Η Δομή της ΎληςΗ Δομή της Ύλης

...και η αναζήτησή της,...και η αναζήτησή της, από τα αρχαία χρόνια μέχρι σήμερα... από τα αρχαία χρόνια μέχρι σήμερα...

Ειρήνη-Παυλίνα Αθανασίου ΠΕ04.01Ειρήνη-Παυλίνα Αθανασίου ΠΕ04.0122οο ΓΕ.Λ. ΙΛΙΟΥ ΓΕ.Λ. ΙΛΙΟΥ

Από τα αρχαία χρόνια ως την ατομική θεωρία...Από τα αρχαία χρόνια ως την ατομική θεωρία...

• 5ος αιώνας π.Χ., Αρχαία Ελλάδα5ος αιώνας π.Χ., Αρχαία ΕλλάδαΑριστοτέλης: τέσσερα στοιχεία

Έδαφος (χώμα), νερό, αέρας και φωτιάΚαθένα με μία ‘‘φυσική θέση’’

• 1803, 1803, John DaltonJohn Dalton:: Οι χημικές ενώσεις περιέχουν

σταθερή αναλογία διαφορετικών ατόμων

Λεύκιππος & Δημόκριτος: άτομαΆφθαρτα: Ούτε καταστρέφονται, ούτε δημιουργούνται εκ του μηδενός

Ο Ο John DaltonJohn Dalton (1766 – 1844) (1766 – 1844) διατύπωσε τη διατύπωσε τη νέα ατομική νέα ατομική

θεωρίαθεωρία

Η ανακάλυψη του ηλεκτρονίουΗ ανακάλυψη του ηλεκτρονίου

J.J. Thomson

• Ο Thomson το 1897 ανακαλύπτει το πρώτο υποατομικό σωματίδιο, που αργότερα ονομάστηκε ηλεκτρόνιηλεκτρόνιοο

• Το φορτίο του χαρακτηρίζει το στοιχειώδες αρνητικό φορτίο

• Έχει διπλή φύση (σώμα – κύμα)διπλή φύση (σώμα – κύμα)

9,1096*10-31 kg

1,6022*10-19 C

• SommerfieldSommerfield (1916): η έννοια της υποστοιβάδαςυποστοιβάδας

• SchrSchröödingerdinger (1926): θεωρία θεωρία κυματομηχανικήςκυματομηχανικής

2020οςος αιώνας αιώνας

• HeisenbergHeisenberg (1925) (1925): θεωρία θεωρία κβαντομηχανικής: κβαντομηχανικής: η βάση των σύγχρονων αντιλήψεων για το άτομο

• Ατομικό τροχιακό:Ατομικό τροχιακό: η πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο στην περιοχή γύρω από τον πυρήνα

• Άτομο:Άτομο: πυκνός, θετικά φορτισμένος πυρήναςπυρήνας (πρωτόνια, (πρωτόνια, pp++, νετρόνια, νετρόνια, nnοο)) + ηλεκτρονιακό νέφοςηλεκτρονιακό νέφος (ηλεκτρόνια, (ηλεκτρόνια, ee--))

• Στοιχειώδη σωματίδια:Στοιχειώδη σωματίδια: quarksquarks + λεπτόνια + λεπτόνια• Ο σημερινός κόσμος: 11ηη γενιά των στοιχειωδών σωματιδίων γενιά των στοιχειωδών σωματιδίων

δύο quarksquarks:: upup--uu και downdown--dd δύο λεπτόνια:λεπτόνια: ηλεκτρόνιο-ηλεκτρόνιο-ee και

νετρίνο του ηλεκτρονίου-ννετρίνο του ηλεκτρονίου-νee

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model)Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model)

• Στα πειράματα εμφανίζονται άλλες δύο γενιές που ζουν για κλάσματα του δευτερολέπτου

• 22ηη γενιάγενιά:: quarks:quarks: charmcharm--cc και strangestrange--ss λεπτόνια:λεπτόνια: μιόνιο-μμιόνιο-μ και

νετρίνο του μιονίου-ννετρίνο του μιονίου-νμμ

• 33ηη γενιάγενιά:: quarksquarks: toptop--tt και bottombottom--bb λεπτόνια:λεπτόνια: ταυ-τταυ-τ και νετρίνο του ταυ-ννετρίνο του ταυ-νττ

11//22

• Η 2η και 3η γενιά είναι εξαιρετικά ασταθείςασταθείς, και μετατρέπονται σε σωματίδια της 1ης γενιάς

• Μόνο οι τεράστιες ενέργειες που επιτυγχάνονται στους σωματιδιακούς σωματιδιακούς επιταχυντέςεπιταχυντές, όπως αυτούς του CERNCERN, μπορούν να επαναφέρουν κάποια από αυτά στη ζωή

• Και οι τρεις γενιές σωματιδίων – που συλλογικά φέρουν το όνομα φερμιόνιαφερμιόνια – πιστεύεται ότι ήταν παρούσες και συνυπήρξαν στα πρώτα δευτερόλεπτα που ακολούθησαν το Big BangBig Bang!

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model)Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) 22//22

• Ισχυρή πυρηνικήΙσχυρή πυρηνική Συγκρατεί στον πυρήνα πρωτόνια & νετρόνια Επιδρά σε quarksquarks Φορέας: γκλουόνιο (γκλουόνιο (gluongluon))

Οι Θεμελιώδεις ΑλληλεπιδράσειςΟι Θεμελιώδεις Αλληλεπιδράσεις

• ΗλεκτρομαγνητικήΗλεκτρομαγνητική Καθορίζει τις ιδιότητες

στερεών, υγρών και αερίων Επιδρά σε quarksquarks και λεπτόνιαλεπτόνια Φορέας: φωτόνιο (φωτόνιο (photonphoton))

11//22

• Ασθενής πυρηνικήΑσθενής πυρηνική Είναι υπεύθυνη για τις πυρηνικές

αντιδράσεις στα άστρα Επιδρά σε quarksquarks και λεπτόνιαλεπτόνια Φορέας: μποζόνια μποζόνια WW++, , WW-- και Ζ και Ζ00 ((WW, , Z bosonsZ bosons))

• Βαρυτική:Βαρυτική: Είναι υπεύθυνη που βρισκόμαστε στη Γη! Γίνεται αισθητή από όλες τις μάζεςμάζες Φορέας: γκραβιτόνιο γκραβιτόνιο ((gravitongraviton))

• Όλα τα σωματίδια ‘‘φορείς’’ ανήκουν Όλα τα σωματίδια ‘‘φορείς’’ ανήκουν στην οικογένεια των στην οικογένεια των μποζονίωνμποζονίων

22//22Οι Θεμελιώδεις ΑλληλεπιδράσειςΟι Θεμελιώδεις Αλληλεπιδράσεις

Πότε όμως γεννήθηκαν όλα Πότε όμως γεννήθηκαν όλα αυτά τα σωματίδια,αυτά τα σωματίδια,

και τι είναι αυτό που τα συνδέει;και τι είναι αυτό που τα συνδέει;

• quarks, antiquarks

και γκλουόνια(10-43 - 10-32s)

Η Γέννηση του Σύμπαντος: Η Γέννηση του Σύμπαντος: Big BangBig BangΗ Μεγάλη ΈκρηξηΗ Μεγάλη Έκρηξη

• Το σύμπαν Το σύμπαν γεννήθηκε γεννήθηκε πριν από πριν από 13,75 δις έτη13,75 δις έτη

• quarks και λεπτόνια

(10-32 - 10-10s)

1/41/4

• Σχηματισμός νουκλεονίων και αντινουκλεονίων από quarks(10-10 - 10-6s)

Η Γέννηση του ΣύμπαντοςΗ Γέννηση του Σύμπαντος

• Περίοδος σύνδεσης πρωτονίων και νετρονίων και σχηματισμού των πρώτων πυρήνων υδρογόνου, ηλίου, λιθίου και δευτερίου(10-6 - 1s)

2/42/4

• Σχηματισμός ιόντων H και He(1s - 3 min)

Η Γέννηση του ΣύμπαντοςΗ Γέννηση του Σύμπαντος

• Περίοδος σύνδεσης ηλεκτρόνιων με τους πυρήνες και σχηματισμού ουδέτερων ατόμων. Δημιουργία του σύμπαντος!(3 min - 300.000 έτη)

3/43/4

• Σύνθεση βαρύτερων στοιχείων, σχηματισμός αστερίων και πρωτογαλαξιών(300.000 έτη - 1 δις έτη)

• Σχηματισμός ηλιακών συστημάτων γύρω από τα άστρα, σύνδεση ατόμων, σχηματισμός πολύπλοκων μορίων και έμβιας ύλης(1 δις έτη - σήμερα)

Η Γέννηση του ΣύμπαντοςΗ Γέννηση του Σύμπαντος4/44/4

• Αμέσως μετά τοΑμέσως μετά το Big BangBig Bang, τα σωματίδια δεν έχουν μάζατα σωματίδια δεν έχουν μάζα

• Καθώς Καθώς το σύμπαν διαστέλλεταιτο σύμπαν διαστέλλεται και και η θερμοκρασία του η θερμοκρασία του μειώνεταιμειώνεται, σε κάποια , σε κάποια κρίσιμη θερμοκρασίακρίσιμη θερμοκρασία, μπαίνει σε , μπαίνει σε λειτουργία ο λειτουργία ο μηχανισμός μηχανισμός HiggsHiggs: : Το σύμπαν κατακλύζεται από το Το σύμπαν κατακλύζεται από το πεδίο πεδίο HiggsHiggs!!

Η Γέννηση του πεδίου Η Γέννηση του πεδίου HiggsHiggs

• Τα σωματίδια διασχίζουν το πεδίο, Τα σωματίδια διασχίζουν το πεδίο, κάποια αλληλεπιδρούν μαζί του και αποκτούν κάποια αλληλεπιδρούν μαζί του και αποκτούν μάζαμάζα, , ενώ εκείνα που δεν αλληλεπιδρούν, ενώ εκείνα που δεν αλληλεπιδρούν, παραμένουν χωρίς μάζαπαραμένουν χωρίς μάζα

videovideoHiggsHiggs

Η προσπάθεια για την ενοποίηση των βασικών Η προσπάθεια για την ενοποίηση των βασικών δυνάμεων της φύσηςδυνάμεων της φύσης

• James Clerk Maxwell (19ος αιώνας):ηλεκτρική + μαγνητική = ηλεκτρική + μαγνητική =

ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδρασηηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση

Πώς όμως θα ενοποιηθούν αφού το φωτόνιο Πώς όμως θα ενοποιηθούν αφού το φωτόνιο (φορέας Η/Μ δύναμης) δεν έχει μάζα, (φορέας Η/Μ δύναμης) δεν έχει μάζα,

ενώ τα μποζόνια ενώ τα μποζόνια WW και και Z Z (φορείς ασθενούς) έχουν;(φορείς ασθενούς) έχουν;

• Μέσα του 20ου αιώνα, οι επιστήμονες αναρωτιούνται:ηλεκτρομαγνητική + ασθενής =ηλεκτρομαγνητική + ασθενής =

ηλεκτρασθενής ???ηλεκτρασθενής ???

ΝΑΙΝΑΙ, αλλά η ηλεκτρασθενής συμμετρίαηλεκτρασθενής συμμετρία, είναι ‘‘σπασμένη’’‘‘σπασμένη’’ Αυτό φαίνεται από την ισχύ και την εμβέλειά τους, που είναι εντελώς διαφορετικές

Η λύση: Η λύση: Το πεδίο HiggsΤο πεδίο Higgs((1964: P1964: P. . HiggsHiggs, , FF. . EnglertEnglert και και RR. . BroutBrout, , GG. . GuralnikGuralnik, , CC. . RR. . HagenHagen και και TT. . KibbleKibble))

……Απειροστά κλάσματα του δευτερολέπτου μετά το Απειροστά κλάσματα του δευτερολέπτου μετά το Big BangBig Bang

η θερμοκρασία είναι της τάξης των τρισεκατομμυρίων η θερμοκρασία είναι της τάξης των τρισεκατομμυρίων

βαθμών, βαθμών, η ηλεκτρασθενής δύναμη είναι ακόμα ενιαία,η ηλεκτρασθενής δύναμη είναι ακόμα ενιαία, αφού αφού

τα στοιχειώδη σωματίδια δεν έχουν μάζα..τα στοιχειώδη σωματίδια δεν έχουν μάζα... Το σύμπαν . Το σύμπαν

διαστέλλεται, ώσπου ξαφνικά ψύχεται τόσο που διαστέλλεται, ώσπου ξαφνικά ψύχεται τόσο που

η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής διαχωρίζονται,η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής διαχωρίζονται,

καθώς ο μηχανισμός καθώς ο μηχανισμός HiggsHiggs μπαίνει σε λειτουργία, μπαίνει σε λειτουργία, και σπάει και σπάει

την ηλεκτρασθενή συμμετρία,την ηλεκτρασθενή συμμετρία, εφοδιάζοντας τα στοιχειώδη εφοδιάζοντας τα στοιχειώδη

σωματίδια με τη μάζα τους!σωματίδια με τη μάζα τους!

• Κβαντική θεωρίαΚβαντική θεωρία: κάθε πεδίο έχει φορέα αλληλεπίδρασης

• Το σωματίδιο ‘‘φορέας’’ του πεδίου πεδίου HiggsHiggs, είναι το μποζόνιο μποζόνιο HiggsHiggs

• Επιβεβαιώνει το Καθιερωμένο ΠρότυποΚαθιερωμένο Πρότυπο

Το μποζόνιο Το μποζόνιο HiggsHiggs

Η ανακάλυψη του μποζονίουΗ ανακάλυψη του μποζονίου Higgs Higgs

•Δυσκολία επιβεβαίωσης:Δυσκολία επιβεβαίωσης:Εμφανίζεται μόνο σε ακραίες θερμοκρασίεςακραίες θερμοκρασίεςΕμφανίζεται πολύ σπάνιαπολύ σπάνια στις συγκρούσεις πρωτονίων μέσα στον LHCLHCΕίναι εξαιρετικά ασταθέςεξαιρετικά ασταθές και διασπάται πριν φτάσει στους ανιχνευτέςανιχνευτές

...Στις 4 Ιουλίου 2012, δύο ανεξάρτητες επιστημονικές ομάδες στους ανιχνευτέςανιχνευτές του Μεγάλου Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (Επιταχυντή Αδρονίων (LHCLHC) του ) του CERNCERN, επιβεβαίωσαν την ανακάλυψη ενός μέχρι πρότινος άγνωστου σωματιδίου με μάζα μεταξύ 125 και 127 GeV/c2, το οποίο το οποίο μέχρι στιγμής συμπεριφέρεται σαν μέχρι στιγμής συμπεριφέρεται σαν μποζόνιο μποζόνιο HiggsHiggs......

Αυτά είναι αδύνατον να Αυτά είναι αδύνατον να έχουν παραχθεί από τη έχουν παραχθεί από τη διάσπαση ενός διάσπαση ενός HiggsHiggs… Αυτά όμως μπορούν!… Αυτά όμως μπορούν!

Ανιχνεύοντας το Ανιχνεύοντας το μποζόνιομποζόνιο Higgs Higgs

• Ακαριαία μετατρέπεται σε πιο σταθερά

σωματίδια (ίχνος (ίχνος στον ανιχνευτήστον ανιχνευτή))• Οι επιστήμονες γνωρίζουν τους συνδυασμούς

σωματιδίων που μπορεί να δώσει ένα HiggsHiggs:

Μόνο εκείνοι οι οποίοι αρχικά δεν παραβαίνουν

την αρχή διατήρησης της ενέργειαςαρχή διατήρησης της ενέργειας

Το ‘‘πιθανό Το ‘‘πιθανό HiggsHiggs’’ ’’

καταρρέει σε δύο καταρρέει σε δύο αδρόνια και δύο αδρόνια και δύο ηλεκτρόνιαηλεκτρόνια

Αν παρατηρηθεί Αν παρατηρηθεί

ικανοποιητικός συνδυασμός ικανοποιητικός συνδυασμός

σωματιδίων, ίσως προέρχεται σωματιδίων, ίσως προέρχεται

από ένα από ένα HiggsHiggs!!

Διατάξεις που επιταχύνουν και Διατάξεις που επιταχύνουν και εξαναγκάζουν σε σύγκρουση δεξαναγκάζουν σε σύγκρουση δύύο ο δέσμες δέσμες φορτισμένων φορτισμένων σωματιδίωνσωματιδίων π.χ. πρωτονίων ή π.χ. πρωτονίων ή ηλεκτρονίων. Συχνά, ηλεκτρονίων. Συχνά, δημιουργήματαδημιουργήματα της σύγκρουσης της σύγκρουσης είναι νέα σωματίδια!είναι νέα σωματίδια!

• Κυκλικός επιταχυντήςΚυκλικός επιταχυντής• Γραμμικός επιταχυντήςΓραμμικός επιταχυντής

Επιταχυντές σωματιδίωνΕπιταχυντές σωματιδίων

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large Hadron Large Hadron ColliderCollider – – LHCLHC)) στο στο CERNCERN της Γενεύης, περιφέρειας 27 της Γενεύης, περιφέρειας 27kmkm, , και σε βάθος 175και σε βάθος 175mm, είναι ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος , είναι ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος

επιταχυντής στον κόσμο! Εκεί συμβαίνουνεπιταχυντής στον κόσμο! Εκεί συμβαίνουν 600 εκατομμύρια 600 εκατομμύρια συγκρούσεις πρωτονίων κάθε δευτερόλεπτοσυγκρούσεις πρωτονίων κάθε δευτερόλεπτο!videovideo

LHCLHC

Ευχαριστώ!Ευχαριστώ!

Ερωτήσεις;;;Ερωτήσεις;;;

Ειρήνη-Παυλίνα Αθανασίου ΠΕ04.01Ειρήνη-Παυλίνα Αθανασίου ΠΕ04.0122οο ΓΕ.Λ. ΙΛΙΟΥ ΓΕ.Λ. ΙΛΙΟΥ