίδιων φωτονίων δεν διαμορφώνει μια νέα εικόνα. Ο Einstein μελέτησε την εργασία του Bose, τη μετάφρασε στα γερμανικά και την επόμενη χρονια, το 1924, δημοσίευσε μια εργασία πάνω σε αυτό το θέμα. Έτσι γεννήθηκε η στατιστική Bose – Einstein που θα συμπληρωνόταν αργότερα απο τον Fermi και τον Dirac οι οποίοι έδειξαν ότι στο Σύμπαν ισχύουν δύο είδη στατιστικής.
ΦΕΡΜΙΟΝΙΟ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Στη σωματιδιακή φυσική,το φερμιόνιο είναι κάθε σωματίδιο που υπακούει στην στατιστική Fermi-Dirac και ακολουθεί την απαγορευτική αρχή του Pauli, η οποία περιλαμβάνει όλα τα κουάρκ,τα λεπτόνια, βαρυόνια και τα αδρόνια.Τα φερμιόνια αντίθεση με τα μποζόνια που υπακούουν στην αρχή Bose-Einstein .
.jpg) |
| Το φερμιόνιο είναι κάθε σωματίδιο που υπακούει στην στατιστική Fermi-Dirac και ακολουθεί την απαγορευτική αρχή του Pauli, η οποία περιλαμβάνει όλα τα κουάρκ,τα λεπτόνια, βαρυόνια και τα αδρόνια |
Ένα φερμιονίο μπορεί να είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο, όπως το ηλεκτρόνιο ή μπορεί να είναι ένα σύνθετο σωματίδιο, όπως το πρωτόνιο.Σε αντίθεση με τα μποζόνια, μόνο ένα φερμιόνιο μπορεί να καταλάβει μια συγκεκριμένη κβαντική κατάσταση σε κάθε δεδομένη στιγμή.
.jpg) |
Ο Ενρίκο Φέρμι (Enrico Fermi, 29 Σεπτεμβρίου 1901- 28 Νοεμβρίου 1954) ήταν Ιταλός φυσικός, ο οποίος τιμήθηκε το 1938 με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής.Ο Φέρμι μελέτησε τα σωμάτια των ατόμων και ανακάλυψε ένα ακόμη σωμάτιο, το οποίο ονομάστηκε φερμιόνιο. Επίσης, διατύπωσε τη θεωρία της ραδιενέργειας β. Το 1942 κατασκεύασε τον πρώτο ατομικό αντιδραστήρα, στο Σικάγο των Η.Π.Α. Εκεί πέτυχε την τεχνητή αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση.Ο Φέρμι συμμετείχε και στην κατασκευή της ατομικής βόμβας μαζί με πολλούς διάσημους φυσικούς της εποχής του
|
Το όνομα Φερμιόνιο προέρχεται από τον Ιταλό Νομπελίστα φυσικό Enrico Fermi.
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΕΡΜΙΟΝΙΟΥ
α) Τα Φερμιόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια, με την χαρακτηριστική ιδιότητα να σχηματίζουν πλήρως αντισυμμετρικές σύνθετες κβαντικές καταστάσεις.
β) Άλλο κοινό χαρακτηριστικό τους είναι το ημιακέραιο σπιν (1/2, 3/2 ...).Αυτός είναι ο λόγος που υπόκεινται στην απαγορευτική αρχή του Πάουλι και στην στατιστική Φέρμι-Ντιράκ.
.jpg) |
Τα Φερμιόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια με ημιακέραιο σπιν (1/2, 3/2 ...)
|
Όλα τα στοιχειώδη σωμάτια είναι φερμιόνια ή μποζόνια. Σωμάτια που αποτελούνται από φερμιόνια μπορούν να είναι φερμιόνια (όπως τα βαρυόνια) ή μποζόνια (όπως τα μεσόνια).
Τα στοιχειώδη σωμάτια που αποτελούν την ύλη είναι φερμιόνια και ανήκουν στα κουάρκ (που σχηματίζουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια) ή στα λεπτόνια (όπως τα ηλεκτρόνια).
Το γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια είναι φερμιόνια είναι θεμελιώδες για τη συγκέντρωση του περιοδικού πίνακα των στοιχείων καθώς μπορεί να υπάρχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο για κάθε ένα άτομο (μόνο ένα ηλεκτρόνιο για κάθε δυνατό σύνολο κβαντικών αριθμών). Η φύση των ηλεκτρονίων φερμιονίων διέπει επίσης τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε ένα μέταλλο που σε χαμηλές θερμοκρασίες, όλες οι χαμηλές ενεργειακές καταστάσεις γεμίζουν σε ένα επίπεδο που ονομάζεται ενέργεια Fermi.
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΦΕΡΜΙΟΝΙΩΝ
α) ηλεκτρόνια
β) πρωτόνια
γ) νετρόνια
δ) κουάρκ
ε) νετρίνα
.jpg) |
| Ένα τυπικό παράδειγμα φερμιονίων είναι τα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα του ατόμου, που καταλαμβάνουν τις διαθέσιμες θέσεις στις στοιβάδες |
Ένα παράδειγμα φερμιονίων είναι τα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα του ατόμου, που καταλαμβάνουν τις διαθέσιμες θέσεις στις στοιβάδες.Η απαγορευτική αρχή του Πάουλι ευθύνεται για τη σταθερότητα των ατομικών ηλεκτρονικών στοιβάδων απαραίτητη για την ύπαρξη της χημείας αλλά και γενικότερα για την σταθερότητα της ύλης.
ΣΠΙΝ ΦΕΡΜΙΟΝΙΩΝ
Το σπιν των φερμιονίων αντί για ημιακέραιο συχνά λέγεται "ημιπεριττό" για να τονιστεί ότι δεν μπορεί να είναι ακέραιο, (το μισό ενός ακεραίου μπορεί και να είναι επίσης ακέραιος).
ΠΕΝΤΑΚΟΥΑΡΚ
Σε ένα πείραμα, που πραγματοποιήθηκε με το μαγνητικό φασματόμετρο CLAS στο εργαστήριο Jefferson, χρησιμοποιήθηκε μια ακτίνα φωτονίων πολλών GeV και ενός στόχου δευτερίου. Η αντίδραση παρήγαγε ένα μεσόνιο Κ- και ένα πρωτόνιο στη τελική κατάσταση, μαζί με το πεντακουάρκ, το οποίο διασπάστηκε αμέσως σε ένα νετρόνιο και ένα μεσόνιο Κ+. Το πιθανό διάγραμμα εμφανίζεται πιο κάτω.
.gif) |
| Η αντίδραση παρήγαγε ένα μεσόνιο Κ- και ένα πρωτόνιο στη τελική κατάσταση, μαζί με το πεντακουάρκ, το οποίο διασπάστηκε αμέσως σε ένα νετρόνιο και ένα μεσόνιο Κ+. |
Το αποτέλεσμα αυτού του πειράματος αναγγέλθηκε αρχικά τον Μάιο του 2003 σε Συνέδριο για τη Πυρηνική Φυσική (CIPANP) στη Νέα Υόρκη από το φυσικό Stepan Stepanyan.
Ο φυσικός Ken Hicks, του Πανεπιστημίου του Οχάιο, που συμμετείχε και στο πείραμα και στην εργασία επαλήθευσης, στο εργαστήριο Jefferson, στη Βιρτζίνια των ΗΠΑ, λέει ότι χρειάστηκε δύο μήνες για να πειστεί ότι το πεντακουάρκ ήταν πραγματικό.
Το 2002, τα πρώτα δοκιμαστικά στοιχεία του πεντακουάρκ υποβλήθηκαν σε μια διεθνή επιστημονική διάσκεψη στην Ιαπωνία. Στις αρχές του τρέχοντος έτους, μια έκθεση αυτής της εργασίας υποβλήθηκε για δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review Letters.
Η έκθεση λέει ότι τα πεντακουάρκ δημιουργήθηκαν καθώς ακτινοβολήθηκαν με ακτίνες Χ άτομα του άνθρακα. Η εργασία έγινε από μια Ιαπωνική ομάδα, που καθοδηγήθηκε από τον Takashi Nakano του Πανεπιστημίου της Οζάκα.
Αλλά οι ισχυρότερες, ίσως, αποδείξεις προέρχονται από το εργαστήριο Jefferson παρόλο ότι για το πεντακουάρκ αναφέρθηκαν πρόσφατα κι άλλα πειράματα.
Μέχρι τώρα, όλα τα γνωστά αδρόνια υπάρχουν σε δύο μόνο κατηγορίες: Τα βαρυόνια, που αποτελούνται από 3 κουάρκ, για παράδειγμα τα νετρόνια και τα πρωτόνια. Και τα μεσόνια, που αποτελούνται από δύο κουάρκ (συγκεκριμένα, από ένα κουάρκ και ένα αντι-κουάρκ).
Το πεντακουάρκ, όμως, φτιάχνεται από πέντε κουάρκ (συγκεκριμένα, από 4 κουάρκ και 1 αντι-κουάρκ). Αποτελεί δε το πρώτο παράδειγμα μιας νέας ταξινόμησης των σωματιδίων, που είναι γνωστά ως εξωτικά βαρυόνια.
Το, ως τώρα, γνωστό Καθιερωμένο Μοντέλο των σωματιδίων δεν το απαγορεύει αυτό, αλλά κανένα πειστικό στοιχείο δεν έχει προέλθει από τις μυριάδες των πειραμάτων που έγιναν μέχρι τώρα, στα προηγούμενα 30 χρόνια για την ύπαρξη αυτών των εξωτικών βαρυονίων.
Έχει βρεθεί χωρίς καμιά αμφισβήτηση, από βαθιά ανελαστικά πειράματα διασκεδασμού, ότι μια θάλασσα κουάρκ (ζεύγη κουάρκ και αντι-κουάρκ) είναι μέρος της βασικής κατάστασης της κυματοσυνάρτησης του νουκλεονίου. Επιπλέον, είναι καλά γνωστό ότι οι διεγερμένες καταστάσεις του νουκλεονίου περιβάλλονται από ένα νέφος πιονίων. Από αυτή την άποψη, ξέρουμε ότι σχηματισμοί από πέντε κουάρκ (qqqq qbar) (4 κουάρκ και 1 αντι-κουάρκ) αναμιγνύονται με τα καθιερωμένα σωματίδια με 3 κουάρκ.
Είναι φυσικό να αναρωτηθούμε εάν υπάρχει ένας σχηματισμός από 5 κουάρκ, όπου το αντι-κουάρκ έχει μια διαφορετική γεύση από τα υπόλοιπα άλλα 4 κουάρκ και ως εκ τούτου δεν μπορεί να εξαυλωθεί με αυτά.
Ως γνωστόν τα μεσόνια έχουν βαρυονικό αριθμό μηδέν, γιατί το αντι-κουάρκ εξουδετερώνει τον βαρυονικό αριθμό του κουάρκ. Ως εκ τούτου το πεντακουάρκ, είναι τεχνητά μέρος της οικογένειας των βαρυονίων, με 4-1=3 κουάρκ, αλλά εξωτικό εάν υποτεθεί ότι το αντι-κουάρκ έχει μια διαφορετική "γεύση" ή " flavor" από τα άλλα κουάρκ.
Το κλασικό παράδειγμα ενός βαρυονίου είναι το πρωτόνιο , με δύο κουάρκ "πάνω" και ένα κουάρκ "κάτω". Γι' αυτό και το το πρωτόνιο συμβολίζεται σαν uud. Ομοίως, το νετρόνιο συμβολίζεται udd.Το κλασικό παράδειγμα ενός μεσόνιου είναι το θετικό π-μεσόνιο, ή αλλιώς "pi +", με ένα κουάρκ πάνω και ένα αντι-κουάρκ κάτω, αναφέρεται δε σαν (u d-bar).
Εκτός από το up και το down κουάρκ, άλλα γνωστά κουάρκ είναι το παράξενο (strange), το γοητευτικό (charme), το κορυφαίο (top) και το κατώτατο (bottom), που δίνουν συνολικά 6 γεύσεις κουάρκ. Οι διαφορετικοί συνδυασμοί των 6 γεύσεων των κουάρκ, που επιτρέπονται από το καθιερωμένο μοντέλο της ισχυρής αλληλεπίδρασης, την Κβαντική Χρωμοδυναμική (QCD), προκαλούν τα γνωστά υποατομικά σωματίδια.
Το νέο πεντακουάρκ έχει την εξής διαμόρφωση: uudd s-bar, όπου το s-bar (αντι-παράξενο κουάρκ) έχει μια διαφορετική γεύση, και ως εκ τούτου δεν μπορεί να εξουδετερωθεί με, τα άλλα u και d κουάρκ.
.gif) |
| Το νέο πεντακουάρκ έχει την εξής διαμόρφωση: uudd s-bar, όπου το s-bar (αντι-παράξενο κουάρκ) έχει μια διαφορετική γεύση, και ως εκ τούτου δεν μπορεί να εξουδετερωθεί με, τα άλλα u και d κουάρκ. |
Το πεντακουάρκ επιτρέπεται από τους κανόνες της QCD, αλλά μέχρι τώρα, δεν υπήρξε καμιά πειραματική απόδειξη των πεντακουάρκ ακόμα κι αν υπήρξαν πολλές αναζητήσεις από τη δεκαετία του '70. Αυτό οδήγησε μερικούς ανθρώπους να αναρωτηθούν γιατί οι μαθηματικές λύσεις της QCD, που είναι πολύ δύσκολο να υπολογιστούν, να μην αυμπεριλάβουν τα πεντακουάρκ.
Τώρα που έχει βρεθεί ένα πεντακουάρκ, ελπίζουμε να μάθουμε περισσότερα γιατί οι λύσεις της QCD, δεν περιλαμβάνουν αυτό το σωματίδιο. Αυτό όμως θα τραβήξει σε μάκρος και θα χρειαστούν πολλές μελλοντικές θεωρητικές προσπάθειες.
Το κίνητρο για να παρατηρηθεί το πεντακουάρκ προήλθε από μια πολύ συγκεκριμένη πρόβλεψη από μια εργασία των Diakonov, Petrov και Polyakov (DPP). Ενώ αυτό το θεωρητικό τους μοντέλο είναι μόνο μια προσέγγιση της QCD, πρόβλεψαν ότι το πεντακουάρκ θα βρισκόταν με μια μάζα 1530 MeV μέσα σε ένα στενό εύρος ενέργειας (λιγότερο από 15 MeV). Η εργασία των DPP, φυσικά, φτιάχτηκε πάνω στις προηγούμενες θεωρητικές προόδους από άλλους ανθρώπους, αλλά το μοντέλο DPP ήταν αρκετά συγκεκριμένο στη πρόβλεψή του για τη μάζα του σωματιδίου. Έτσι αυτό παρακίνησε τους πειραματιστές να ψάξουν για αποδείξεις ότι υπάρχει αυτό το μόριο.
Τα πειραματικά στοιχεία, από 3 διαφορετικά εργαστήρια, εμφανίζουν σε όλες τις περιπτώσεις, μια οξύτατη αιχμή περίπου στα 1540 MeV με ένα πλάτος που περιορίζεται από την πειραματική ανάλυση. Το σήμα είναι μικρό, και ως εκ τούτου αυτό το πεντακουάρκ είναι δύσκολο να ανιχνευθεί, αλλά καθαρό με μια μεγάλη στατιστική σημασία.
Αυτές οι μετρήσεις είναι που βάζουν στον πειρασμό τους φυσικούς να θεωρούν σωστό το θεωρητικό μοντέλο DPP. Όμως απαιτούνται περισσότερες μετρήσεις για να καθορίσουν τις ιδιότητες του πεντακουάρκ. Παραδείγματος χάριν, το σπιν αυτού του σωματιδίου (που προβλέπεται να είναι 1/2) δεν έχει επιβεβαιωθεί ακόμα, αλλά θα το δείξουν τα μελλοντικά πειράματα.
Μια άλλη εξήγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων θα μπορούσε να είναι μια κατάσταση "μορίου" μεσονίου-βαρυονίου, το οποίο θα είχε πιθανώς διαφορετική ιδιότητα από το σωματίδιο που προβλέπεται από τη θεωρία DPP. Άλλωστε ακόμη αναλύονται οι λεπτομέρειες των πειραμάτων.
Τα πειράματα, φυσικά, δεν εξαρτώνται από το θεωρητικό μοντέλο DPP που είναι σωστό, αλλά τα πειράματα είναι συνεπή προς τις προβλέψεις αυτού του μοντέλου αυτή τη στιγμή.
