Η επιστήμη αντιμετωπίζει ένα νέο μυστήριο εξερευνώντας βαθιά τα άτομα μας

Όλα γύρω μας – η καρέκλα σας, ο υπολογιστής σας, εσείς – αποτελούνται από διευθετήσεις μεγάλου αριθμού ατόμων. Κατά τα πρώτα 30 χρόνια του εικοστού αιώνα, καταφέραμε να αποδείξουμε την ατομική υπόθεση και από τότε ανακαλύψαμε ένα άλλο στρώμα πολυπλοκότητας, από τα νέα στοιχειώδη σωματίδια που απαρτίζουν τα άτομα.

Εκατοντάδες περίπου άτομα είναι στην πραγματικότητα συστοιχίες τριών στοιχειωδών σωματιδίων – πρωτονίων και νετρονίων που συγκεντρώνονται σε έναν ατομικό πυρήνα, με ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από αυτόν τον πυρήνα. Αυτό θα ήταν ένα εξαιρετικό συμπέρασμα, καθώς η πολυπλοκότητα της φύσης προέρχεται από τρία συστατικά που αναμιγνύονται με διαφορετικούς τρόπους. Το πιο σοκαριστικό είναι ότι η ιστορία δεν σταματά εκεί.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι μια σύνθετη σούπα από άλλα στοιχειώδη σωματίδια, κουάρκ και γλουόνια. Κατά τον εικοστό αιώνα, ανακαλύψαμε έναν τεράστιο ζωολογικό κήπο με στοιχειώδη σωματίδια, τα περισσότερα από τα οποία είναι εξαιρετικά ασταθή και δύσκολο να εντοπιστούν.

Παραδόξως, η φύση χρησιμοποιεί εκατοντάδες άτομα σε χημικά στοιχεία και άλλους σωρούς μικρών σωματιδίων. Μοιάζει με ατελείωτο παζλ.

Η τρέχουσα κατανόησή μας είναι ότι το σύμπαν έχει δύο τύπους σωματιδίων, την ύλη και τη δύναμη.

Αυτή η ουσία ονομάζεται κουάρκ και λεπτόνια. Τα κουάρκ βρίσκονται πάντα σε συγκροτήματα που απαρτίζουν πιο πολύπλοκες δομές, όπως πρωτόνια και νετρόνια, στον πυρήνα ενός ατόμου. Τα λεμόνια είναι το ηλεκτρόνιο και ένα παράξενο, πρακτικά αόρατο σωματίδιο που ονομάζεται νετρίνο.

Τα νετρίνα εκπέμπονται σε καταστάσεις ραδιενεργού αποσύνθεσης, είναι πολύ ελαφρύτερα από τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια και είναι ουσιαστικά μη ανιχνεύσιμα. Ο ήλιος σας βομβαρδίζει με δισεκατομμύρια και δισεκατομμύρια νετρίνα κάθε δευτερόλεπτο. Ακόμα και ο πλανήτης Γη είναι σχεδόν διαφανής στα νετρίνα, κοίτα αυτό Αυτή είναι μια εικόνα των νετρίνων που προέρχονται από τον ήλιο [veja abaixo] Παράγεται από ένα “τηλεσκόπιο” (μια γιγαντιαία δεξαμενή νερού, και Ανιχνευτής Super-KamiokandeΜέσα σε μια σπηλιά ένα χιλιόμετρο από την επιφάνεια της Γης, παγιδευμένη με νετρίνα για περισσότερο από ένα χρόνο.

Neutrinos, όχι ο ήλιος

Φωτογραφία: R. Svoboda and K.Gordan (LSU)

Λοιπόν, αυτά είναι τα σωματίδια της ύλης. Η δύναμη αυτών είναι τα σωματίδια της βαρύτητας, του ηλεκτρομαγνητισμού (γνωστά ως φως ή φωτόνια), οι αδύναμες και ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις, και τέλος το σωματίδιο Higgs.

Θα ήταν μια περίπλοκη ιστορία αν είχαμε κουάρκ και λεπτόνια σήμερα, εκτός από τα σωματίδια δύναμης. Αλλά η φύση έχει μια νέα έκπληξη στο μανίκι της.

Ας πάμε πίσω στο χρόνο λίγο. Το 1936, ανακαλύφθηκε ένα σωματίδιο που δεν ήταν μέρος οποιουδήποτε ατόμου. Αυτό το σωματίδιο, που ονομάζεται “muon”, είναι ασταθές, αποσυντίθεται γρήγορα και παράγει ένα ηλεκτρόνιο. Σύμφωνα με τα λόγια του Αμερικανού φυσικού Isidore Isaac Rabie, “Ποιος το ζήτησε;” Λίγο ήξερε ότι ήταν μόνο η αρχή.

a

Το muon ήταν το πρώτο μέλος που ανακαλύφθηκε, από μια δεύτερη οικογένεια κουάρκ και λεπτονίων που είναι σχεδόν πανομοιότυπα με αυτά που παρατηρούμε στην καθημερινή μας ζωή. Η μόνη διαφορά μεταξύ των δύο οικογενειών είναι ότι τα σωματίδια της δεύτερης οικογένειας είναι πολύ βαρύτερα και ασταθή και γρήγορα αποσυντίθενται σε σωματίδια από την καθημερινή μας ζωή.

Ενδιαφέρον, δύο οικογένειες. Τελείωσε εκεί ή μήπως η φύση έχει ένα άλλο φύλλο στο μανίκι της; Όσο απίστευτο κι αν ακούγεται, υπάρχει μια τρίτη οικογένεια, με σωματίδια πολύ βαρύτερα από αυτά των δύο πρώτων οικογενειών.

Για παράδειγμα, το tau, ο «ξάδελφος» του ηλεκτρονίου και του muon, ζυγίζει περίπου 3.500 φορές περισσότερο από ένα ηλεκτρόνιο και 17 φορές περισσότερο από ένα muon. Είναι εκεί; Δεν είμαστε σίγουροι, αλλά όλα δείχνουν ότι το σύμπαν δεν έχει πλέον οικογένεια στοιχειωδών σωματιδίων, μόνο αυτά τα τρία.

Τι νέο υπάρχει σε όλη αυτή την ιστορία; Κουάρκ και λεπτόνια της τρίτης οικογένειας παρατηρήθηκαν στο εργαστήριο μεταξύ της δεκαετίας του 1970 και του 1990, και το 2012, το σωματίδιο Higgs παρατηρήθηκε στο CERN της Γενεύης.

Το Higgs έχει μια λειτουργία – να παράγει το βάρος άλλων στοιχειωδών σωματιδίων. Χωρίς τους Higgs, δεν θα είχαμε μια καλή εξήγηση για τα διαφορετικά βάρη των τριών οικογενειών. Αλλά εκτός από τους Higgs, όλες οι άλλες δυνάμεις της φύσης (βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητικές και πυρηνικές δυνάμεις) είναι δημοκρατικές με τις τρεις οικογένειες. Ή τουλάχιστον αυτή είναι μια πρόβλεψη μοντέλου που εξηγεί ολόκληρο τον ζωολογικό κήπο των στοιχειωδών σωματιδίων.

Αυτή η δημοκρατική υπόθεση ότι οι τρεις οικογένειες συνδέονται με τον ίδιο τρόπο με τις δυνάμεις της φύσης έχει δοκιμαστεί σε επιταχυντές σωματιδίων από τις αρχές του 21ου αιώνα.

Πριν από δύο εβδομάδες, ήταν Η συνεργασία του CERN LHCb αποκάλυψε μια σαφή παραβίαση αυτής της δημοκρατικής υπόθεσης. Το πείραμα παρατήρησε τη ραδιενεργή διάσπαση των κουάρκ πυθμένα (το ελαφρύτερο κουάρκ στην τρίτη οικογένεια) σε ηλεκτρόνια (από την πρώτη οικογένεια) ή μιόνια (από τη δεύτερη οικογένεια).

Αν και ένα μιόνιο είναι 200 ​​φορές βαρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο, η δημοκρατική υπόθεση είναι ότι ένα κουάρκ αποσυντίθεται σε ίσες αναλογίες με ηλεκτρόνια ή μιόνια.

Το πείραμα έδειξε μεγαλύτερη τάση αποσύνθεσης για ηλεκτρόνια από ό, τι για μιόνια – για κάθε 100 ηλεκτρόνια αποσύνθεση υπήρχαν 85 αποσυνθέσεις με μιόνια.

Το αποτέλεσμα είναι ενδιαφέρον και δείχνει ότι ίσως η δημοκρατική υπόθεση είναι λάθος και εξακολουθούν να υπάρχουν μερικά νέα συστατικά στον κατάλογο των στοιχειωδών σωματιδίων στο σύμπαν μας.

Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες ερωτήσεις σε ολόκληρη την ιστορία – γιατί είναι τρεις οικογένειες; κανείς δεν ξέρει. Νέα πειραματικά αποτελέσματα μπορεί να δείξουν ότι οι οικογένειες σχετίζονται μεταξύ τους με νέο και ασυνήθιστο τρόπο, αποκαλύπτοντας τους λόγους για την ύπαρξή τους. Ή μήπως καταλήξουμε να ανακαλύψουμε ένα άλλο στρώμα μυστηρίου;

* Gilherme Pimentel Ερευνητής στο Ινστιτούτο Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ, Ολλανδία. Κατέχει πτυχίο Ηλεκτρονικής Μηχανικής και Μεταπτυχιακό στη Φυσική από το ITA. Κέρδισε το διδακτορικό του στη φυσική από το Πανεπιστήμιο του Princeton και εργάστηκε ως ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. Η έρευνά του επικεντρώνεται στην κοσμολογία και τη φυσική των σωματιδίων. Ειδικότερα, προτείνοντας νέες θεωρίες για να εξηγήσουμε την επιταχυνόμενη επέκταση του σύμπαντος.

READ  Luis Taborda Baratta στο Εθνικό Συμβούλιο Επιστημών

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *