ὁ Κόσμος

Πώς είναι φτιαγμένος ο κόσμος μας;

Η ερώτηση αυτή έχει μεγάλη ιστορία. Αρχικά ανακαλύψαμε ότι ο κόσμος μας απαρτίζεται από 92 φυσικά στοιχεία.
Όλα τα αντικείμενα, ανεξάρτητα από τον σχηματισμό και τις ιδιότητές τους, κατασκευάζονται από αυτά τα χημικά στοιχεία.

Στην συνέχεια μάθαμε ότι αυτά τα στοιχεία είναι άτομα που έχουν πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια.
Τα πρωτόνια και τα νετρόνια δημιουργούν τον πυρήνα του ατόμου, ενώ τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα.

Αργότερα ανακαλύφθηκαν νέα σωματίδια, τα οποία αλληλεπιδρούσαν όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια μέσα στον πυρήνα, δηλαδή με την λεγόμενη ισχυρή πυρηνική δύναμη. Χρησιμοποιήσαμε το ελληνικό αλφάβητο, για να τα ονομάσουμε. 

Τα είπαμε Κ, Λ, Ξ, π, Σ, …

Κάποια έχουν φορτίο και κάποια άλλα όχι. Κάποια είναι ελαφρύτερα από τα πρωτόνια και κάποια βαρύτερα.
Για κάθε ένα σωματίδιο υπάρχει και το αντισωματίδιό του.

Τα σωματίδια που ήταν βαρύτερα από το πρωτόνιο τα ονομάσαμε Βαρυόνια (Baryons) από την ελληνική λέξη βαρύς.
Όσα ήταν πολύ ελαφρά και συμπεριφέρονταν σαν να μην έχουν καθόλου μέγεθος, όπως τα ηλεκτρόνια, σε αντιδιαστολή με τα βαρυόνια, τα είπαμε  Λεπτόνια (Leptons).
Τέλος, αυτά που είχαν ενδιάμεσες τιμές μάζας, ανάμεσα στα λεπτόνια και τα βαρυόνια, τα ονομάσαμε Μεσόνια (mesons). 

Το πρωτόνιο και το νετρόνιο είναι βαρυόνια.

Τα βαρυόνια και τα μεσόνια αλληλεπιδρούν με την ισχυρή πυρηνική δύναμη, ενώ τα λεπτόνια όχι. Ο φυσικός L. Okun χρησιμοποίησε την ελληνική λέξη ἁδρός, που σημαίνει  “ευτραφής”, “μεγαλοπρεπής”, “ισχυρός” και ονόμασε τα βαρυόνια και τα μεσόνια Αδρόνια (Hadrons).

Τα αδρόνια δεν “ζουν” για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά γρήγορα διασπώνται. 
Ανάμεσα στα τελικά προϊόντα της διάσπασης ενός βαρυονίου βρίσκουμε πάντοτε το πρωτόνιο. 
Τα μεσόνια διασπώνται κυρίως σε φωτόνια και λεπτόνια.

Η κατάταξη των σωματιδίων με βάση τις ιδιότητές τους υποδείκνυε την παρουσία κάποιας συμμετρίας. Στα τέλη της δεκαετίας του 1960 αρχίσαμε να βομβαρδίζουμε τα πρωτόνια με ηλεκτρόνια μεγάλης ενέργειας και παρατηρήσαμε ότι τα ηλεκτρόνια σκεδάζονται σε μεγάλες γωνίες, ενώ τα πρωτόνια θρυμματίζονται και σχηματίζουν ένα “συντριβάνι” αδρονίων.  Η ανάλυση των πειραμάτων αυτών έδειξε ότι τα πρωτόνια (και όλα τα αδρόνια) περιέχουν θεμελιώδη σωματίδια  που τα ονομάσαμε κουάρκ (quark).

Η έννοια των κουάρκ προτάθηκε αρχικά από τον Murray Gell-Mann, αλλά και από τον George Zweig το 1963.
Αλλά, γιατί τα ονόμασαν κουάρκ; Λέγεται ότι στον Gell-Mann άρεσε ο ήχος της λέξης που βρήκε στο έργο Finnegans Wake του J. Joyce : 

“ Three quarks for Muster Mark”.

Υπάρχουν έξι τύποι ή γεύσεις (flavors) κουάρκ.

Τα τρία : το u  ή up (“πάνω”) , το c ή charm (“χαριτωμένο”), το t ή top (“κορυφή”), έχουν  ηλεκτρικό φορτίο +2e/3.
Τα υπόλοιπα τρία : το d ή down (“κάτω”),  το s ή strange (“παράδοξο”) και το b ή bottom (“πυθμένας”), έχουν ηλεκτρικό φορτίο – e/3.

Το e  δηλώνει την τιμή του φορτίου του πρωτονίου, e = + 1,6 x 10^{– 19} C. Επομένως το φορτίο του u κουάρκ είναι : 2e/3 = 1,07x 10^{– 19} C.

Σε κάθε κουάρκ αντιστοιχεί  ένα αντι-κουάρκ, που έχει την ίδια μάζα, αλλά αντίθετο φορτίο.

Τα κλασματικά φορτία των κουάρκ δεν αλλάζουν όσα έχουμε μάθει στο σχολείο για τα φορτία των σωματιδίων.
Επειδή τα κουάρκ δεν παρατηρούνται ποτέ ελεύθερα στην φύση, αλλά πάντα σε κατάλληλους συνδυασμούς, μπορούμε να λέμε :

Δεν παρατηρούνται ελεύθερα σωματίδια στην φύση με φορτίο μη ακέραιο πολλαπλάσιο του φορτίου του ηλεκτρονίου (ή του πρωτονίου).

Το φορτίο του πρωτονίου   p⁺ (uud)   είναι :   (+2e/3) + (+2e/3) + (-e/3) = 1e

Το φορτίο του αρνητικού πιονίου  π^– (dū)  είναι :  (-e/3) + (-2e/3) = -1e

✏️   Πόσο είναι το φορτίο του νετρονίου  n(udd);

Τα u και d κουάρκ έχουν μικρή μάζα, το s κουάρκ έχει μάζα λίγο μεγαλύτερη από  100MeV/c² (περίπου 1,8 x 10^-28 kg), ενώ το c κουάρκ είναι πάνω από 10 φορές βαρύτερο. Το b κουάρκ είναι 5 φορές βαρύτερο από το άτομο του υδρογόνου, ενώ το t κουάρκ είναι σχεδόν τόσο βαρύ όσο το άτομο του χρυσού.

Οι έξι τύποι των κουάρκ κατανέμονται σε τρεις ομάδες που ονομάζονται γενιές (generations) :

Ένα κουάρκ δεν μπορεί να βρεθεί μόνο του, αλλά βρίσκεται πάντα “αιχμάλωτο” μέσα στα αδρόνια.
Αυτό οφείλεται στον τρόπο που αλληλεπιδρούν τα κουάρκ μεταξύ τους.

Κάθε βαρυόνιο αποτελείται από τρία κουάρκ και κάθε μεσόνιο από ένα κουάρκ και ένα αντι-κουάρκ. 
Για παράδειγμα, το βαρυόνιο πρωτόνιο αποτελείται από δύο u κουάρκ και ένα d κουάρκ  (uud),
ενώ το μεσόνιο π–  αποτελείται από ένα d κουάρκ και ένα ū αντι-κουάρκ (dū).

Παράλληλα με την ανακάλυψη των κουάρκ ανακαλύφθηκαν και νέα λεπτόνια. Συνολικά υπάρχουν και τρεις γενιές λεπτονίων : το ηλεκτρόνιο ( e^– ) και το νετρίνο του ηλεκτρονίου ( ν_e ), το μιόνιο  ( μ^– ) και το νετρίνο του μιονίου  ( ν_μ ) και τέλος το τ λεπτόνιο ( τ^– )  και το αντίστοιχο νετρίνο ( ν_τ  ).
Τα νετρίνα έχουν αμελητέα μάζα και δεν έχουν φορτίο.

Σε κάθε φορτισμένο λεπτόνιο αντιστοιχεί και ένα αντι-λεπτόνιο, που έχει την ίδια μάζα, αλλά αντίθετο φορτίο. Τα αντινετρίνα δεν ταυτίζονται με τα νετρίνα.

Για να χτίσουμε την ύλη όλου του κόσμου γύρω μας, χρειαζόμαστε τα δομικά υλικά μόνο της πρώτης γενιάς των σωματιδίων, δηλαδή το u και το d κουάρκ, το ηλεκτρόνιο και το αντίστοιχο νετρίνο. 

Τα σωματίδια των άλλων γενεών διασπώνται σχεδόν αμέσως και βρίσκονται μόνο στο εσωτερικό των άστρων ή στις ακραίες συνθήκες των πειραμάτων φυσικής. Μόνο στις αρχικές στιγμές της δημιουργίας του σύμπαντος ήταν παρόντα τα σωματίδια όλων των γενεών.

Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που κυβερνούν το σύμπαν.
Είναι η ηλεκτρομαγνητική, η ισχυρή πυρηνική, η ασθενής πυρηνική και η βαρύτητα.
Η βαρύτητα στο επίπεδο των κουάρκ και των λεπτονίων είναι τόσο ασθενική, που θεωρείται αμελητέα.
Η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής πυρηνική δύναμη εξετάζονται χωριστά, αλλά στην πραγματικότητα είναι δύο όψεις της ίδιας δύναμης που ονομάζεται ηλεκτρασθενής.

Τα κουάρκ και τα λεπτόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με αυτές τις τέσσερις δυνάμεις ανταλλάσσοντας σωματίδια,
που είναι οι φορείς ή μεσολαβητές των δυνάμεων. 

Ένα απλό μοντέλο του ρόλου των σωματιδίων μεσολαβητών εμφανίζεται κατά την ανταλλαγή μιας μπάλας μεταξύ δύο παγοδρόμων που κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Λόγω της διατήρησης της ορμής, η τροχιά του παγοδρόμου που πέταξε την μπάλα αλλάζει. Για τον ίδιο λόγο αλλάζει και η τροχιά εκείνου που έπιασε την μπάλα. Ανάμεσα στους δύο παγοδρόμους φαίνεται ότι εμφανίστηκε μια δύναμη.

Αν παρατηρούσαμε τους παγοδρόμους από πολύ ψηλά, θα βλέπαμε την αλλαγή της πορείας τους, δηλαδή την αλληλεπίδρασή τους, αλλά δεν θα βλέπαμε την μπάλα. Αυτό ακριβώς συμβαίνει γύρω μας. Βλέπουμε τις αλληλεπιδράσεις, αλλά όχι τους μεσολαβητές που τις προκαλούν.
Αν η μπάλα είναι πολύ βαριά, δύσκολα μπορεί να την πετάξει ο ένας στον άλλον από μεγάλη απόσταση.
Αντίθετα, πρέπει ο ένας να πλησιάσει αρκετά τον άλλον και στη συνέχεια να γίνει η ανταλλαγή.
Επομένως, ένας βαρύς μεσολαβητής αντιστοιχεί σε δύναμη μικρής εμβέλειας.

Τα σωματίδια μεσολαβητές που ανταλλάσσονται μεταφέρουν ενέργεια, ορμή και φορτίο μεταξύ των κουάρκ και των λεπτονίων.

Τέλος, η στρατιά των σωματιδίων ολοκληρώνεται με το σωματίδιο Higgs, που είναι υπεύθυνο για την μάζα τους.

Σήμερα, αιώνες αφότου ξεκίνησε η έρευνα για την ανακάλυψη των θεμελιωδών συστατικών, από τα οποία δημιουργείται η πολυπλοκότητα και η ομορφιά του κόσμου μας, έχουμε καταλήξει σε μια απλή σχετικά απάντηση : τα κουάρκ, τα λεπτόνια, οι φορείς των δυνάμεων και το σωματίδιο Higgs.

Αυτή η εκλεπτυσμένη θεωρία περί φύσεως, που αποδείχθηκε πειραματικά, ονομάζεται Καθιερωμένο Μοντέλο (Standard Model).

Ο χαρακτηρισμός “καθιερωμένο” μας υπενθυμίζει την ευρεία αποδοχή που έχει.
Ο χαρακτηρισμός ως “μοντέλο” απηχεί το γεγονός ότι σίγουρα είναι ανολοκλήρωτη ως μια τελική θεωρία.