Προχωρημένα μαθήματα φυσικής σωματιδίων

1. LHC International
Masterclasses
Έλα μαζί μας σ' ένα ταξίδι στα απειροελάχιστα συστατικά της
ύλης! Μάθε τι ακριβώς γίνεται 100 μέτρα κάτω από την
επιφάνεια της γης, στο CERN, τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό για
την Πυρηνική Έρευνα. Τα τέσσερα πειράματα, ALICE, ATLAS,
CMS και LHCb, τοποθετημένα στην 27 χιλιομέτρων
περιφέρεια του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (Large
Hadron Collider, LHC), ήδη λειτουργούν.
Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 1

2. W-Διαδρομές
Ας ξεκινήσουμε με το πώς ανιχνεύουμε τα στοιχειώδη
σωματίδια. Αργότερα, θα μπορέσεις να δουλέψεις πάνω
σε πραγματικά γεγονότα του ATLAS από το Μεγάλο
Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC) στο
CERN. θα πρέπει να είσαι, κατά κάποιον τρόπο, σαν
ντετέκτιβ, γιατί σε μια σύγκρουση πρωτονίου-πρωτονίου -
αυτό που "γεγονός" - δημιουργούνται πολλά σωματίδια.
Η βασική εργασία είναι να αναζητήσεις συγκεκριμένα
σωματίδια ανάμεσα σε αυτά και να τα ενσωματώσεις σε
συγκεκριμένες διαδικασίες. Έτσι θα κατανοήσεις
καλύτερα τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι φυσικοί.
Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 2

3. Σκοπός και Εργασίες
Στα επόμενα κεφάλαια θα μάθεις πώς θα
αναγνωρίζεις και θα ξεχωρίζεις τα διάφορα
στοιχειώδη σωματίδια. Θα χρειαστείς αυτή τη
γνώση για τις μετρήσεις που ακολουθούν. Από τη
μια θα αναγνωρίζεις την εσωτερική δομή του
πρωτονίου και από την άλλη θα ψάχνεις για νέα
σωματίδια, όπως αυτό που οι πρώτες ενδείξεις
παρατήρησής του ανακοινώθηκαν από τα
πειράματα ATLAS και CMS στον επιταχυντή LHC -
το σωματίδιο Higgs.
Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 3

4. Ταυτοποιώντας Σωματίδια
Εδώ μπορείς να επαναλάβεις τον τρόπο κατασκευής του
ανιχνευτή. Θα μάθεις πώς μπορούν να ταυτοποιηθούν τα
σωματίδια και πώς μπορείς να τα αναγνωρίσεις με το πρόγραμμα.
Σε μια τελική άσκηση θα μπορέσεις να ελέγξεις τη γνώση που
μόλις θα έχεις αποκτήσει.
Καιρός για δυναμικό παιγνίδι! Ανακάλυψε τα σήματα που
αφήνουν τα σωματίδια στον ανιχνευτή με την βοήθεια
διαδραστικών απεικονίσεων του ATLAS. Επέλεξε το όνομα του
συγκεκριμένου σωματιδίου στο επάνω μενού και ακολούθησε τη
διαδρομή του μέσα στον ανιχνευτή. Θυμήσου ότι η διακεκομμένη
γραμμή αντιστοιχεί στην τροχιά ενός ουδέτερου σωματιδίου το
οποίο δεν αναγνωρίζεται από τον ανιχνευτή έως ότου, και αν,
προκαλέσει καταιγισμό στο θερμιδόμετρο.
Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 4

5. Δομή και Λειτουργία του Ανιχνευτή ATLAS
Ο ανιχνευτής ATLAS (αρκτικόλεκτο του A Toroidal LHC
ApparatuS, δηλαδή μια δακτυλιοειδής συσκευή του LHC)
ανιχνεύει τα προϊόντα της σύγκρουσης των πρωτονίων. Στο
κέντρο του ATLAS, συγκρούονται δύο δεσμίδες πρωτονίων (με
100 δισεκατομμύρια πρωτόνια η κάθε μια), οι οποίες έχουν ήδη
επιταχυνθεί με αντίθετες κατευθύνσεις μέσα στον επιταχυντή
LHC. Κατά τη σύγκρουση τα πρωτόνια μιας δεσμίδας μπορεί να
αλληλεπιδράσουν ασθενώς με αυτά της άλλης δεσμίδας (οπότε
απλά αλλάζουν πορεία), αλλά μπορεί επίσης να
αλληλεπιδράσουν ισχυρά, να "σπάσουν" (δηλαδή να μην
αναγνωρίζονται πλέον ως πρωτόνια). Στη δεύτερη περίπτωση
δημιουργούνται νέα σωματίδια. Από την πληροφορία των νέων
σωματιδίων, οι φυσικοί μπορούν να περιγράψουν τα φυσικά
φαινόμενα που συνέβησαν κατά τη σύγκρουση. Φυσικά, η
πληροφορία αυτή είναι αξιοποιήσιμη όταν γίνει κατανοητή η
λειτουργία του ανιχνευτή. Οπότε, ας εστιάσουμε τώρα στο θέμα
αυτό. Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 5

6. Το Λογισμικό Παρουσίασης Γεγονότων
MINERVA
Τα ηλεκτρονικά σήματα που δημιουργούνται
και αποθηκεύονται από τους ανιχνευτές κατά
τη σύγκρουση χρησιμοποιούνται για την
ανακατασκευή και παρουσίαση του
γεγονότος. Η παρουσίαση γίνεται με το
πρόγραμμα MINERVA. Πριν αρχίσεις να
δουλεύεις με το πρόγραμμα αυτό, θα πρέπει
να μάθεις τις δυνατότητες και τις λειτουργίες
του για την ανάλυση των γεγονότων.
Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 6

7. Το ηλεκτρόνιο είναι ένα από τα θεμελιώδη υποατομικά
σωματίδια της ύλης, το οποίο φέρει αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο.
Είναι λεπτόνιο με σπιν 1/2 και μάζα 1,836 × 103
φορές μικρότερη
από το πρωτόνιο.
Τα ηλεκτρόνια μαζί με τους ατομικούς πυρήνες σχηματίζουν τα
άτομα. Τα ηλεκτρόνια μπορεί να θεωρηθεί πως περιστρέφονται
ταχύτατα γύρω από τον πυρήνα των ατόμων σε συγκεκριμένες,
ομοεστιακές και μη συμπίπτουσες ενεργειακές τροχιές, τις
στιβάδες, όπως περίπου οι πλανήτες σε ένα ηλιακό σύστημα. Ο
εκάστοτε αριθμός και η διάταξη των ηλεκτρονίων στις ατομικές
ενεργειακές στιβάδες καθορίζουν τις χημικές ιδιότητες των
στοιχείων, ενώ η παγίδευσή τους σε τροχιές γύρω από πυρήνες
και γειτονικών ατόμων, σε επιτρεπόμενες στιβάδες, δημιουργεί
τους χημικούς δεσμούς.
Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 7

8. Το πρωτόνιο είναι ένα από τα υποατομικά σωματίδια,
που θεωρούνταν παλιότερα-μέχρι την δεκαετία του '70-
στοιχειώδες σωμάτιο, αλλά αργότερα βρέθηκε ότι έχει
εσωτερική δομή. Ως νουκλεόνιο, είναι ένας από τούς
βασικούς δομικούς λίθους των πυρήνων των ατόμων και
μαζί με τα νετρόνια είναι η κύρια μάζα του ατόμου
(συμβατικά θεωρούμε ότι τα νουκλεόνια αποτελούν το
σύνολο της μάζας του ατόμου). Επίσης κατατάσσεται
στην κατηγορία των αδρονίων και συγκεκριμένα
στα βαρυόνια με βαρυονικό αριθμό ένα, ενώ με βάση το
σπιν του (που είναι 1/2) και της στατιστικής που το
περιγράφει, κατατάσσεται και στα φερμιόνια. Έχει βρεθεί
ότι είναι σύνθετο σωμάτιο.
Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 8

9. Το νετρίνο είναι ένα αφόρτιστο και πολύ ελαφρύ σωματίδιο, του
οποίου η ύπαρξη προτάθηκε από τον αυστριακό φυσικό Βόλφγκανγκ
Πάουλι, ώστε να ισχύει η αρχή διατήρησης της ορμής και
της ενέργειας στην ραδιενεργή εκπομπή ηλεκτρονίων από τον
ατομικό πυρήνα, τη λεγόμενη β διάσπαση. Τα νετρίνα
παρατηρήθηκαν δεκαετίες μετά την πρόταση του Πάουλι. Πρόκειται
για σωματίδια που αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη, συνεπώς
είναι πολύ δύσκολο να παρατηρηθούν. Για το λόγο αυτό
χρησιμοποιούνται ειδικές πειραματικές διατάξεις, γνωστές ως
"τηλεσκόπια νετρίνων", τοποθετημένες βαθιά μέσα σε
εγκαταλειμμένα ορυχεία ή στον πυθμένα της θάλασσας, προκειμένου
να μην επηρεάζονται από την κοσμική ακτινοβολία· καθώς τα νετρίνα
δύσκολα εντοπίζονται, απαιτείται μια τέτοιου είδους "μόνωση" από
άλλες αλληλεπιδράσεις, αλλά και το μεγάλο μέγεθος της
πειραματικής διάταξης.
Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 9

10. Το φωτόνιο είναι το κβάντο στην κβαντομηχανική και στη φυσική των στοιχειωδών
σωματιδίων όταν αυτό αναφέρεται στο φως και γενικότερα στην ηλεκτρομαγνητική
ακτινοβολία (ενέργεια), ως φορέας των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων.
Είναι μποζόνιο με σπιν 1, μάζα ηρεμίας και φορτίο 0.
Η πρώτη θεωρητική πρόβλεψη για την ύπαρξή του έγινε από τον Πλανκ στις 14
Δεκεμβρίου το 1900 όταν διατύπωσε την υπόθεση ότι η φωτεινή ενέργεια που
ακτινοβολείται από ένα θερμαινόμενο σώμα (ακτινοβολία μέλανος σώματος) δεν
εκπέμπεται κατά συνεχή ροή αλλά σε μορφή αυτοτελών ποσοτήτων (ε) που είναι
ανάλογες προς τη συχνότητα (ν) του εκπεμπόμενου φωτός. Έτσι με τη θεωρητική
αυτή ερμηνεία κατάφερε να συμφωνήσει με τα πειραματικά δεδομένα στο υπεριώδες.
Η θεωρία όμως αυτή δεν απέκτησε κάποια επεξηγηματική σημασία παρά μόνο πέντε
χρόνια μετά όταν το 1905 ο Αϊνστάιν, επανεξετάζοντας την "υπόθεση Πλανκ" και
επεκτείνοντας αυτή και στη διαδικασία της απορρόφησης, ερμηνεύοντας έτσι και
το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, πρότεινε την ύπαρξη "κβάντων φωτός", δηλαδή
φωτονίων.
Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 10

11. Το ποζιτρόνιο (ονομάζεται επίσης
αντιηλεκτρόνιο) είναι
το αντισωμάτιο του ηλεκτρονίου.
Έχει ηλεκτρικό φορτίο ίσο με
+1, ιδιοστροφορμή 1/2, και την ίδια μάζα με το
ηλεκτρόνιο. Όταν ένα ποζιτρόνιο εξαϋλώνεται
μ' ένα ηλεκτρόνιο, η μάζα τους μετατρέπεται
σ' ενέργεια, υπό τη μορφή δυο φωτονίων με
πολύ υψηλή ενέργεια (στην περιοχή
των ακτίνων γ). Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 11

12. Το αντιπρωτόνιο είναι
δομικό σωματίδιο της αντιύλης (αντισωμα
τίδιο) το οποίο έχει την ίδια μάζα με
το πρωτόνιο αλλά αντίθετο (-1) φορτίο.
Τα αντιπρωτόνια είναι σταθερά
σωματίδια, αλλά στο περιβάλλον της
ύλης συνήθως έχουν μικρή διάρκεια ζωής
γιατί σε επαφή
με πρωτόνια εξαϋλώνονται (ένα
αντιπρωτόνιο με ένα πρωτόνιο) και η
μάζα τους μετατρέπεται σε ενέργεια.Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 12

13. Το μιόνιο (ετυομολογείται από το ελληνικό γράμμα μι (μ) που
χρησιμοποιείται για να το αντιπροσωπεύσει – αγγλική
ονομασία muon) είναι στοιχειώδες σωματίδιο παρόμοιο με
το ηλεκτρόνιο, με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο
και ιδιοστροφορμή (spin) 1⁄2. Μαζί με το ηλεκτρόνιο, το ταυ
λεπτόνιο, και τα τρία νετρίνα, είναι ταξινομημένο ως λεπτόνιο.
Είναι ένα ασταθές υποατομικό σωματίδιο και έχει τη δεύτερη πιο
μακροχρόνια μέση διάρκεια ζωής (2.2 µs), μετά από
το νετρόνιο (~15 λ.). Όπως όλα τα στοιχειώδη σωματίδια, το
μιόνιο έχει ένα αντίστοιχο αντισωμάτιο αντίθετου φορτίου αλλά
ίσης μάζας και spin: το αντιμιόνιο (επίσης αποκαλούμενο θετικό
μιόνιο). Τα μιόνια συμβολίζονται με μ−
και τα αντιμιόνια με μ+
. Τα
μιόνια αναφέρονταν μερικές φορές ως μι-μεσόνια στο παρελθόν,
παρόλο που δεν κατατάσσονται ως μεσόνια από τους
σύγχρονους φυσικούς που ασχολούνται με τα στοιχειώδη
σωματίδια. Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 13

14. Στη φυσική, το νετρόνιο είναι ένα
υποατομικό σωματίδιο χωρίς ηλεκτρικό
φορτίο (ουδετερόνιο) που μαζί με το πρωτόνιο συνιστούν
τους πυρήνες των ατόμων. Ανακαλύφθηκε το 1935 από
τον Τζέιμς Τσάντγουικ που έκανε πειράματα πάνω σε
αποτελέσματα του Βάλτερ Μπότε. Έχει μάζα 939.565
MeV/c2
(1,6749x10−27
kg, λίγο μεγαλύτερη από αυτή
του πρωτονίου-το οποίο έχει μάζα ίση με περίπου
1.673x10−27
kg). Το σπιν του είναι ίσο με ½ και για το
λόγο αυτό κατατάσσεται στα φερμιόνια, δηλαδή στα
σωματίδια της ύλης. Το αντισωματίδιο του
ονομάζεται αντινετρόνιο. Το νετρόνιο και το πρωτόνιο
είναι δύο διαφορετικές εκφάνσεις ενός νουκλεονίου.
Τσίνας Παναγιώτης - Φυσικός 14