Τι περιλαμβάνει το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής;

Συχνές ερωτήσεις, Φεβρουάριος 2002

Καθιερωμένο Μοντέλο είναι το όνομα που δίνουμε στην τρέχουσα θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων και πως αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Η θεωρία αυτή περιλαμβάνει:

• Τις ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις που οφείλονται στα φορτία χρώματος των κουάρκ. Οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις περιγράφονται από την κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), και μεσολαβούν γι' αυτές άμαζα μποζόνια που τα λέμε γκλουόνια. Αυτά ανακαλύφθηκαν στο εργαστήριο DESY στην Γερμανία το 1979.

• Μια συνδυαστική θεωρία των ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, γνωστή σαν ηλεκτρασθενής θεωρία, που εισάγει τα δύο W και το ένα Z μποζόνιο σαν σωματίδια φορείς των ασθενών διαδικασιών, και τα φωτόνια σαν ενδιάμεσα σωματίδια για τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Τα μποζόνια ανακαλύφθηκαν το 1983 στο CERN.

• Και τέλος, οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις περιγράφονται αρκετά καλά από την καθιερωμένη πια θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (QED)

Είναι μία απλή και κατανοητή θεωρία που εξηγεί τις εκατοντάδες των σωματιδίων και τις περίπλοκες αλληλεπιδράσεις τους χρησιμοποιώντας μόνο:

• 6 κουάρκ μαζί με τα 6 αντικουάρκ

• 6 λεπτόνια (μιόνιο, ταυ, ηλεκτρόνιο και τα 3 νετρίνα τους), φυσικά κι' άλλα 6 αντισωματίδια.

• Τα σωματίδια φορείς των δυνάμεων, όπως το φωτόνιο, τα δύο μποζόνια W και Z και τα γκλουόνια.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο ήταν ο θρίαμβος της σωματιδιακής φυσικής της δεκαετίας του 1970. Περικλεέι όλα όσα γνωρίζουμε μέχρι τώρα και έχει από τότε προβλέψει με επιτυχία τι  θα συμβεί σε μια μεγάλη ποικιλία πειραμάτων. Σήμερα, το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι μια βαθειά ριζωμένη θεωρία με εφαρμογές πάνω σε μια ευρεία περιοχή συνθηκών.

Αδυναμίες της Θεωρίας

Η θεωρία όμως δεν περιλαμβάνει τα φαινόμενα των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων. Αυτές οι επιδράσεις είναι πολύ μικρές κάτω από τις καταστάσεις της Φυσικής των υψηλών ενεργειών, και μπορεί να είναι αμελητέες στην περιγραφή των πειραμάτων. Τελικά, προσβλέπουμε σε μια θεωρία που να περιλαμβάνει μια διορθωμένη κβαντική θεωρία των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων, αλλά δυστυχώς δεν φαίνεται ακόμη στον ορίζοντα.

Μια άλλη ερώτηση αφορά το γεγονός ότι υπάρχουν τρία ζεύγη κουάρκ και τρία ζεύγη λεπτονίων. Κάθε "ομάδα" απ' αυτά τα σωματίδια ονομάζεται γενεά (ή οικογένεια). Έτσι τα κουάρκ u και d αποτελούν την πρώτη γενεά των κουάρκ, ενώ το ηλεκτρόνιο  και το νετρίνο ηλεκτρονίου (ηλεκτρονικό νετρίνο) είναι η πρώτη γενεά των λεπτονίων.   Στην καθημερινή μας ζωή παρατηρούμε μόνο σωματίδια της πρώτης γενεάς (ηλεκτρόνια, νετρίνο ηλεκτρονίου και κουάρκ up και down).
Το ερώτημα που μπαίνει λοιπόν είναι, γιατί "χρειαζόμαστε" τις άλλες δύο γενεές; 

Άλλη ερώτηση που μπαίνει είναι, γιατί π.χ. ενώ το φωτόνιο έχει μηδενική μάζα, τα αντίστοιχα κβάντα W και Ζ τών ασθενών αλληλεπιδράσεων έχουν τόσο μεγάλη μάζα;
Επειδή υπάρχει αυτή η μεγάλη διαφορά μάζας, στις σχετικά χαμηλές κινητικές ενέργειες που μπορούμε να επιταχύνουμε τα σωματίδια στους επίγειους επιταχυντές, οι ηλεκτρομαγνητικές και οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις παρουσιάζονται αρκετά διαφορετικές.

Αλλά, στις πάρα πολύ υψηλές ενέργειες, πρέπει να έχουν όλο και πιο παραπλήσια συμπεριφορά. Αυτή η αλλαγή συμπεριφοράς καθώς μεταβαίνει κανείς από τις χαμηλές στις υψηλές ενέργειες ονομάζεται σπάσιμο τών συμμετριών (SymmeΙry breaking) και πιστεύουμε ότι συνδέεται με την αιτία που αναγκάζει τα θεμελιώδη σωματίδια να έχουν μάζα.

Σωματίδια Higgs

Η πιο διαδεδομένη λύση τού προβλήματος αυτού απαιτεί την ύπαρξη ενός τουλάχιστον ακόμη μποζονίου, τού λεγόμενου μποζονίου Higgs, στο οποίο οφείλεται αυτό το σπάσιμο τής ηλεκτροασθενούς συμμετρίας.

Αυτό το σωματίδιο υποτίθεται ότι αλληλεπιδρά με άλλα σωματίδια με τέτοιο τρόπο ώστε οι μάζες να δημιουργούνται με τον κατάλληλο τρόπο.

Ο μηχανισμός Higgs εμπλέκει εκτός του πρόσθετου σωματιδίου, και ένα πρόσθετο τύπο δύναμης, που μεσολαβεί μέσω αλλαγών αυτού του μποζονίου. Το καθιερωμένο μοντέλο, μαζί με τον μηχανισμό Ηiggs, ερμηνεύει ικανοποιητικά τη μεγάλη μάζα τών μποζονίων W και Ζ.

Το μποζόνιο Ηiggs δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη, πιστεύουμε όμως ότι η μάζα του είναι μικρότερη από 1 TeV (1012 eV).

Για να βρεθεί όμως το μποζόνιο Ηiggs, πρέπει κατ' αρχήν να συγκρουστούν δύο κουάρκ, με κινητική ενέργεια τουλάχιστον 1 TeV το καθένα. Σήμερα το μόνο που μπορούμε να πούμε είναι ότι αν υπάρχει, πρέπει να έχει μια μάζα μεγαλύτερη από, περίπου, 80GeV/c². Γίνονται έρευνες για το μποζόνιο Higgs στο SLAC και στο CERN. Στο μέλλον, προσβλέπουμε στον Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων στο CERN.

Έτσι, αυτή η όψη του Καθιερωμένου Μοντέλου δεν έχει γίνει ακόμη αποδεκτή πλήρως, αλλά παραμένει στην χώρα της υπόθεσης ή του μοντέλου.