International Physics Masterclasses

Το Καθιερωμένο Πρότυπο

Η Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων μελετά τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης και τις αλληλεπιδράσεις τους. Η τρέχουσα θεωρία που συνοψίζει κομψά τη γνώση μας γι' αυτό το πεδίο είναι το Καθιερωμένο Πρότυπο το οποίο περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα θεμελιώδη σωματίδια και τα αντισωματίδιά τους. Τα θεμελιώδη σωματίδια της ύλης ομαδοποιούνται σε 3 οικογένειες, ή γενιές, κουάρκ και λεπτονίων όπως δείχνει το παρακάτω σχήμα.

Η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής και η ισχυρή δύναμη διαδίδονται μέσω ανταλλαγής σωματιδίων που καλούνται μποζόνια, η ύπαρξη των οποίων απαιτείται από θεμελιώδεις συμμετρίες σχετιζόμενες με νόμους διατήρησης. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, με άπειρη ακτίνας δράσης, διαδίδεται μέσω του φωτονίου, που είναι άμαζο, και ο αντίστοιχος νόμος είναι η διατήρηση του ηλεκτρικού φορτίου. Η ισχυρή δύναμη μεταξύ των κουάρκ, με μικρή ακτίνα δράσης, διαδίδεται μέσω των "έγχρωμων" γκλουονίων (που είναι άμαζα) και ο αντίστοιχος νόμος είναι η διατήρηση του "χρωματικού" φορτίου.

Σε υψηλές ενέργειες, η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής δύναμη περιγράφονται από μια γενικευμένη ηλεκτρασθενή δύναμη. Τα σωματίδια W και Z, τα οποία διαδίδουν την ασθενή δύναμη, έχουν μάζα, πράγμα συμβατό με τη μικρή ακτίνα δράσης της ασθενούς δύναμης. Το "ασθενές" φορτίο δεν είναι αντιληπτό και, αντίθετα από το ηλεκτρικό φορτίο, δεν διατηρείται.

Το γεγονός ότι οι μάζες των σωματιδίων είναι πάρα πολύ μικρές, κάνει την βαρύτητα αμελητέα σε σύγκριση με τις άλλες τρεις δυνάμεις.

Τα λεπτόνια είναι ελεύθερα σωματίδια. Μπορεί να είναι φορτισμένα (e-, μ-, τ-), οπότε αντιλαμβάνονται τις ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς δυνάμεις, ή ουδέτερα (νετρίνο: νe, νμ, ντ), οπότε αντιλαμβάνονται μόνο τις ασθενείς δυνάμεις. Τα κουάρκ αντιλαμβάνονται και τις τρεις δυνάμεις. Δεν συναντώνται ελεύθερα στη φύση. Παρατηρούνται μόνο σύνθετες καταστάσεις που αποτελούνται από κουάρκ και καλούνται αδρόνια. Τα πιο συνηθισμένα αδρόνια είναι το πρωτόνιο και το νετρόνιο.

Αν, στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Προτύπου, θεωρήσουμε τα σωματίδια ότι έχουν μάζα, η ηλεκτρασθενής συμμετρία παραβιάζεται και η θεωρία μας αρχίζει και παρουσιάζει σοβαρά προβλήματα προβλεψιμότητας και αυτοσυνέπειας. Για να αποφευχθεί αυτό, χρησιμοποιείται ο "μηχανισμός Higgs" που παραβιάζει αυθόρμητα τη συμμετρία, θεωρώντας ότι το κενό είναι γεμάτο από ένα νέο πεδίο το οποίο φέρει μόνο ασθενές φορτίο. Τα σωματίδια που φέρουν ασθενές φορτίο (W, Z, κουάρκ και λεπτόνια, το σωματίδιο Higgs, H ,το συσχετιζόμενο με το πεδίο Higgs) επιβραδύνονται αλληλεπιδρώντας με το πεδίο Higgs, και "αποκτούν" μάζα. Η μάζα του ίδιου του σωματιδίου Higgs, mH, δεν προβλέπεται από τον μηχανισμό Higgs.

Η ανακάλυψη του πολύ αναμενόμενου σωματιδίου Higgs ανακοινώθηκε από τα πειράματα ATLAS και CMS τον Ιούλιο του 2012. Η μάζα του είναι περίπου 125 GeV.

Ενώ οι επιστήμονες στο CERN συνεχίζουν την μελέτη του Higgs για να εξακριβώσουν κατά πόσο οι ιδιότητές του είναι αυτές που προβλέπει ο μηχανισμός Higgs, εσύ θα έχεις την ευκαιρία, μέσω των Ζ-διαδρομών, να ψάξεις και να βρεις το Higgs όπως ακριβώς έκαναν οι επιστήμονες πριν δύο χρόνια.