Ένα μεγάλο ταξίδι στον μικρόκοσμο

Οποιοδήποτε αντικείμενο με το οποίο ερχόμαστε σε επαφή, από το νερό που πίνουμε μέχρι τον αέρα που αναπνέουμε αλλά και εμάς τους ίδιους, αποτελείται από άτομα. Τι είναι όμως τα άτομα; Κάποιες δομές ύλης είναι αρκετά απλές, όπως μια ράβδος σιδήρου, η οποία αποτελείται εξολοκλήρου από άτομα σιδήρου. Υπάρχουν δομές ύλης τις οποίες αποκαλούμε μόρια και δημιουργούνται από συνδυασμό διαφορετικών ή ίδιων ειδών ατόμων, όπως το νερό που αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα οξυγόνου. Ακόμα πιο σύνθετες δομές ατόμων φτιάχνουν τα ευκαρυωτικά κύτταρα, τα οποία με τη σειρά τους σχηματίζουν πολυκύτταρες δομές όπως είναι για παράδειγμα ο άνθρωπος. 

Ας αναλύσουμε, όμως, λίγο περισσότερο τα άτομα. Τι είναι αυτό που ξεχωρίζει ένα άτομο υδρογόνου, την απλούστερη δομή του ατόμου, από τον σίδηρο, το οξυγόνο, το ουράνιο κλπ.; Αρχικά, όλα τα διαφορετικά είδη ατόμων τα ονομάζουμε χημικά στοιχεία, τα οποία έχουμε οργανώσει στον γνωστό σε όλους μας Περιοδικό Πίνακα. Το όνομα και η δομή του δεν έχουν επιλεγεί τυχαία καθώς παρατηρήθηκε ότι οι ιδιότητες ορισμένων ατόμων μοιάζουν μεταξύ τους, παρουσιάζοντας, έτσι μια περιοδικότητα.

Γύρω στο 1900, οι φυσικοί άρχισαν να καταλαβαίνουν γιατί επαναλαμβάνονται οι ιδιότητες των στοιχείων. Αυτό που ανακάλυψαν ήταν ότι όλα τα στοιχεία αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια, τα υποατομικά σωματίδια. Κάθε άτομο έχει έναν πυρήνα, που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια, γύρω από τον οποίο βρίσκονται σε τροχιά ηλεκτρόνια. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές τροχιές που καταλαμβάνουν τα ηλεκτρόνια με βάση την ενέργεια που έχουν, οι οποίες αποκαλούνται στοιβάδες. Η περιοδικότητα λοιπόν οφείλεται στον τρόπο που τοποθετούνται τα ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα του ατόμου. Όσο αυξάνεται ο ατομικός αριθμός, ο αριθμός δηλαδή των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων του ατόμου, τα στοιχεία αρχίζουν και γίνονται πιο βαριά αλλά οι χημικές ιδιότητές τους επαναλαμβάνονται.  

Την ίδια περίοδο, άλλοι φυσικοί επικεντρώθηκαν στη μελέτη του ηλεκτρισμού, του μαγνητισμού και του φωτός, που εκ πρώτης όψεως φάνηκαν να μην έχουν σχέση με υποατομικά σωματίδια, αλλά τελικά οδήγησαν στην προέκταση των γνώσεων μας για τον υποατομικό κόσμο. Ξεκινώντας από τον Αϊνστάιν, διαπιστώθηκε ότι η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση μεταφέρεται μέσω ενός άλλου υποατομικού σωματιδίου, που ονομάστηκε φωτόνιο.  Κατά τη δεκαετία του 1930, καθώς οι επιστήμονες επιχείρησαν να κατανοήσουν τη φυσική πίσω από τη ραδιενέργεια, ανακάλυψαν σωματίδια που δεν είχαν προβλεφθεί. Τα επόμενα σαράντα χρόνια, οι θεωρητικοί φυσικοί μελέτησαν τον υποατομικό κόσμο και οι πειραματικοί κατασκεύασαν μηχανές για να συγκρουστούν πρωτόνια και ηλεκτρόνια, προσπαθώντας να κατανοήσουν τη φύση τους. 

Τελικά, τη δεκαετία του 1970, οι φυσικοί είχαν μια θεωρία που πίστευαν ότι ήταν αξιόπιστη. Αυτή η θεωρία, που ονομάστηκε Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model), ταξινομούσε όλα τα υποατομικά σωματίδια που είχαν ανακαλυφθεί και παρείχε εξισώσεις που μπορούσαν να προβλέψουν τα αποτελέσματα μελλοντικών πειραμάτων.  Στο Καθιερωμένο Πρότυπο, υπάρχουν δύο νέες δυνάμεις πέραν της βαρυτικής και της ηλεκτρομαγνητικής: η ασθενής και η ισχυρή πυρηνική δύναμη. Όπως τα φωτόνια είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, κάθε μία από αυτές τις νέες δυνάμεις διαθέτει ένα σωματίδιο-φορέα. Τα σωματίδια που είναι οι φορείς των δύο νέων αλληλεπιδράσεων ονομάστηκαν μποζόνια. Η ασθενής δύναμη διαθέτει μποζόνια που ονομάζονται W και Z, ενώ της ισχυρής ονομάζονται γλουόνια. Ένας τελικός τύπος μποζονίου, που ονομάζεται το μποζόνιο του Higgs, προσθέτει την τελευταία πινελιά στην εικόνα που είχαν οι επιστήμονες για τον υποατομικό κόσμο.

Επιπλέον, το Καθιερωμένο Πρότυπο περιλαμβάνει νέους τύπους στοιχειωδών σωματιδίων. Διαπιστώθηκε ότι τα πρωτόνια και τα νετρονια του πυρήνα δεν είναι αδιαίρετες δομικές μονάδες της ύλης, αλλά αποτελούνται από ακόμα μικρότερα σωματίδια, τα κουάρκς. Ένα πρωτόνιο περιέχει ένα κουάρκ down και δύο κουάρκ up, ενώ ένα νετρόνιο περιέχει δύο κουάρκ down και ένα κουάρκ up. Σε αντίθεση με τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα ηλεκτρόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια και ανήκουν στην ομάδα των λεπτονίων(τα πρωτόνια και τα νετρόνια ανήκουν στην ομάδα των αδρονίων, που απαρτίζονται από κουάρκς). Σημαντική ήταν επίσης η ανακάλυψη ενός ακόμα στοιχειώδους σωματιδίου, του νετρίνο που ανήκει και αυτό όπως και το ηλεκτρόνιο στην οικογένεια των λεπτονίων. Το νετρίνο αλληλεπιδρά με την ασθενή πυρηνική δύναμη και είναι τόσο ελαφρύ και δύσκολο να απορροφηθεί που διαπερνά σχεδόν τα πάντα.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο αποτελείται από τρεις γενιές φερμιονίων, που περιέχουν τα κουάρκς και τα λεπτόνια, καθώς και από τα μποζόνια. Η πρώτη γενιά, που περιλαμβάνει ηλεκτρόνια, κουάρκ up, κουάρκ down και έναν τύπο νετρίνο, εμφανίζεται στην κανονική ύλη. Οι άλλες δύο γενιές σωματιδίων έχουν ίδιες ιδιότητες με την πρώτη αλλά είναι πιο βαριές και συνήθως δεν βρίσκονται στη φύση εκτός από ακραίες συνθήκες. Πολύ σημαντική ήταν και η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs to 2012 στο Large Hadron Collider του Cern. Η  ύπαρξη του σωματιδίου του Higgs δίνει τη δυνατότητα για εξήγηση του τρόπου με τον οποίο συγκροτείται η ύλη προσδίδοντάς της την ιδιότητα της μάζας. 

Γνωρίζουμε, ωστόσο, ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι μια ημιτελής θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων. Υπάρχει μια κατάσταση της ύλης που ονομάζεται σκοτεινή ύλη, η οποία δεν αποτελείται από τα γνωστά ως σήμερα στοιχειώδη σωματίδια. Άλλα προβλήματα που προκύπτουν, στα οποία δεν μπορεί να δώσει απάντηση, είναι η μάζα των νετρίνων και η κβαντική βαρύτητα. Υπάρχουν θεωρίες οι οποίες συμπληρώνουν την υπάρχουσα, όπως είναι η θεωρία των χορδών που βασίζεται στην υπερσυμμετρία, που όμως δεν έχουν αποδειχθεί πειραματικά καθώς αναμένουμε τη νέα γενιά επιταχυντών να μας βοηθήσει στην κατανόηση του υποατομικού κόσμου.

Πηγή:https://4gravitons.com/2024/03/08/what-are-particles-the-gentle-introduction/