Το Καθιερωμένο Πρότυπο

Ο ανιχνευτής σωματιδίων του πειράματος ATLAS, στο CERN.

Η σύγχρονη αντίληψη για τη Φυσική, βασίζεται σε μια σειρά εξισώσεων που ονομάζουμε «Καθιερωμένο Πρότυπο» και το οποίο περιγράφει με αρκετή σαφήνεια τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης και τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις (δυνάμεις) που καθορίζουν τη συμπεριφορά τους.

Για αρκετά χρόνια θεωρούσαμε ότι ο πυρήνας του ατόμου κάθε χημικού στοιχείου αποτελείται από ένα ή περισσότερα νουκλεόνια: τα πρωτόνια (σωματίδια με θετικό ηλεκτρικό φορτίο), και τα νετρόνια (σωματίδια χωρίς κανένα ηλεκτρικό φορτίο), ενώ γύρω από τον πυρήνα βρίσκονται τα μικροσκοπικά ηλεκτρόνια (με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο). Αυτό συμβαίνει με τα άτομα όλων των χημικών στοιχείων εκτός από το υδρογόνο. Γιατί ένα άτομο υδρογόνου αποτελείται μόνο από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Ο πυρήνας δηλαδή του υδρογόνου δεν έχει κανένα νετρόνιο, αλλά αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο. Τα τελευταία όμως χρόνια η απλή αυτή εικόνα έχει αλλάξει δραματικά γιατί κατορθώσαμε να εισχωρήσουμε βαθιά στο εσωτερικό του ατόμου και ανακαλύψαμε ένα ολάκερο «Σύμπαν» που ήταν, μέχρι πρόσφατα, κρυμμένο εκεί μέσα.

Ανακαλύψαμε δηλαδή ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από συνδυασμούς δύο άλλων σωματιδίων, τα οποία οι φυσικοί ονόμασαν πάνω (up) και κάτω (down) Κουάρκς. Από όσα γνωρίζουμε μέχρι σήμερα, το ηλεκτρόνιο μαζί με τα up/down Κουάρκς και ένα άλλο, επίσης ουδέτερο και με ελάχιστη μάζα σωματίδιο, το νετρίνο ηλεκτρονίου, είναι τα μόνα σωματίδια που απαιτούνται για να δημιουργηθεί ολόκληρη η ορατή ύλη που υπάρχει στο Σύμπαν! Τα τέσσερα αυτά στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία είναι και τα ελαφρύτερα που υπάρχουν στη φύση, αποτελούν την πρώτη γενεά των σωματιδίων της ύλης. Γνωρίζουμε, όμως, ότι υπάρχουν και άλλες μορφές ύλης, περισσότερο εξωτικές, οι οποίες αποτελούνται από άλλα θεμελιώδη σωματίδια τα οποία συγκροτούν τη δεύτερη και την τρίτη γενεά της ύλης.

Έτσι, η δεύτερη γενεά των σωματιδίων αποτελείται από το μιόνιο, το νετρίνο μιονίου και δύο ακόμα Κουάρκς, τα οποία οι φυσικοί βάφτισαν γοητευτικό (charm) και παράξενο (strange), ενώ η τρίτη γενεά των σωματιδίων αποτελείται από το σωματίδιο ταυ, το νετρίνο ταυ και τα Κουάρκς ψηλό (top) και χαμηλό (bottom). Τα σωματίδια όμως αυτά «ζουν» για κλάσματα του δευτερολέπτου, αφού διασπώνται ταχύτατα μετατρεπόμενα σε σωματίδια της πρώτης γενεάς και μόνο οι τεράστιες ενέργειες που επιτυγχάνονται στους σωματιδιακούς επιταχυντές, όπως αυτούς του CERN, μπορούν να επαναφέρουν κάποια απ’ αυτά στη ζωή. Όλα αυτά τα σωματίδια, τα οποία συλλογικά ονομάζονται Φερμιόνια (από τον Ενρίκο Φέρμι), συνυπήρξαν για ελάχιστο χρονικό διάστημα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη που δημιούργησε το Σύμπαν. Επομένως, μελετώντας στους επιταχυντές τα αποτελέσματα των συγκρούσεων μεταξύ των σωματιδίων αυτών είναι σαν να κοιτάμε πίσω στο χρόνο, αναδημιουργώντας ένα περιβάλλον παρόμοιο με αυτό που υπήρχε τις πρώτες στιγμές της γέννησης του Σύμπαντος.

Τα θεμελιώδη σωματίδια της πρώτης γενεάς, «δένονται» μεταξύ τους για να σχηματίσουν τις δομές του μικρόκοσμου και του μακρόκοσμου, από το πρωτόνιο και τα άτομα, μέχρι τις τεράστιες συγκεντρώσεις ύλης που παρατηρούνται στα άστρα και στους γαλαξίες του Σύμπαντος. Αυτό επιτυγχάνεται διά μέσου τεσσάρων θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων: της βαρυτικής, της ηλεκτρομαγνητικής, της ασθενούς και της ισχυρής.

Η βαρυτική δύναμη ή αλληλεπίδραση είναι αυτή που κάνει τα μήλα να πέφτουν από τις μηλιές και τους πλανήτες να κινούνται γύρω από τον Ήλιο και, αντίθετα με ό,τι θα περίμενε κάποιος, είναι η πιο ασθενής απ’ όλες. Πραγματικά, η βαρυτική έλξη μεταξύ μεμονωμένων σωματιδίων είναι αμελητέα και μόνο σε μεγάλες συγκεντρώσεις υπερισχύει των άλλων αλληλεπιδράσεων.

Εξ ίσου γνωστή είναι και η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, η οποία εμφανίζεται σε όλα τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα που παρατηρούμε, ενώ σ’ αυτήν οφείλεται και το γεγονός ότι τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια συγκρατούνται γύρω από τους θετικά φορτισμένους πυρήνες των ατόμων. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη αποτελεί επίσης και την αιτία σύνδεσης των ατόμων μεταξύ τους για το σχηματισμό των μορίων, επιτρέποντας στον κόσμο να παραμένει ενωμένος και να δημιουργεί την ύλη που βλέπουμε.

Στο εσωτερικό του πυρήνα των ατόμων όμως επικρατούν δύο άλλες αλληλεπιδράσεις, που δεν είναι και τόσο γνωστές. Πρόκειται για την ασθενή αλληλεπίδραση, η οποία ευθύνεται για τις διασπάσεις των σωματιδίων της δεύτερης και τρίτης γενεάς σε αυτά της πρώτης, αλλά και για τη μετατροπή των πρωτονίων σε νετρόνια, επιτρέποντας έτσι τις πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό των άστρων, όπως του Ήλιου μας. Η ισχυρή αλληλεπίδραση, τέλος, συγκρατεί τα Κουάρκς στο εσωτερικό σωματιδίων, όπως είναι το πρωτόνιο και ακριβώς επειδή είναι ισχυρότερη της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης εμποδίζει τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια, που απωθούνται μεταξύ τους, να «διαλύσουν» τους ατομικούς πυρήνες, στους οποίους είναι συγκεντρωμένα.

Η σύγχρονη αυτή αντίληψη που έχουμε για τη Φυσική τα τελευταία 40 περίπου χρόνια βασίζεται σε μια σειρά εξισώσεων που ονομάζουμε «Καθιερωμένο Πρότυπο» το οποίο περιγράφει με αρκετή σαφήνεια τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης και τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις (δυνάμεις) που καθορίζουν τη συμπεριφορά τους. Σύμφωνα με αυτό το πρότυπο, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφορετικών σωματιδίων ύλης οφείλονται στην ανταλλαγή «σωματιδίων-φορέων» της κάθε δύναμης, τα οποία ονομάζονται Μποζόνια και τα οποία μεταφέρουν διακριτά ποσά ενέργειας από το ένα σωματίδιο ύλης στο άλλο. Κάθε δύναμη έχει και τα δικά της χαρακτηριστικά Μποζόνια: τα φωτόνια για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, τα γλοιόνια για την ισχυρή και τα Μποζόνια W και Ζ για την ασθενή.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο αναπτύχθηκε στις αρχές του 1970 και ενοποιεί την ηλεκτρασθενή θεωρία με την κβαντική χρωμοδυναμική σε μια κβαντική θεωρία πεδίου. Μέχρι σήμερα οι διάφορες προβλέψεις της θεωρίας αυτής έχουν επιβεβαιωθεί πλήρως από τα διάφορα πειράματα που έχουν γίνει, δεν έχει όμως κατορθώσει ακόμη να ενσωματώσει, μεταξύ των άλλων, και την τέταρτη θεμελιώδη αλληλεπίδραση της βαρύτητας.