Ένα ταξίδι στη διάσταση
Download
1 / 55

Ένα ταξίδι στη διάσταση των στοιχειωδών σωματιδίων - PowerPoint PPT Presentation


  • 117 Views
  • Uploaded on

Ένα ταξίδι στη διάσταση των στοιχειωδών σωματιδίων. Από το άτομο του Δημόκριτου στο σωματίδιο Higgs και τον επιταχυντή LHC του CERN. Κατερίνα Αρώνη Δεκέμβριος 2012. Η αναζήτηση… Από τα αρχαία χρόνια ο άνθρωπος προσπαθούσε να ανακαλύψει τα δομικά συστατικά της ύλης.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Ένα ταξίδι στη διάσταση των στοιχειωδών σωματιδίων' - lyndon


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

Ένα ταξίδι στη διάσταση των στοιχειωδών σωματιδίων

Από το άτομο του Δημόκριτου

στο σωματίδιο Higgs

και τον επιταχυντή LHC του CERN

Κατερίνα Αρώνη

Δεκέμβριος 2012


  • Η αναζήτηση…

  • Από τα αρχαία χρόνια ο άνθρωπος προσπαθούσε να ανακαλύψει τα δομικά συστατικά της ύλης.

  • Ο Αριστοτέλης πίστευε ότι 4 βασικά στοιχεία συνθέτουν τον κόσμο γύρω μας:

  • η φωτιά, ο αέρας,

  • η γη και το νερό.


Αργότερα, (5ος αιώνας π. Χ.), ο Λεύκιπποςκαι ο μαθητής του Δημόκριτος υποστηρίζουν την άποψη ότι η ύλη αποτελείται από αδιάσπαστα και αναλλοίωτα σωματίδια.Τα σωματίδια αυτά ονομάστηκαν άτομα.

Περνάνε αρκετοί αιώνες, όταν τον 19ο αιώνα

ο Τζον Ντάλτον δέχεται την άποψη του Δημόκριτου για τα άφθαρτα σωματίδια της ύλης, στην προσπάθειά του να ερμηνεύσει τις χημικές αντιδράσεις.


Το 1894, ο Τζόζεφ Τζον Τόμσον ανακαλύπτει το ηλεκτρόνιοσε εργαστήριο του Κέμπριτζ και το 1904 διατυπώνει τη θεωρία του στην οποία υποστηρίζει ότι

  • το άτομο δεν είναι αδιαίρετο, αλλά αποτελείται από ένα συμπαγές σωματίδιο με θετικό φορτίο το οποίο περιέχει αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια (μοντέλο του σταφιδόψωμου).

  • Joseph John Thomson:

  • Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1906

Σχηματική αναπαράσταση του ατομικού μοντέλου του σταφιδόψωμου


  • Το 1900 ο Γερμανός Μαξ Πλανκ, υποθέτει ότι

  • Η ενέργεια εκπέμπεται ή απορροφάται σε «πακετάκια» που λέγονται «κβάντα».

  • Max Planck:

  • Βραβείο Νόμπελ Φυσικής,1918


Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905, κάνει την υπόθεση ότι το φως διαδίδεται στο χώρο σε συμπυκνωμένα πακέτα, τα οποία ονομάστηκαν φωτόνια.

Σε αντίθεση με τον Πλανκ, πιστεύει ότι το φως όταν διαδίδεται στο χώρο, συμπεριφέρεται όχι σαν κύμα, αλλά σαν σωμάτιο.

Albert Einstein:

Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1921


Η σύγχρονη άποψη είναι ότι το φως παρουσιάζει δυαδικό χαρακτήρα: Άλλοτε συμπεριφέρεται σαν κύμα και άλλοτε σαν σωμάτιο, ανάλογα με τις συνθήκες.


  • Μια σπουδαία ανακάλυψη έκανε το έτος 1909 ο Αμερικανός επιστήμονας Ρόμπερτ Μίλικαν όταν στο πείραμά του με φορτισμένες σταγόνες λαδιού κατάφερε να μετρήσει το φορτίο του ηλεκτρονίου και να αποδείξει ότι είναι το μικρότερο δυνατό φορτίο που υπάρχει ελεύθερο στη Φύση.

  • Το ηλεκτρικό φορτίο είναι ένα μέγεθος κβαντωμένο, δεν μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή. Οι τιμές του είναι ακέραια πολλαπλάσια του στοιχειώδους φορτίου του ηλεκτρονίου.

  • Robert Andrews Millikan: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1923

e-


Το 1911 ο έτος 1909 Ράδερφορντ στο πλανητικό μοντέλο του υποστηρίζει ότι το άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα θετικά φορτισμένο γύρω από τον οποίο περιφέρονται τα ηλεκτρόνια. Το 1914 καταλήγει στο συμπέρασμα ότι ο πυρήνας του υδρογόνου είναι το μικρότερο θετικό σωματίδιο.

Το σωματίδιο αυτό ονομάστηκε πρωτόνιο.

  • Ernest Rutherford:

  • Βραβείο Νόμπελ Χημείας, 1908

Το ατομικό πρότυπο του Ράδερφορντ:

electrons (green) and nucleus (red)


Ο Δανός έτος 1909 Νιλς Μπορ το υποθέτει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε καθορισμένες τροχιές και ότι το άτομο ακτινοβολεί μόνο όταν τα ηλεκτρόνια αλλάξουν τροχιά, μεταβαίνοντας από μία ενεργειακή κατάσταση σε άλλη μικρότερης ενέργειας.

Niels Henrik David Bohr: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής,1922


Το 1923, ο Γάλλος έτος 1909 Λουί ντε Μπρέιγ υποστηρίζει ότι, αν το φως έχει δυαδική φύση, ίσως το ίδιο να ισχύει και για την ύλη. Έτσι, ήρθαν στο προσκήνιο τα υλικά κύματα.

Τα ηλεκτρόνια, αλλά και όλα τα σωμάτια, φορτισμένα ή αφόρτιστα, παρουσιάζουν κυματικά χαρακτηριστικά. Η ύλη συμπεριφέρεται σε μερικές περιπτώσεις σαν σωμάτιο και σε άλλες σαν κύμα.

  • Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie:

  • ΒραβείοΝόμπελ Φυσικής,1929

Ηλεκτρόνια και ιόντα σε κατάσταση πλάσματος (η 4η κατάσταση ύλης)


Στο έτος 1909 πείραμα των δύο σχισμών (πείραμα του Γιάνγκ), τα ηλεκτρόνια περνάνε από δύο πολύ λεπτές σχισμές που βρίσκονται πολύ κοντά η μια στην άλλη.

Για τη συμπεριφορά του ηλεκτρονίου παίζει σημαντικό ρόλο

ο παρατηρητής.

Έτσι, όταν το ηλεκτρόνιο δεν έχει παρατηρητή, συμπεριφέρεται σαν κύμα. Όταν όμως έχει παρατηρητή, συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο!


Σύμφωνα με την έτος 1909 αρχή της απροσδιοριστίας του Γερμανού φυσικού Βέρνερ Χάιζενμπεργκ που διατυπώθηκε το δεν μπορούμε να προσδιορίσουμε ταυτόχρονα με απεριόριστη ακρίβεια τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου.

  • Η ύλη και το φως είναι σαν δύο όμοια νομίσματα που επιδεικνύουν είτε τη μια είτε την άλλη όψη τους, όχι όμως και τις δύο ταυτόχρονα.

Werner Karl Heisenberg : Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1932


Ο Αυστριακός έτος 1909 Έρβιν Σρέντινγκερ το 1926 περιγράφει πώς μεταδίδεται κάθε υλικό κύμα στο χώρο και το χρόνο, με μία εξίσωση η οποία περιέχει μία ποσότητα Ψ που ονομάζεται κυματοσυνάρτηση.

  • Για ένα σωμάτιο, η ποσότητα Ψ2σε οποιοδήποτε σημείο, μας δίνει την πιθανότητα να βρίσκεται το σωμάτιο στο σημείο αυτό.

  • Erwin Schrödinger: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1933

Η εξίσωση του Σρέντινγκερ:



Ο Άγγλος φυσικός έτος 1909 Τζέιμς Τσάντγουικ ύστερα από πειράματα το 1932 ανακαλύπτει ένα σωματίδιο του πυρήνα χωρίς φορτίο, που ονομάστηκε νετρόνιο.

James Chadwick : Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1935

  • Την ίδια χρονιά ο Βόλφγκανγκ Πάουλι προσπαθώντας να ερμηνεύσει τα πειραματικά αποτελέσματα της β-διάσπασης του πυρήνα υποθέτει την ύπαρξη ενός πολύ μικρού σωματιδίου στο οποίο δόθηκε το όνομα νετρίνο.

  • Η ύπαρξή του επιβεβαιώθηκε το 1958. Τα νετρίνο είναι σωματίδια χωρίς φορτίο και έχουν μηδαμινή μάζα με αποτέλεσμα να διαπερνούν την ύλη ανεμπόδιστα!


  • Ο Αμερικανός φυσικός έτος 1909 Καρλ Ντέιβιντ Άντερσον ανακάλυψε ένα σωματίδιο ίδιας μάζας με το ηλεκτρόνιο, αλλά με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Το σωματίδιο αυτό ονομάστηκε ποζιτρόνιο (positive electron). Η ανακάλυψή του ανακοινώθηκε το 1932.

Carl David Anderson: Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1936


Η ανακάλυψη των κουάρκ… έτος 1909

  • Μεγάλη πρόοδος στη Σωματιδιακή Φυσική ήρθε στις αρχές της δεκαετίας του ’60 όταν με την ανάπτυξη της τεχνολογίας οι φυσικοί είχαν ήδη ανακαλύψει πολλά σωματίδια στην κοσμική ακτινοβολία και στους επιταχυντές.

  • Το έτος 1964 ο Αμερικανός φυσικός Μάρεϊ Γκελ-Μαν μελετώντας τις ιδιότητες των σωματιδίων αυτών έκανε μια σχηματική ταξινόμησή τους και έβγαλε το συμπέρασμα ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια πρέπει να αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια, που τα ονόμασε κουάρκ.

Πρότεινε 3 διαφορετικά κουάρκ, το πάνω (up) με φορτίο +2/3,

το κάτω (down) με φορτίο -1/3 και το παράδοξο (strange) με φορτίο +2/3.

Murray Gell-Mann:

Νόμπελ Φυσικής 1969



Με παρόμοιο έτος 1909 τρόπο, ο Ρώσος χημικός Μεντελέγιεφ το 1869 είχε κάνει μια ταξινόμηση των χημικών στοιχείων όταν παρατήρησε μια περιοδικότητα στις ιδιότητές τους και έφτιαξε τον Περιοδικό Πίνακα.

Η περιοδικότητα στις ιδιότητες των ατόμων και υποατομικών σωματιδίων και στις δύο περιπτώσεις, μας έδωσε στοιχεία για τη δομή τους…


Έγιναν πολλά πειράματα σε επιταχυντές (SLAC-Καλιφόρνια, Fermilab-Σικάγο, CERN-Ελβετία) στα οποία επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη των κουάρκ.

Ο γραμμικός επιταχυντής στο Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) των ΗΠΑ.

Είναι μήκους περίπου 3km και φτάνει σεενέργειες περίπου 50 GeV.

Fermilab


Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων ( επιταχυντές (LHC) στο CERN,ο μεγαλύτερος στον κόσμο, στα σύνορα Γαλλίας-Ελβετίας, έχει περιφέρεια 27km και βρίσκεται σε βάθος μεταξύ 50 και 175 μέτρων περίπου.


Το 1974 βρέθηκε επιταχυντές (το γοητευτικό (charm) και το 1977 το πυθμένιο (bottom).

Το έκτο και τελευταίο κουάρκ, το κορυφαίο (top), ανακαλύφθηκε 20 χρόνια αργότερα στο Fermilab.

Είναι ένας πραγματικός γίγαντας στον κόσμο των κουάρκ, περίπου 100000 φορές βαρύτερο από τα up και down!

Τα κουάρκ δεν παρατηρούνται ελεύθερα, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με πολύ ισχυρές δυνάμεις.


Η συνηθισμένη ύλη γύρω μας αποτελείται κυρίως από 4 στοιχειώδη σωματίδια:

Το πάνω κουάρκ, το κάτω κουάρκ, το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο του ηλεκτρονίου.


Τι είναι η αποτελείται κυρίως από 4 στοιχειώδη σωματίδια:αντιΰλη;

Κάθε σωματίδιο έχει και το αντισωματίδιό του, δηλαδή ένα σωματίδιο με ίδια μάζα, αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο.

  • Το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου είναι το ποζιτρόνιο και έχει θετικό φορτίο! Όλα αυτά τα αντισωματίδια αποτελούν την αντιύλη.

    Όταν ένα σωματίδιο συγκρουσθεί με το αντισωματίδιό του γίνεται εξαΰλωση, η ύλη μετατρέπεται σε ενέργεια!

    E=mc2

    Η ενέργεια ισοδυναμεί με τη μάζα και η μια μπορεί να μετατραπεί στην άλλη, όπως πρότεινε ο Αϊνστάιν το 1905.


Πρωτόνιο και αντιπρωτόνιο αποτελείται κυρίως από 4 στοιχειώδη σωματίδια:


Όταν συγκρούονται πρωτόνια με αντιπρωτόνια παράγονται ζεύγη από κορυφαία κουάρκ (top quarks)


Το αντιπρωτόνια παράγονται ζεύγη από κορυφαία κουάρκ (top quarks) Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) είναι μια θεωρία που περιγράφει τα συστατικά της ύλης και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις.

Τα στοιχειώδη σωματίδια χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες:

Α)Τα σωματίδια δομής (φερμιόνια):κουάρκ και λεπτόνια και

Β) Τα σωματίδια φορείς (μποζόνια): 8 γκλουόνια (ισχυρή αλληλεπίδραση), φωτόνιο (ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση), W+,W-,Z0(ασθενής αλληλεπίδραση) και βαρυτόνιο (βαρυτική αλληλεπίδραση). Οι δυνάμεις που εμφανίζονται στη Φύση οφείλονται σε ανταλλαγές των σωματιδίων αυτών.

Το βαρυτόνιο δεν έχει ακόμα παρατηρηθεί σε κανένα εργαστήριο, ίσως γιατί δεν έχουμε ακόμα την κατάλληλη τεχνολογία, τα κατάλληλα «μικροσκόπια»…


Ο «ανήσυχος» εσωτερικός κόσμος ενός πρωτονίου, γεμάτος από κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουόνια


Τα ενός πρωτονίου, γεμάτος από κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουόνιααδρόνια σχηματίζονται με συνδυασμούς κουάρκ:

Τα βαρυόνια σχηματίζονται με συνδυασμό 3 κουάρκ ενώ τα μεσόνια με συνδυασμό 1 κουάρκ με 1 αντικουάρκ.


Πώς δημιουργήθηκε το Σύμπαν; ενός πρωτονίου, γεμάτος από κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουόνια


Μια από τις πιο γνωστές θεωρίες για τη δημιουργία του Σύμπαντος είναι η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Bing Bang).

Σύμφωνα με αυτήν, το Σύμπαν δημιουργήθηκε πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου, από μια πολύ πυκνή και θερμή κατάσταση, που ονομάζεται quark-gluon plasma.


Στην κατάσταση αυτή τα κουάρκ ήταν ελεύθερα και μαζί με τα γκλουόνια και άλλα υποατομικά σωματίδια σχημάτιζαν μια καυτή «σούπα» πρωταρχικής ύλης.

Καθώς το Σύμπαν κρύωνε, τα κουάρκ ενώθηκαν και σχημάτισαν σωματίδια σαν τα πρωτόνια και νετρόνια.

Ένα από τα προβλήματα που απασχολούσε τους φυσικούς ήταν πώς τα σωματίδια αυτά απέκτησαν μάζα.


Τι είναι το μποζόνιο ήταν ελεύθερα και μαζί με τα γκλουόνια και άλλα υποατομικά σωματίδια σχημάτιζαν μια Higgs;


Ο θεωρητικός φυσικός και καθηγητής του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου Peter Higgs, το 1964 διατύπωσε τη θεωρία του, σύμφωνα με την οποία παντούστο Σύμπαν υπάρχει ένα πεδίο (πεδίο Higgs). Όπως ένα δοχείο με μέλι επιδρά σε μια σφαίρα που κινείται μέσα του και την επιβραδύνει, κατά ανάλογο τρόπο το πεδίο αυτό ασκεί δυνάμεις στα σωματίδια που κινούνται μέσα του, με αποτέλεσμα να αντιμετωπίζουν μια δυσκολία στην κίνησή τους αυτή, δηλαδή να αποκτούν μάζα.

Το σωματίδιο που σχετίζεται με αυτή την αλληλεπίδραση (μέσω της οποίας αποκτούν μάζα τα σωματίδια) είναι ένα σωματίδιο, το σωματίδιο Higgsή «σωματίδιο του Θεού», όπως συνηθίζεται να λέγεται.


Χρειάστηκε να περάσουν περίπου 50 χρόνια για να ανακαλυφθεί πειραματικά το σωματίδιο αυτό, όταν το Δεκέμβριο του 2011 στο CERN, δύο ανεξάρτητα πειράματα (CMSκαι ATLAS) στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων LHC (Large Hardon Collider) έδειξαν την ύπαρξη του σωματιδίου Higgs. Στις 4 Ιουλίου 2012 οι επιστήμονες του CERN επιβεβαίωσαν την ανακάλυψη του Higgsμε απόκλιση 5σ (99,99995%).


LHC χρόνια για να ανακαλυφθεί πειραματικά το σωματίδιο αυτό, όταν το


Σωματίδιο χρόνια για να ανακαλυφθεί πειραματικά το σωματίδιο αυτό, όταν το Higgs


Θερμιδόμετρο χρόνια για να ανακαλυφθεί πειραματικά το σωματίδιο αυτό, όταν το


CMS χρόνια για να ανακαλυφθεί πειραματικά το σωματίδιο αυτό, όταν το


ATLAS χρόνια για να ανακαλυφθεί πειραματικά το σωματίδιο αυτό, όταν το


Η τεχνολογία που σχετίζεται με το πείραμα αυτό, το «πείραμα του αιώνα», αναμένεται να έχει στο μέλλον χρήσεις και στην καθημερινή μας ζωή.Οι ανακαλύψεις της επιστήμης «σπρώχνουν» την τεχνολογία να αναπτυχθεί με πιο γρήγορους ρυθμούς.

Ας μην ξεχνάμε ότι τοWWWξεκίνησε στο CERNτον Μάρτιο του 1989 από την ανάγκη γρήγορης μετάδοσης της πληροφορίας σε όλον τον κόσμο.


Μεγαλύτερες απαιτήσεις στην ανταλλαγή των δεδομένων οδήγησαν στη δημιουργία του Grid, το οποίο περιλαμβάνει κατανεμημένα υπολογιστικά συστήματα ανωτέρου επιπέδου που μπορούν να βρίσκονται σε πολύ μεγάλη απόσταση μεταξύ τους.


Υπάρχουν όμως πολλά ερωτήματα ανταλλαγή των δεδομένων οδήγησαν στη δημιουργία του

στα οποία το Καθιερωμένο Πρότυπο

δεν μπορεί να απαντήσει…


Δεν μπορεί να ανταλλαγή των δεδομένων οδήγησαν στη δημιουργία του ενοποιήσει τις θεμελιώδεις δυνάμεις σε μία μόνο δύναμη, αφού δεν έχει βρεθεί ακόμα μια θεωρία για τη βαρυτική δύναμη παρόμοια με εκείνες των άλλων δυνάμεων. Αυτό ήταν και το όνειρο του Αϊνστάιν, προκειμένου να γίνει ο Κόσμος καλύτερα αντιληπτός.

Δεν μπορεί να εξηγήσει το μυστήριο της αντιΰλης. Ύλη και αντιΰλη υπήρξαν σε ίσες ποσότητες τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, αλλά μέχρι τώρα δεν έχει παρατηρηθεί στο Σύμπαν αντιΰλη.

Από τη συνολική μάζα του Σύμπαντος μόνο το 4% είναι ορατό. Το 21% είναι σκοτεινή ύλη, δηλαδή ύλη που δεν μπορούμε να δούμε και το υπόλοιπο 75% αποτελείται από

σκοτεινή ενέργεια, ένα είδος ενέργειας

που φαίνεται να σχετίζεται με μια δύναμη

που δρα αντίθετα από τη βαρύτητα,

προκαλώντας τη διαστολή του Σύμπαντος.


Για την ερμηνεία όλων αυτών, ανταλλαγή των δεδομένων οδήγησαν στη δημιουργία του

υπάρχουν διάφορες θεωρίες, όπως:

  • η Θεωρία των Χορδών, η οποία

  • θεωρεί ότι τα σωματίδια είναι

  • δονούμενες χορδές

  • η Θεωρία των Υπερχορδών,

  • μια πιο εξελιγμένη θεωρία

  • που προσπαθεί να περιγράψει

  • τις δυνάμεις και να τις ενοποιήσει

  • σε μία

  • η Υπερσυμμετρία η οποία, προσπαθώντας να ερμηνεύσει τη σκοτεινή ύλη, διπλασιάζει τα σωματίδια που έχουν ανακαλυφθεί και υποστηρίζει ότι κάθε σωματίδιο έχει και έναν εταίρο, το υπερσυμμετρικό του σωματίδιο.


Απαντήσεις σε όλα αυτά και νέες ανακαλύψεις περιμένουμε από τα πειράματα που γίνονται στον LHC,

εκεί όπου το ταξίδι στη διάσταση των στοιχειωδών σωματιδίων συνεχίζεται...


ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ανακαλύψεις περιμένουμε από τα πειράματα που γίνονται στον

Φυσική Halliday-Resnick

CERN LHC the guide

ΙΣΤΟΣΕΛΙΔΕΣ INTERNET

http://www.physics.ntua.gr/POPPHYS/0.htmlhttp://el.wikipedia.org/wikihttp://images.google.com/


ad