Το πρότυπο ΜοντέλοΤο Πρότυπο Μοντέλο εξηγεί πώς αλληλεπιδρούν τα βασικά δομικά στοιχεία της ύλης, που διέπονται από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις.
Οι θεωρίες και οι ανακαλύψεις χιλιάδων φυσικών από τη δεκαετία του 1930 έχουν οδηγήσει σε μια αξιοσημείωτη εικόνα της θεμελιώδους δομής της ύλης: τα πάντα στο σύμπαν βρίσκονται να κατασκευάζονται από μερικά βασικά δομικά στοιχεία που ονομάζονται θεμελιώδη σωματίδια, τα οποία διέπονται από τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις. Η καλύτερη κατανόησή μας για το πώς αυτά τα σωματίδια και οι τρεις δυνάμεις σχετίζονται μεταξύ τους ενσωματώνεται στο Πρότυπο Μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων. Αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1970, εξήγησε με επιτυχία σχεδόν όλα τα πειραματικά αποτελέσματα και προέβλεψε με ακρίβεια μια μεγάλη ποικιλία φαινομένων. Με την πάροδο του χρόνου και μέσα από πολλά πειράματα, το πρότυπο μοντέλο έχει καθιερωθεί ως μια καλά δοκιμασμένη θεωρία της φυσικής.
 |
| Σωματίδια του Τυπικού Μοντέλου της φυσικής των σωματιδίων (Εικόνα: Daniel Dominguez / CERN) |
Σωματίδια ύλης
Όλη η ύλη γύρω μας αποτελείται από στοιχειώδη σωματίδια, τα δομικά στοιχεία της ύλης. Αυτά τα σωματίδια εμφανίζονται σε δύο βασικούς τύπους που ονομάζονται κουάρκ και λεπτόνια. Κάθε ομάδα αποτελείται από έξι σωματίδια, τα οποία σχετίζονται σε ζεύγη ή «γενιές». Τα ελαφρύτερα και πιο σταθερά σωματίδια αποτελούν την πρώτη γενιά, ενώ τα βαρύτερα και λιγότερο σταθερά σωματίδια ανήκουν στη δεύτερη και τρίτη γενιά. Όλη η σταθερή ύλη στο σύμπαν κατασκευάζεται από σωματίδια που ανήκουν στην πρώτη γενιά. Tυχόν βαρύτερα σωματίδια αποσυντίθενται γρήγορα σε πιο σταθερά. Τα έξι κουάρκ αντιστοιχίζονται σε τρεις γενιές - το «πάνω κουάρκ» και το «κάτω κουάρκ» σχηματίζουν την πρώτη γενιά, ακολουθούμενο από το «γοητευτικό κουάρκ» και «παράξενο κουάρκ», μετά το «κορυφαίο κουάρκ» και «κάτω» (ή ομορφιά) κουάρκ ». Τα κουάρκ έρχονται επίσης σε τρία διαφορετικά «χρώματα» και αναμειγνύονται μόνο με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζουν άχρωμα αντικείμενα. Τα έξι λεπτόνια είναι παρόμοια διατεταγμένα σε τρεις γενιές - το «ηλεκτρόνιο» και το «ηλεκτρόνιο νετρίνο», το «muon» και το «muon neutrino», και το «tau» και το «tau neutrino». Το ηλεκτρόνιο, το muon και το tau έχουν όλα ηλεκτρικό φορτίο και μεγάλη μάζα, ενώ τα νετρίνα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και έχουν πολύ μικρή μάζα.
Δυνάμεις και σωματίδια φορέα
Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στο σύμπαν: η ισχυρή δύναμη, η ασθενής δύναμη, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη και η βαρυτική δύναμη. Δουλεύουν σε διαφορετικές περιοχές και έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα. Η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη, αλλά έχει ένα άπειρο εύρος. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη έχει επίσης άπειρο εύρος αλλά είναι πολλές φορές ισχυρότερη από τη βαρύτητα. Οι αδύναμες και ισχυρές δυνάμεις είναι αποτελεσματικές μόνο σε πολύ μικρό εύρος και κυριαρχούν μόνο στο επίπεδο των υποατομικών σωματιδίων. Παρά το όνομά του, η ασθενής δύναμη είναι πολύ ισχυρότερη από τη βαρύτητα, αλλά είναι πράγματι η πιο αδύναμη από τις άλλες τρεις. Η ισχυρή δύναμη, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι η ισχυρότερη και από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις.
Τρεις από τις θεμελιώδεις δυνάμεις προκύπτουν από την ανταλλαγή σωματιδίων φορέα δύναμης, τα οποία ανήκουν σε μια ευρύτερη ομάδα που ονομάζεται «μποζόνια». Τα σωματίδια της ύλης μεταφέρουν διακριτές ποσότητες ενέργειας ανταλλάσσοντας μποζόνια μεταξύ τους. Κάθε θεμελιώδης δύναμη έχει το δικό της αντίστοιχο μποζόνιο - η ισχυρή δύναμη φέρεται από το "gluon", η ηλεκτρομαγνητική δύναμη φέρεται από το "φωτον" και τα "W και Z μποζόνια" είναι υπεύθυνα για την αδύναμη δύναμη. Αν και δεν έχει βρεθεί ακόμη, το "graviton" (βαρυτόνιο) πρέπει να είναι το αντίστοιχο σωματικό βάρος που φέρει δύναμη. Το πρότυπο μοντέλο περιλαμβάνει τις ηλεκτρομαγνητικές, ισχυρές και αδύναμες δυνάμεις και όλα τα σωματίδια φορέα τους και εξηγεί καλά πώς αυτές οι δυνάμεις δρουν σε όλα τα σωματίδια της ύλης. Ωστόσο, η πιο γνωστή δύναμη στην καθημερινή μας ζωή, η βαρύτητα, δεν αποτελεί μέρος του Πρότυπου Μοντέλου, καθώς η προσαρμογή της βαρύτητας σε αυτό το πλαίσιο αποδείχθηκε δύσκολη πρόκληση. Η κβαντική θεωρία που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τον μικρό-κόσμο και η γενική θεωρία της σχετικότητας που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τον μακρο-κόσμο, είναι δύσκολο να ενσωματωθούν σε ένα ενιαίο πλαίσιο. Κανείς δεν κατάφερε να κάνει τα δύο μαθηματικά συμβατά στο πλαίσιο του Πρότυπου Μοντέλου. Αλλά ευτυχώς για τη φυσική των σωματιδίων, όταν πρόκειται για τη μικροσκοπική κλίμακα των σωματιδίων, η επίδραση της βαρύτητας είναι τόσο αδύναμη ώστε να είναι αμελητέα. Μόνο όταν η ύλη είναι χύμα, στην κλίμακα του ανθρώπινου σώματος ή των πλανητών, για παράδειγμα, κυριαρχεί το αποτέλεσμα της βαρύτητας. Έτσι, το Πρότυπο Μοντέλο λειτουργεί ακόμα καλά παρά τον απρόθυμο αποκλεισμό μιας από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, και η γενική θεωρία της σχετικότητας που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του μακρο-κόσμου, είναι δύσκολο να ενσωματωθούν σε ένα ενιαίο πλαίσιο.
Μέχρι στιγμής τόσο καλό, αλλά ...
... δεν είναι ακόμα η ώρα για τους φυσικούς να το ονομάσουν. Παρόλο που το πρότυπο μοντέλο είναι αυτή τη στιγμή η καλύτερη περιγραφή του υποατομικού κόσμου, δεν εξηγεί την πλήρη εικόνα. Η θεωρία ενσωματώνει μόνο τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις, παραλείποντας τη βαρύτητα. Υπάρχουν επίσης σημαντικές ερωτήσεις που δεν απαντά, όπως « Τι είναι η σκοτεινή ύλη; "," Τι συνέβη στην αντιύλη μετά το big bang; "," Γιατί υπάρχουν τρεις γενιές κουάρκ και λεπτονίων με τόσο διαφορετική μάζα; " κι αλλα. Τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό είναι ένα σωματίδιο που ονομάζεται Higgs boson , ένα βασικό συστατικό του Πρότυπου Μοντέλου.
Όλη η ύλη γύρω μας αποτελείται από στοιχειώδη σωματίδια, τα δομικά στοιχεία της ύλης. Αυτά τα σωματίδια εμφανίζονται σε δύο βασικούς τύπους που ονομάζονται κουάρκ και λεπτόνια. Κάθε ομάδα αποτελείται από έξι σωματίδια, τα οποία σχετίζονται σε ζεύγη ή «γενιές». Τα ελαφρύτερα και πιο σταθερά σωματίδια αποτελούν την πρώτη γενιά, ενώ τα βαρύτερα και λιγότερο σταθερά σωματίδια ανήκουν στη δεύτερη και τρίτη γενιά. Όλη η σταθερή ύλη στο σύμπαν κατασκευάζεται από σωματίδια που ανήκουν στην πρώτη γενιά. Tυχόν βαρύτερα σωματίδια αποσυντίθενται γρήγορα σε πιο σταθερά. Τα έξι κουάρκ αντιστοιχίζονται σε τρεις γενιές - το «πάνω κουάρκ» και το «κάτω κουάρκ» σχηματίζουν την πρώτη γενιά, ακολουθούμενο από το «γοητευτικό κουάρκ» και «παράξενο κουάρκ», μετά το «κορυφαίο κουάρκ» και «κάτω» (ή ομορφιά) κουάρκ ». Τα κουάρκ έρχονται επίσης σε τρία διαφορετικά «χρώματα» και αναμειγνύονται μόνο με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζουν άχρωμα αντικείμενα. Τα έξι λεπτόνια είναι παρόμοια διατεταγμένα σε τρεις γενιές - το «ηλεκτρόνιο» και το «ηλεκτρόνιο νετρίνο», το «muon» και το «muon neutrino», και το «tau» και το «tau neutrino». Το ηλεκτρόνιο, το muon και το tau έχουν όλα ηλεκτρικό φορτίο και μεγάλη μάζα, ενώ τα νετρίνα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και έχουν πολύ μικρή μάζα.
Δυνάμεις και σωματίδια φορέα
Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στο σύμπαν: η ισχυρή δύναμη, η ασθενής δύναμη, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη και η βαρυτική δύναμη. Δουλεύουν σε διαφορετικές περιοχές και έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα. Η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη, αλλά έχει ένα άπειρο εύρος. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη έχει επίσης άπειρο εύρος αλλά είναι πολλές φορές ισχυρότερη από τη βαρύτητα. Οι αδύναμες και ισχυρές δυνάμεις είναι αποτελεσματικές μόνο σε πολύ μικρό εύρος και κυριαρχούν μόνο στο επίπεδο των υποατομικών σωματιδίων. Παρά το όνομά του, η ασθενής δύναμη είναι πολύ ισχυρότερη από τη βαρύτητα, αλλά είναι πράγματι η πιο αδύναμη από τις άλλες τρεις. Η ισχυρή δύναμη, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι η ισχυρότερη και από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις.
Τρεις από τις θεμελιώδεις δυνάμεις προκύπτουν από την ανταλλαγή σωματιδίων φορέα δύναμης, τα οποία ανήκουν σε μια ευρύτερη ομάδα που ονομάζεται «μποζόνια». Τα σωματίδια της ύλης μεταφέρουν διακριτές ποσότητες ενέργειας ανταλλάσσοντας μποζόνια μεταξύ τους. Κάθε θεμελιώδης δύναμη έχει το δικό της αντίστοιχο μποζόνιο - η ισχυρή δύναμη φέρεται από το "gluon", η ηλεκτρομαγνητική δύναμη φέρεται από το "φωτον" και τα "W και Z μποζόνια" είναι υπεύθυνα για την αδύναμη δύναμη. Αν και δεν έχει βρεθεί ακόμη, το "graviton" (βαρυτόνιο) πρέπει να είναι το αντίστοιχο σωματικό βάρος που φέρει δύναμη. Το πρότυπο μοντέλο περιλαμβάνει τις ηλεκτρομαγνητικές, ισχυρές και αδύναμες δυνάμεις και όλα τα σωματίδια φορέα τους και εξηγεί καλά πώς αυτές οι δυνάμεις δρουν σε όλα τα σωματίδια της ύλης. Ωστόσο, η πιο γνωστή δύναμη στην καθημερινή μας ζωή, η βαρύτητα, δεν αποτελεί μέρος του Πρότυπου Μοντέλου, καθώς η προσαρμογή της βαρύτητας σε αυτό το πλαίσιο αποδείχθηκε δύσκολη πρόκληση. Η κβαντική θεωρία που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τον μικρό-κόσμο και η γενική θεωρία της σχετικότητας που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τον μακρο-κόσμο, είναι δύσκολο να ενσωματωθούν σε ένα ενιαίο πλαίσιο. Κανείς δεν κατάφερε να κάνει τα δύο μαθηματικά συμβατά στο πλαίσιο του Πρότυπου Μοντέλου. Αλλά ευτυχώς για τη φυσική των σωματιδίων, όταν πρόκειται για τη μικροσκοπική κλίμακα των σωματιδίων, η επίδραση της βαρύτητας είναι τόσο αδύναμη ώστε να είναι αμελητέα. Μόνο όταν η ύλη είναι χύμα, στην κλίμακα του ανθρώπινου σώματος ή των πλανητών, για παράδειγμα, κυριαρχεί το αποτέλεσμα της βαρύτητας. Έτσι, το Πρότυπο Μοντέλο λειτουργεί ακόμα καλά παρά τον απρόθυμο αποκλεισμό μιας από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, και η γενική θεωρία της σχετικότητας που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του μακρο-κόσμου, είναι δύσκολο να ενσωματωθούν σε ένα ενιαίο πλαίσιο.
Μέχρι στιγμής τόσο καλό, αλλά ...
... δεν είναι ακόμα η ώρα για τους φυσικούς να το ονομάσουν. Παρόλο που το πρότυπο μοντέλο είναι αυτή τη στιγμή η καλύτερη περιγραφή του υποατομικού κόσμου, δεν εξηγεί την πλήρη εικόνα. Η θεωρία ενσωματώνει μόνο τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις, παραλείποντας τη βαρύτητα. Υπάρχουν επίσης σημαντικές ερωτήσεις που δεν απαντά, όπως « Τι είναι η σκοτεινή ύλη; "," Τι συνέβη στην αντιύλη μετά το big bang; "," Γιατί υπάρχουν τρεις γενιές κουάρκ και λεπτονίων με τόσο διαφορετική μάζα; " κι αλλα. Τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό είναι ένα σωματίδιο που ονομάζεται Higgs boson , ένα βασικό συστατικό του Πρότυπου Μοντέλου.
 |
| Επιταχυντής CERN - Maximilien Brice-CERN |
Στις 4 Ιουλίου 2012, τα πειράματα ATLAS και CMS στο Large Hadron Collider (LHC) του CERN ανακοίνωσαν ότι το καθένα είχε παρατηρήσει ένα νέο σωματίδιο στην περιοχή μάζας περίπου 126 GeV. Αυτό το σωματίδιο είναι σύμφωνο με το μποζόνιο Higgs, αλλά θα χρειαστεί περαιτέρω δουλειά για να προσδιοριστεί εάν είναι ή όχι το μποζόνιο Higgs που προβλέπει το πρότυπο μοντέλο. Το μποζόνιο Higgs, όπως προτείνεται στο πρότυπο μοντέλο, είναι η απλούστερη εκδήλωση του μηχανισμού Brout-Englert-Higgs. Άλλοι τύποι μποζονών Higgs προβλέπονται από άλλες θεωρίες που υπερβαίνουν το πρότυπο μοντέλο.
Στις 8 Οκτωβρίου 2013 το βραβείο Νόμπελ στη φυσική απονεμήθηκε από κοινού στους François Englert και Peter Higgs «για τη θεωρητική ανακάλυψη ενός μηχανισμού που συμβάλλει στην κατανόηση της προέλευσης της μάζας των υποατομικών σωματιδίων, και ο οποίος πρόσφατα επιβεβαιώθηκε μέσω της ανακάλυψης του προέβλεπε θεμελιώδες σωματίδιο, από τα πειράματα ATLAS και CMS στο μεγάλο Hadron Collider του CERN ».
Έτσι, παρόλο που το Πρότυπο Μοντέλο περιγράφει με ακρίβεια τα φαινόμενα στον τομέα του, εξακολουθεί να είναι ελλιπές. Ίσως είναι μόνο ένα μέρος μιας μεγαλύτερης εικόνας που περιλαμβάνει νέα φυσική κρυμμένη βαθιά στον υποατομικό κόσμο ή στις σκοτεινές εσοχές του σύμπαντος. Νέες πληροφορίες από πειράματα στο LHC θα μας βοηθήσουν να βρούμε περισσότερα από αυτά τα κομμάτια που λείπουν.
Αναρτήθηκε από : SelerTr
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου