Χρονολογικός πίνακας ανακαλύψεων για να φθάσουμε στο
Καθιερωμένο Μοντέλο της Σωματιδιακής Φυσικής

Άρθρο, Νοέμβριος 2002

Η σωματιδιακή φυσική γεννήθηκε το 1897 με την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου από τον J.J. Thomson και έκτοτε έχουν γίνει πολλά πειραματικά και θεωρητικά βήματα μέχρι σήμερα.

Η τωρινή μας θεωρητική γνώση πάνω στη φυσική των σωματιδίων συνοψίζεται στο λεγόμενο Καθιερωμένο Μοντέλο (standard model), το οποίο έχει δοκιμαστεί με μεγάλη επιτυχία στα εργαστήρια υψηλής ενέργειας σ’ όλο τον κόσμο. Δεν υπάρχει καμιά πιστοποιημένη μέτρηση σε οποιοδήποτε εργαστήριο που να αντιφάσκει με το καθιερωμένο μοντέλο. Παρόλα αυτά υπάρχουν σήμερα και νέα ερωτήματα που περιμένουν τις απαντήσεις τους.

Οι παρακάτω πίνακες έγιναν με βάση είτε την ανακάλυψη σωματιδίων είτε γεγονότων.

Κουάρκς

1968 up (u)
down (d)

Φυσικοί στο Κέντρο του Γραμμικού Επιταχυντή στο Stanford (SLAC), παρατηρούν τις πρώτες αποδείξεις για κουάρκς μέσα στο πρωτόνιο.
Για το γεγονός αυτό οι
Friedman, Kendall and Taylor παίρνουν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1990.

1951 strange (s)

Η πρώτη παρατήρηση των καονίων, που είναι τα σωματίδια που περιέχουν παράξενα (strange) κουάρκς, σε πειράματα κοσμικής ακτινοβολίας.

1956 strange (s)

Ο Gell-Mann του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Καλιφόρνιας, εξηγεί τη σχετική μακροβιότητα των καονίων με τη θεωρία της  παραξενιάς και παίρνει Βραβείο Νόμπελ το 1969.

1964 strange (s)

Στο Εργαστήριο Brookhaven (BNL), οι Cronin και Fitch βρίσκουν πως τα καόνια παραβιάζουν τη συμμετρία ύλης-αντιύλης (CP), και παίρνουν Βραβείο Νόμπελ το 1980.

1974 charm (s)

Φυσικοί στο SLAC και BNL ανακαλύπτουν, ανεξάρτητα οι μεν από τους δε, ένα νέο μεσόνιο - το J ή Ψ - που περιέχει ένα νέο είδος κουάρκ, το γοητευτικό (charm) κουάρκ. Οι Richter (SLAC) και Ting (BNL) παίρνουν Βραβείο Νόμπελ το 1976.

1977 bottom (b)

Μια ομάδα επιστημόνων στο Fermilab με επικεφαλής τον Lederman, ανακαλύπτουν το μεσόνιο ύψιλον, που περιέχει το κουάρκ bottom καθώς και ένα αντι-bottom κουάρκ. Αυτό οδηγεί τους φυσικούς να πιστέψουν ότι θα βρουν κάποια μέρα την έκτη και τελευταία γεύση των κουάρκ. 

1995 top (t)

Η προβλεφθείσα γεύση top είναι γεγονός. Δύο ομάδες φυσικών (CDF και DZero) που συνεργάζονταν στο Fermilab, ανακοινώνουν την ανακάλυψη του top κουάρκ, ένα στοιχειώδες σωματίδιο τόσο βαρύ όσο ένα άτομο χρυσού. Επιβεβαιόνονται λοιπόν οι προβλέψεις των θεωρητικών πως υπάρχουν έξι γεύσεις (flavors) των quarks, που περιγράφονται στο Καθιερωμένο μοντέλο.

Λεπτόνια

1897 ηλεκτρόνιο (e)

Χρησιμοποιώντας ένα καθοδικό σωλήνα, ο Thomson ανακαλύπτει στο εργαστήριο Cavendish στην Αγγλία, το πρώτο λεπτόνιο που είναι το ηλεκτρόνιο. Έχει μάζα περίπου 0,5 MeV και spin ½. Για το λόγο αυτό παίρνει το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1906. Τα λεπτόνια δεν αισθάνονται τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις.

1937 μιόνιο (μ)

Οι Neddermeyer και Anderson ανακαλύπτουν το μιόνιο σε ένα πείραμα με την κοσμική ακτινοβολία. Έχει μάζα περίπου 100 MeV.

1956 νετρίνο ηλεκτρονίου (νe)

Πειραματιστές στο Savannah River plant, με επικεφαλείς δύο Αμερικανούς επιστήμονες, το Frederick Reines και το Clyde Cowan ανακαλύπτουν το πρώτο νετρίνο. Ο Reines μοιράζεται το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1995. Η θεωρητική ανακάλυψη του νετρίνου, ένα μεγάλο θεωρητικό πρόβλημα από τις αρχές της δεκαετίας του '30, είχε γίνει από τον Pauli.

1962 νετρίνο μιονίου (νμ)

Επιστήμονες στο Εργαστήριο Brookhaven (BNL) ανακαλύπτουν το νετρίνο του μιονίου. Οι Lederman, Schwartz and Steinberger λαμβάνουν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1988.

1976 ταυ (τ)

Πειραματιστές στον Γραμμικό Επιταχυντή του Stanford (SLAC),  ανακαλύπτουν το λεπτόνιο ταυ (τ), την πρώτη φορά που παρατηρήθηκε σωματίδιο της τρίτης γενιάς. Είναι το βαρύτερο λεπτόνιο, με μάζα περίπου 1780 MeV. Ο Perl μοιράζεται το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1995.
Έτσι υπάρχει μια τριπλέτα φορτισμένων λεπτονίων που οδηγεί στην πρόβλεψη και του νετρίνο ταυ, καθώς υπάρχουν άλλα δύο αντίστοιχα νετρίνα.

2000 νετρίνο ταυ (ντ)

Η ομάδα DONUT (Direct Observation Neutrino Tau) του Fermilab αναφέρει στις 25 Ιουλίου του 2000, την πρώτη άμεση απόδειξη για την ύπαρξη του ταυ νετρίνο ντ, σε έναν ανιχνευτή του. Έμμεσες ενδείξεις για την ύπαρξη αυτού του σωματιδίου υπήρχαν περισσότερο από δύο δεκαετίες.

Φορείς αλληλεπιδράσεων (δυνάμεων)

1905 φωτόνιο (γ)

Με βάση την εισαγωγή του κβάντου της ενέργειας από το Planck, ο Αϊνστάιν περιγράφει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο χρησιμοποιώντας τα σωματίδια του φωτός ή φωτόνια. Τα φωτόνια θεωρούνται φορείς των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων. Ο Planck παίρνει το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1918 ενώ ο Einstein τιμήθηκε για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο το 1921.

1979 γκλουόνιο (g)

Στο Γερμανικό Σύγχροτρον Ηλεκτρονίου (DESY), επιστήμονες αναφέρουν ότι βρήκαν αποδείξεις για το γκλουόνιο, το φορέα των ισχυρών δυνάμεων.

1983 ηλεκτροασθενή μποζόνια (W, Z0)

Φυσικοί στο Ευρωπαϊκό Ερευνητικό Εργαστήριο CERN, παρατηρούν τα μποζόνια W+, W- και Z, τους μόνους φορείς των δυνάμεων με μάζα. Έχουν μάζα 80 και 91 GeV c-2 αντίστοιχα. Για τον λόγο αυτό οι Rubbia και van der Meer τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής του 1984.

1989 μποζόνιο Z0

Ο χρόνος ζωής του ηλεκτρασασθενούς μποζονίου βαθμίδας συμφωνεί ακριβώς με την ύπαρξη των τριών ειδών νετρίνων.

Αντιύλη

1931 ποζιτρόνιο (e+)

Το ποζιτρόνιο είχε βρεθεί θεωρητικά από τις εξισώσεις του Dirac αλλά το 1931, παρατηρώντας τα στοιχεία από την κοσμική ακτινοβολία, ο Anderson  ανακαλύπτει στη φύση το αντιηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο όπως ονομάστηκε αργότερα. Ο Anderson λαμβάνει το Νόμπελ Φυσικής το 1936.

1955 αντιπρωτόνιο (p-)

Με τη βοήθεια του επιταχυντή στο Πανεπιστήμιο του Berkeley, οι Segre και Chamberlain ανακαλύπτουν το αντιπρωτόνιο. Και οι δύο τους παίρνουν το Νόμπελ Φυσικής του 1959. Αργότερα, οι φυσικοί έμαθαν ότι το πρωτόνιο περιέχει κουάρκς και το αντιπρωτόνιο αντικουάρκς.

Θεωρητικό υπόβαθρο

Η θεωρία του Καθιερωμένου Μοντέλου περιλαμβάνει τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων. Αυτές είναι η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής, και η ισχυρή πυρηνική και συνδέονται στενά με πολυάριθμες ανακαλύψεις στην κβαντική φυσική ολόκληρο τον 20ο αιώνα.
Παρακάτω αναφέρονται οι μεγαλύτερες σημαντικές ανακαλύψεις του δεύτερου μισού του 20ου αιώνα, που οι περισσότερες τιμήθηκαν με βραβεία Νόμπελ.

1965

Κβαντική Ηλεκτροδυναμική (QED)

Οι Tomonaga, Schwinger και Feynman λαμβάνουν το βραβείο Νόμπελ, για το σχηματισμό της θεωρίας της Κβαντικής Ηλεκτροδυναμικής, τη θεωρία για τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Πρόκειται για τη θεωρία με την μεγαλύτερη δοκιμασμένη ακρίβεια στη Φυσική.

1969

Ταξινόμηση σωματιδίων και αλληλεπιδράσεων

Ο Gell-Mann παίρνει το βραβείο Νόμπελ για τη συνεισφορά του στην ταξινόμηση των στοιχειωδών σωματιδίων καθώς και των αλληλεπιδράσεων τους.

1979 Ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις

Οι ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις περιγράφονται από την κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), και μεσολαβούν γι αυτές άμαζα μποζόνια, που τα λέμε γκλουόνια. Αυτά τα τελευταία ανακαλύφθηκαν στο εργαστήριο DESY στην Γερμανία το 1979.

1979 Ηλεκτρασθενής θεωρία

Σύμφωνα με την ενοποιημένη θεωρία των ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, που αναπτύχθηκε από τους Sheldon Glashow, Steven Weinberg και Abdus Salam στη δεκαετία του 60, για την ασθενή αλληλεπίδραση όπως πχ τη β-διάσπαση, μπορεί να μεσολαβεί η ανταλλαγή των φορτισμένων μποζονίων W+ και W- καθώς και του ουδέτερου Ζ0 μποζονίου που φέρουν μάζα. Με τον τρόπο αυτό όλες οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις έχουν παρόμοια δομή, αλλά μπήκε το ερώτημα γιατί μόνο τα μποζόνια των ασθενών αλληλεπιδράσεων έχουν μάζα.
Οι Glashow, Salam και Weinberg κερδίζουν το Νόμπελ για την ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών και ασθενών αλληλεπιδράσεων σε μια ηλεκτρασθενή θεωρία.

1999 Κβαντική τυποποίηση της Ηλεκτρασθενούς Θεωρίας

Πολλές από τις μετρήσεις που έγιναν στο LEP και στο SLC έχουν ακρίβεια 1: 1000 και καμιά δεν έδειξε σημαντική διαφορά με τις προβλέψεις του καθιερωμένου μοντέλου.
Αυτές οι προβλέψεις απαιτούν μικρές κβαντικές διορθώσεις που οφείλονται σε δυνάμει σωματίδια τα οποία εκπέμπονται από πραγματικά σωματίδια και ζουν ελάχιστα μέχρι να απορροφηθούν ξανά. Οι διορθώσεις αυτές μπορούν να υπολογιστούν αξιόπιστα μέσα στα πλαίσια της ηλεκτρασθενούς θεωρίας.
Σε πολλές κβαντικές θεωρίες αυτοί οι υπολογισμοί δίνουν ως αποτέλεσμα άπειρο, και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κάνουμε αξιόπιστες προβλέψεις. Ένα από τα θαύματα των θεωριών βαθμίδας είναι ότι αυτοί οι απειρισμοί μπορούν να αρθούν, επιτρέποντας την εξαγωγή πεπερασμένων προβλέψεων για διάφορα φυσικά μεγέθη. Αυτό έγινε πρώτα για την QED την δεκαετία του '40.
Στην αρχή της δεκαετίας του '70 Οι Gerard ‘t Hooft και Martinus Veltman απέδειξαν ότι αυτή η άρση των απειρισμών μπορούσε να συμβεί και για τις ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσεις, ένα επίτευγμα που τους έδωσε το βραβείο Nobel της Φυσικής το 1999, για την κβαντική τυποποίηση της ηλεκτρασθενούς θεωρίας.

Ελλείψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου 

1. Υπάρχουν ακόμη μερικά χαρακτηριστικά-κλειδιά της θεωρίας που δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί. Ένα από αυτά είναι η προέλευση των μαζών των σωματιδίων. Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο, η θεωρία πεδίου στην οποία στηρίζεται, μπορεί να διατυπωθεί και με άμαζα σωματίδια κατά πολύ συμμετρικό τρόπο. Παρόλα αυτά το κενό της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης σπάει αυτή τη συμμετρία και δίνει διαφορετικές μάζες σε διαφορετικά σωματίδια. Υπεύθυνο γι αυτό το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας πιστεύεται ότι είναι ένα βαθμωτό πεδίο που του αντιστοιχεί ένα σωμάτιο, το λεγόμενο μποζόνιο Higgs.
Η ακρίβεια των ηλεκτρασθενών πειραματικών δεδομένων είναι ευαίσθητη στη μάζα αυτού του σωματιδίου, και με τα σημερινά δεδομένα προβλέπεται γι αυτό μια μάζα της τάξης των 100 GeV c-2 με ένα παράγοντα αβεβαιότητας περίπου 2. Η έρευνα για τα μποζόνια Higgs είναι ένας συνεχής σκοπός των πειραματικών προγραμμάτων στο LEP. Οι έρευνες αυτές δεν έχουν αποδώσει έως τώρα και έχουν εδραιώσει την άποψη ότι η μάζα του Higgs πρέπει να υπερβαίνει τα 102 GeV.

2. Ένα άλλο στοιχείο που μας λείπει στα τεστ του καθιερωμένου μοντέλου, είναι ο μηχανισμός με τον οποίο επικράτησε η ύλη επί της αντιύλης. Αυτό το θέμα έχει μεγάλη σπουδαιότητα για την ιστορία του Σύμπαντος, το οποίο δεν φαίνεται να έχει σημαντική ποσότητα αντιύλης, παρά την φυσική προσδοκία ότι αρχικά υπήρχαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης.
Το 1957 οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις εμφανίστηκαν να παραβιάζουν όχι μόνο την κατοπτρική συμμετρία (parity) αλλά επίσης και την συμμετρία της αντικατάστασης ενός σωματιδίου με το ηλεκτρικά αντίθετό του αντισωματίδιο. Αυτό σημαίνει ότι εν γένει ότι σωματίδια με spin μιας ορισμένης κατεύθυνσης συμπεριφέρονται διαφορετικά από όμοια σωματίδια με spin αντίθετης κατεύθυνσης. Σημαίνει επίσης ότι σωματίδια και αντισωματίδια που έχουν spin ίδιας κατεύθυνσης συμπεριφέρονται διαφορετικά.
Αρχικά νομίστηκε ότι ο συνδυασμός της κατοπτρικής συμμετρίας και της εναλλαγής σωματιδίου με αντισωματίδιο που είναι γνωστός ως CP συμμετρία ήταν πράγματι μια απαραβίαστη συμμετρία. Ένα πείραμα όμως του 1964 αποκάλυψε ότι και η CP παραβιάζεται κατά τις ασθενείς διασπάσεις των ουδέτερων Κ-μεσονίων που περιέχουν παράξενα (strange) quarks.
Το 1973 ο Makoto Kobayashi και ο Toshikide Maskawa πρότειναν ότι η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης θα μπορούσε να φιλοξενηθεί μέσα στα πλαίσια του καθιερωμένου μοντέλου αν υπήρχαν τουλάχιστον 6 είδη quarks. Από τότε πολλή θεωρητική προσπάθεια έχει αφιερωθεί στην εκτίμηση των προβλέψεων του καθιερωμένου μοντέλου για ασυμμετρίες ύλης-αντιύλης σε διάφορες διεργασίες.

3. Τον τελευταίο καιρό υπάρχει αρκετό ενδιαφέρον στην έρευνα για παραβίαση της CP σε διασπάσεις Β-μεσονίων που περιέχουν το bottom quark. Ικανοί αριθμοί Β-μεσονίων παράγονται σε νέους επιταχυντές που λέγονται Β-εργοστάσια και λειτουργούν στο SLAC του Stanford και στο εργαστήριο ΚΕΚ στην Ιαπωνία.

Αν και το καθιερωμένο μοντέλο είναι πολύ επιτυχημένο χωρίς να υπάρχουν επιβεβαιωμένα αποτελέσματα από τους επιταχυντές που να συγκρούονται με αυτό, υπάρχουν αρκετοί θεωρητικοί λόγοι να το θεωρούμε μη ικανοποιητικό και να περιμένουμε κάποια Νέα Φυσική πέραν αυτού. Για παράδειγμα ακόμα και αν κανείς παραδεχτεί τα φορτία και τα spins των quarks και των λεπτονίων το καθιερωμένο μοντέλο περιέχει 19 ελεύθερες παραμέτρους που καθορίζονται από το πείραμα. Τόσες πολλές παράμετροι είναι σίγουρα απαράδεκτες για μια θεωρία που φιλοδοξεί να είναι θεωρία των πάντων. Οι προσπάθειες να πάμε πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο τυπικά προσπαθούν να απλοποιήσουν τουλάχιστον μια από αυτές τις όψεις του. 

Δείτε και τα σχετικά άρθρα
Τι περιλαμβάνει το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής;
Οι τέσσερις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων
Ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις
Ασθενείς αλληλεπιδράσεις
Ισχυρές αλληλεπιδράσεις
Η εισαγωγή των κουάρκ σαν θεμελιωδών συστατικών της ύλης
Ενδιαφέρουσες ιστοσελίδες
Η περιπέτεια των Σωματιδίων, από σελίδα του ΕΜΠ
Σωματιδιακή Φυσική, από το Πανεπιστήμιο του Stanford
Λεξικό όρων σωματιδιακής Φυσικής
HomeHome