ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΕΤΑΙΡΙΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ  ΥΨΗΛΩΝ  ΕΝΕΡΓΕΙΩΝ 
ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΟΜΑΔΑ ΕΚΛΑΪΚΕΥΣΗΣ
OUTREACH GROUP
...πίσω στον κατάλογο των άρθρων

 

Τα Στοιχειώδη Σωματίδια
 
(Το παρακάτω κείμενο αποτελεί μια εκτενή λεζάντα στον Πίνακα των Στοιχειωδών Σωματιδίων. "Κτυπήστε" με το ποντίκι σας και θα τον δείτε σε μεγέθυνση. Επίσης, για ευκολία, θα εμφανίζεται και σε άλλα σημεία του κειμένου για να τον καλείτε όποτε θέλετε)
 

 

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ: 
Το άτομο  
Πυρήνας και ηλεκτρόνια 
Πρωτόνια και νετρόνια  
Κουαρκ 
Η 1η γενιά των Στοιχειωδών Σωματιδίων 
Η 2η και 3η γενιά των Στοιχειωδών Σωματιδίων  
...και τα αντισωματίδια 
 
 
ΤΟ ΑΤΟΜΟ Η ατομική δομή της ύλης, σαν φιλοσοφική ιδέα τουλάχιστον, ξέρομε ότι ξεκίνησε από τον Λεύκιππο και τον Δημόκριτο (4ος αιώνας π.Χ.). Πέρασαν πολλοί αιώνες ώσπου τον 18ο αιώνα ο Λαβουαζιέ (Antoine Laurent Lavoisier), μαζί  με μια ολόκληρη σειρά  άλλων επιστημόνων, επιβεβαίωσαν με πειράματά τους την ορθότητα αυτής της άποψης. 
 
 
ΠΥΡΗΝΑΣ ΚΑΙ 
ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ		 Στις αρχές του 20 αιώνα, ο Ράδερφορντ (Ernest Rutherford) κατάφερε να δείξει ότι το άτομο έχει ένα πολύ συμπαγή, όσο και σχετικά πολύ μικρό, πυρήνα ενώ ο υπόλοιπος χώρος του ατόμου φαινόταν κενός. Το βασικό πείραμα που πραγματοποίησε ήταν ο βομβαρδισμός ενός λεπτού φύλλου χρυσού με σωματίδια α (πού σήμερα γνωρίζομε ότι είναι πυρήνες του στοιχείου ήλιο, He) πολύ μεγάλης ταχύτητας. Ενώ λοιπόν τα πιό πολλά από αυτά τα
σωματίδια διαπερνούσαν το φύλλο με πολύ μικρές αποκλίσεις, μερικά "γύριζαν" προς τα πίσω. Οπως έλεγε ο ίδιος ο Ράδερφορντ, " ... ήταν το ίδιο απίστευτο σαν να είχες πυροβολήσει ένα τσιγαρόχαρτο με ένα βλήμα 15 ιντσών και το βλήμα να γύριζε κατευθείαν πίσω και να σε χτυπούσε". Ο πυρήνας του ατόμου είναι θετικά φορτισμένος ενώ, κατά το Ράδερφορντ, ένα πλήθος (αρνητικά φορτισμένων) ηλεκτρονίων γέμιζε τον κενό χώρο. Επρεπε να έρθει ο Μπορ (Niels Bohr) για να βάλει τα
ηλεκτρόνια στη "θέση" τους, δηλαδή να περιστρέφονται σε κυκλικές ή ελλειπτικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα (το ηλεκτρόνιο είχε ήδη ανακαλυφθεί από τον Τόμσον (Joseph John Thomsosn) λίγα χρόνια πριν). 
 
 
 
ΠΡΩΤΟΝΙΑ ΚΑΙ 
ΝΕΤΡΟΝΙΑ		 Νέα πειράματα, στην 2η και 3η δεκαετία του αιώνα μας, έδωσαν τη νέα πληροφορία ότι ο πυρήνας του ατόμου σχηματίζεται από δυο ειδών σωματίδια: το πρωτόνιο, με θετικό ηλεκτρικό φορτίο (ίσο κατ΄ απόλυτη τιμή με αυτό του ηλεκτρονίου), και το νετρόνιο που έχει σχεδόν την ίδια μάζα με το πρωτόνιο αλλά είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. 
 
 
 
ΚΟΥΑΡΚ Στην δεκαετία του '60 και του '70 έγινε κατανοητό, αρχικά θεωρητικά και κατόπιν επιβεβαιώθηκε και πειραματικά, ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν είναι στοιχειώδη αλλά έχουν εσωτερική δομή: αποτελούνται δηλαδή από μικρότερα σωματίδια που ονομάστηκαν κουαρκ (quark). Τα κουαρκ παρουσιάζονται σε δυο είδη: το άνω (up) κουαρκ και το κάτω (down) κουαρκ. Τα κουαρκ είναι ηλεκτρικά φορτισμένα: το άνω κουαρκ έχει φορτίο +2/3 (σε μονάδες του φορτίου του ηλεκτρονίου που θεωρούμε ότι εχει φορτίο -1. Βλέπε σχετική σημείωση), ενώ το κάτω κουαρκ έχει φορτίο -1/3. Το πρωτόνιο αποτελείται από 2 άνω κουαρκ και 1 κάτω κουαρκ, ενώ το νετρόνιο από 2 κάτω κουαρκ και 1 άνω κουαρκ  
(προσέξτε τα ηλεκτρικά φορτία: πρωτόνιο = 2*2/3-1*1/3=1, νετρόνιο=2*(-1/3)+1*2/3=0) 
 
 
 
Η 1η ΓΕΝΙΑ ΤΩΝ 
ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ 
ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ		 Μ' αυτά τα στοιχεία μπορούμε τώρα να περιγράψουμε όλη τη φύση, εμάς τους ίδιους, το σύμπαν ολόκληρο. Πράγματι, η σημερινή επιστήμη της δομής της ύλης, η ΦΥΣΙΚΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ, χρειάζεται μόνο 4 βασικούς δομικούς λίθους για να χτίσει τον σημερινό κόσμο. Το άνω και το κάτω κουαρκ, το ηλεκτρόνιο και επιπλέον ένα πολύ παράξενο σωματίδιο, το νετρίνο. Αυτό το τελευταίο είχε προβλεφθεί από τον Πάολι (Wolfgang Pauli) από το 1930, αλλά μόνο το 1956 αποδείχθηκε και πειραματικά η ύπαρξή του. Είναι ένα ουδέτερο ηλεκτρικά σωματίδιο με εκπληκτικά μικρή μάζα (στη πραγματικότητα η μάζα του είναι μικρότερη από το σφάλμα που κάνουν οι πειραματικές συσκευές και θεωρητικά το αντιμετοπίζουμε σαν να μην έχει μάζα, κάτι τελείως αποδεκτό κατά τη ειδική θεωρία της σχετικότητας. Βλέπε σχετική σημείωση). Το νετρίνο εμφανίζεται σαν προϊόν της διάσπασης του νετρονίου. Το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο ονομάζονται λεπτόνια (από την λέξη "λεπτός"). Στη πρώτη γραμμή του πίνακα φαίνονται ακριβώς οι τέσσερεις αυτοί βασικοί δομικοί λίθοι της φύσης με τα αντίστοιχα ηλεκτρικά φορτία τους. 
 
 
 
Η 2η ΚΑΙ 3η ΓΕΝΙΑ  
ΤΩΝ 
ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ 
ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ		 Παρόλο που τα τέσσερα αυτά σωματίδια σχηματίζουν την ύλη όλου του (σημερινού) σύμπαντος, στα πειράματα που γίνονται (και, όπως πιστεύουμε, επίσης κατά τα πρώτα δευτερόλεπτα της δημιουργίας του σύμπαντος), εμφανίζονται και άλλα σωματίδια που έχουν όμως εκπληκτικές ομοιότητες με τα τέσσερα που προαναφέραμε και που θα ονομάζουμε σαν 1η γενιά. Πράγματι λοιπόν, εμφανίζονται άλλες 2 γενιές σωματιδίων, η κάθε μια με 2 λεπτόνια και με 2 κουαρκ. Στη 2η γενιά έχουμε το σωματίδιο μ και το δικό του νετρίνο (διαφορετικό από αυτό της πρώτης γενιάς) για λεπτόνια καθώς και το γοητευτικό (charm) και το παράξενο (strange) κουαρκ με φορτία ακριβώς αντίστοιχα με τα σωματίδια της πρώτης γενιάς (βλέπε τον πίνακα). Οι ομοιότητες συνεχίζουν και σε άλλες ιδιότητες εκτός από τη μάζα: η 2η γενια είναι πιο βαριά από την 1η. Στη 3η γενιά εμφανίζονται το σωματίδιο τ και το δικό του νετρίνο για λεπτόνια και το υψηλό (top) και το χαμηλό (bottom) κουαρκ (κατ' άλλους κορυφή και πυθμένας). Και πάλι η 3η γενιά εμφανίζεται ακόμα πιο βαριά. Είναι γεγονός ότι η ύπαρξη των 3 γενιών, με πανομοιότυπα χαρακτηριστικά, αποτελεί ένα από τα αναπάντητα ακόμα ερωτήματα της Φυσικής των Στοιχειωδών Σωματιδίων. Πάντως τα πειράματα συνειγορούν στην ύπαρξη 3 και όχι περισσότερων γενιών. 
 
 
 
...ΚΑΙ ΤΑ 
ΑΝΤΙΣΩΜΑΤΙΔΙΑ		 Επομένως θα μπορούσαμε να πούμε ότι συνολικά 12 σωματίδια αποτελούν τους βασικούς δομικούς λίθους του σύμπαντος, από τη γέννησή του μέχρι σήμερα. Οχι ακριβώς! Η σύγχρονη θεωρία που περιγράφει τον μικρόκοσμο, η κβαντομηχανική,  προβλέπει (και έχει αποδειχθεί πειραματικά) την ύπαρξη του αντισωματίδιου: σε κάθε σωματίδιο αντιστοιχεί άλλο ένα, με ίδια μάζα και αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Ετσι ο συνολικός αριθμός των σωματιδίων διπλασιάζεται.
 

Ν.Δ. Τράκας, Αναπλ. Καθηγητής Ε.Μ.Π., email: ntrac@central.ntua.gr

ΚΟΥΑΡΚ. Τό όνομα κουαρκ δόθηκε από τον Αμερικανό θεωρητικό Φυσικό Γκελλ-Μαν (Murray Gell-Mann) και είναι παρμένο από μια αινιγματική πρόταση στο Finnegans Wake του Ιρλανδού συγγραφέα Τζόυς (James Joyce): "Three quarks for Muster Mark".

ΚΛΑΣΜΑΤΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ. Τα κλασματικά ηλεκτρικά φορτία  των κουαρκ σίγουρα ανατρέπουν το αξίωμα που έχουμε μάθει σαν μαθητές του Γυμνασίου, το οποίο αναφέρει ότι όλα τα φορτία που παρουσιάζονται στη φύση είναι ακέραια πολλαπλάσια του φορτίου του ηλεκτρονίου. Το αξίωμα αυτό δεν καταρύπτεται με τις παρατηρήσεις μας για τα φορτία των κουαρκ. Απλά πρέπει να συμπληρωθεί. Πράγματι δεν παρατηρούνται ΕΛΕΥΘΕΡΑ σωματίδια στη φύση με φορτίο μη ακέραιο πολλαπλάσιο του ηλεκτρονίου. Η προσθήκη της λέξης "ΕΛΕΥΘΕΡΑ" λοιπόν μας οδηγεί ότι τα κουαρκ δεν παρατηρούνται ποτέ ελεύθερα, αλλά πάντα σε κατάλληλους συνδιασμούς (όπως αυτούς του πρωτονίου και του νετρονίου) ώστε το συνολικό φορτίο να συμφωνεί με το αξίωμα. Υπεύθυνη για την λεγόμενη "σκλαβιά" (slavery) των κουαρκ είναι η κβαντική χρωμαδυναμική, η θεωρία που διέπει τις αλληλεπιδράσεις τους.

ΝΕΤΡΙΝΟ. Αν θέλεις να μάθεις πιο πολλά για το νετρίνο πήγαινε στο άρθρο " Η αβάσταχτη ελαφρότητα του νετρίνο".
 

Η ΜΑΖΑ ΤΟΥ ΝΕΤΡΙΝΟ. Πολύ πρόσφατα πειράματα ανακοίνωσαν ότι κατάφεραν να μετρήσουν τη μάζα του νετρίνο. Αν αληθεύει, αποτελεί ένα σημαντικό νέο στοιχείο που βάζει σε δοκιμασία το Καθιερωμένο Πρότυπο που πιστεύουμε ότι περιγράφει με μεγάλη ακρίβεια τη δομή της ύλης.

...πίσω στον κατάλογο των άρθρων