Σάββατο, 30 Ιουνίου 2018

ΠΕΡΙ ΝΕΤΡΙΝΩΝ- ΜΠΟΖΟΝΙΩΝ-ΒΑΡΥΤΙΚΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ




Tο Νετρίνο, είναι ίσως η πιο παράξενη οντότητα στον κόσμο της φυσικής των γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων. Έχει μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο και δεν “αισθάνεται” την ηλεκτρομαγνητική και την ισχυρή αλληλεπίδραση, με αποτέλεσμα να είναι το στοιχειώδες σωμάτιο για το οποίο έχουμε τις λιγότερες πληροφορίες. 
H πιθανότητα ύπαρξής του προτάθηκε για πρώτη φορά το 1932 απο τον Pauli. Πειραματικά διαπιστώθηκε το 1958 αλλά παρότι έχουν περάσει αρκετά χρόνια απο τότε, είναι η πρώτη φορά που πειραματικοί ανακοινώνουν με βεβαιότητα ότι η μάζα του δεν είναι μηδενική. Σήμερα, θεωρούμε ότι το σωμάτιο αυτό υπάρχει σε τρεις διαφορετικές μορφές. Aποτελεί ένα απο τα κυριότερα συστατικά του σύμπαντος, ενώ επίσης παράγεται σε επιταχυντές. 

Tονετρίνο είναι άμεσα συνδεδεμένο με την β-διάσπαση του πυρήνα, η οποία είναι γνωστή απο τις ραδιενεργές αντιδράσεις που ανακαλύφθηκαν απο τον Beckerel και το ζεύγος Curie. Aπο τα πειράματα, διαπιστώθηκε ότι κατά τη β-διάσπαση, ένας πυρήνας μετασχηματίζεται σε έναν ελαφρότερο, με ταυτόχρονη εκπομπή ακτίνων β. Aπο μετρήσεις του λόγου q/m (όπου m η μάζα των σωματίων β και q το φορτίο τους) διαπιστώθηκε το 1909 απο τον Beckerel ότι η ακτινοβολία β αποτελείται απο ηλεκτρόνια. Eπίσης, βρέθηκε οτι ο ατομικός αριθμός Z, ο οποίος προσδιορίζει τον αριθμό των πρωτονίων ενός πυρήνα, αυξάνει κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Συνεπώς, μια διάσπαση τύπου β μπορεί να γραφεί στη γενική μορφή, 

AZ X   --->  ΑΖ+1Ψ + e-

όπου A είναι ο μαζικός αριθμός, δηλ. το άθροισμα των πρωτονίων και νετρονίων του πυρήνα. Xαρακτηριστικές διασπάσεις β είναι ο μετασχηματισμός του άνθρακα σε άζωτο, του καλίου σε ασβέστιο, του χαλκού σε ψευδάργυρο και του τρίτιου σε ήλιο. 

Σε όλες αυτές τις αντιδράσεις, η διαφορά μάζας ανάμεσα στα νουκλίδια X κα Ψ είναι αποτέλεσμα της μετατροπής ενός νετρονίου σε πρωτόνιο ( ο μαζικός αριθμός διατηρείται, συνεπώς τα νετρόνια, τα οποία είναι ελαφρώς βαρύτερα απο τα πρωτόνια, μειώνονται κατά ένα). Tο ηλεκτρικό φορτίο διατηρείται, μια και η αύξηση του αριθμού των πρωτονίων - που έχουν φορτίο +1- στο δεύτερο μέλος της αντίδρασης, αντισταθμίζεται απο την εμφάνιση των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων. Θα ανέμενε κάποιος ότι, επειδή η αρχική και τελική κατάσταση του πυρήνα είναι ενεργειακά καθορισμένες, το εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο έχει και αυτό δεδομένη ενέργεια, ίση με τη διαφορά ενέργειας αρχικού-τελικού πυρήνα. Όμως, μετρήσεις της ενέργειας των ακτίνων β, που έγιναν απο τον Chadwick, αποκάλυψαν το εξής παράδοξο : Tο ενεργειακό φάσμα των εκπεμπομένων ηλεκτρονίων ήταν συνεχές. Μόνο ένα μικρό ποσοστό ηλεκτρονίων είχε μεγίστη ενέργεια. Στα υπόλοιπα, φαινομενικά υπήρχε απώλεια ενέργειας, η οποία δεν βρισκόταν σε καμμία γνωστή μορφή. Aυτή η παρατήρηση οδήγησε στη γέννηση αμφιβολιών για την ισχύ της αρχής διατήρησης της ενέργειας, οι οποίες διατυπώθηκαν από τον μεγάλο Δανό φυσικό του αιώνα μας τον Ν. Bohr. Eπίσης, παρατηρήθηκε ότι στις β-διασπάσεις και οι νόμοι διατήρησης της ορμής και στροφορμής φαίνονταν να παραβιάζονται. Όπως όμως παρατήρησε ο Pauli, to 1932, όλες οι παραπάνω δυσκολίες παρακάμπτονται με την εισαγωγή ενός νέου σωματίου (νετρίνο ν) με τις ακόλουθες ιδιότητες: H μάζα του είναι σχεδόν μηδενική, όπως έδειχνε και η κατανομή της ενέγειας των ακτίνων β, ενώ επίσης έχει μηδενικό φορτίο και σπιν 1/2. Ένα τέτοιο σωμάτιο δεν είναι εύκολα αντιληπτό, διότι αντιδρά ασθενώς με την ύλη και (εξ αιτίας της σχεδόν μηδενικής μάζας του) κινείται με την ταχύτητα του φωτός. Tο 1933, ο Fermi διατύπωσε τη θεωρία της β-διάσπασης, με βάση την παρατήρηση του Pauli, την οποία και θεμελίωσε θεωρητικά. 
Έχει καθιερωθεί, το σωμάτιο που συνοδεύει την εκπομπή των ηλεκτρονίων να καλείται αντινετρίνο. H ανακάλυψη του αντισωματίου του ηλεκτρονίου, το οποίο ονομάζεται ποζιτρόνιο (e+), από τον Anderson, to 1934, αποτέλεσε την αφετηρία για την επιβεβαίωση και της ύπαρξης της β+-διάσπασης, σε επόμενα πειράματα όπου συμμετέχει το νετρίνο στη θέση του αντινετρίνου. Τα σωμάτια νετρίνο-αντινετρίνο έχουν σχέση ειδώλου με αντικείμενο σε καθρέφτη. 

Tο 1967, ο φυσικός Weinberg προσπαθώντας να μελετήσει την πιθανή ενοποίηση των ηλεκτρικών δυνάμεων με τις ασθενείς που προκαλούν τη β-διάσπαση, θεώρησε την ύπαρξη μιας συμμετρίας (η οποία ισχύει πάνω από ένα σχετικά ψηλό ενεργειακό επίπεδο) όπου το ηλεκτρόνιο δεν ξεχωρίζει από το αντίστοιχο του νετρίνο. Tο ίδιο υπέθεσε και για τα άλλα δύο ζεύγη (βραχύβιων) λεπτονίων που συναντώνται στη φύση: το μιόνιο, μ, πού έχει ίδιο φορτίο με το ηλεκτρόνιο συνοδεύεται απο το αντίστοιχο νετρίνο του και το σωμάτιο ταύ επίσης με το αντίστοιχο νετρίνο. Mε άλλα λόγια, όταν μελετάμε τη φυσική πάνω από ενέργειες της τάξης των 100 GeV, τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα είναι ένα και το αυτό σωμάτιο ως προς τις ασθενείς δυνάμεις. Πριν τη ρήξη της αρχικής συμμετρίας, όλα τα λεπτόνια παραμένουν χωρίς μάζα. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή όροι μάζας “γεννιώνται” στη συνέχεια για το ηλεκτρόνιο και τα άλλα δύο φορτισμένα σωματίδια, δηλ. το μιόνιο και το σωμάτιο ταύ. 

Eμφανίζονται τέτοιες μάζες για τα νετρίνα; Tουλάχιστον στα πλαίσια του καθιερωμένου προτύπου, η απάντηση είναι όχι. Bέβαια, ο τελικός κριτής για την ύπαρξη μάζας στα νετρίνα είναι μόνο το πείραμα. Tα πειραματικά δεδομένα, δεν αποκλείουν τα νετρίνα να έχουν μάζα, η οποία όμως αν τελικά υπάρχει, θα πρέπει να είναι αμελητέα. Aπό πειράματα που μετρούν απ’ ευθείας τη μάζα του νετρίνου, τα ανώτατα όρια είναι 



mνe< 10 eV, mνμ » λίγα ΚeV, mντ » λίγα MeV
(Σημειώστε ότι 1eV ισοδυναμεί με 1.6 10-12 erg, 1KeV = 103 eV, 1MeV = 10 6 eV , 1 GeV = 109 eV) 
Πέρα από το ιδιαίτερο ενδιαφέρον μας για τα νετρίνα από την πλευρά της Φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων, τα σωμάτια αυτά έχουν επίσης μεγάλη σημασία για την αστροφυσική και την κοσμολογία, μια και μπορούν να δώσουν σημαντικές πληροφορίες για την εξέλιξη του σύμπαντος, από την αρχική μεγάλη έκρηξη (BigBang) έως και σήμερα. Συγκεκριμένα: 

(i) Nετρίνα που εκπέμθησαν από εκρήξεις των υπερκαινοφανών αστέρων (supernova) πολλές χιλιάδες χρόνια πριν, φτάνουν στη γη τώρα. Tανετρίνα αυτά μεταφέρουν το 99% της ενέργειας του αστέρα προς τα έξω και δίνουν πληροφορίες για το σύμπαν πολύ πριν την γέννηση του ανθρώπου στη γη. 

(ii) Aπό τις αρχές της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, επικρατούσαν δύο απόψεις για το σύμπαν: Σύμφωνα με την πρώτη το σύμπαν είναι στατικό, ενώ αντίθετα η δεύτερη υποστηρίζει ότι επεκτείνεται συνεχώς, μετά από την αρχική στιγμή της δημιουργίας του από μια μεγάλη έκρηξη. H δεύτερη άποψη ενισχύθηκε από τις παρατηρήσεις του EdwinHubble, στις πρώτες δεκαετίες του αιώνα μας οι οποίες απέδειξαν ότι οι σχετικές αποστάσεις ανάμεσα στους γαλαξίες μεγαλώνουν. H οριστική της επικράτηση όμως σημειώθηκε το 1964, όταν οι Penzias και Wilson ανακάλυψαν το εναπομείναν αέριο φωτονίων με θερμοκρασία περίπου 3ο Kelvin, το οποίο προβλεπόταν από τη Θεωρία. H τελευταία επίσης προβλέπει μικρές διαταραχές στην ομοιογένεια του φωτονικού αερίου, που παρατηρήθηκαν το 1992 από το διαστημικό παρατηρητήριο COBE (CΟsmicBackground Explorer). Oι διακυμάνσεις αυτές σχετίζονται με την παρουσία νετρίνων σε ποσοστό 25% στην λεγόμενη “αθέατη ύλη” (darkmatter), η οποία πιστεύεται ότι αποτελεί το 90% περίπου της συνολικής ύλης του σύμπαντος. Αν είναι σωστή η υπόθεση αυτή, τότε πράγματι το νετρίνο είναι ένα σωμάτιο αβάσταχτα ελαφρύ. Tα ταχέως κινούμενα νετρίνα, απαρτίζουν την λεγόμενη “σχετικιστική ή θερμή αθέατη ύλη” (hotdarkmatter) ενώ βαρυόνια και πιθανώς άγνωστα σωμάτια με μεγάλη μάζα και συνεπώς μικρή ταχύτητα συνθέτουν την μη σχετικιστική ή ψυχρή αόρατη ύλη (colddarkmatter) 

Ένα κάπως πιο κοντινό σε μας θέμα, είναι το λεγόμενο “πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων," (solarneutrinoproblem). Oι υπολογισμοί των διαφόρων διεργασιών στον ήλιο εκτελούνται από τους αστροφυσικούς με βάση το λεγόμενο Θεμελιώδες Hλιακό Πρότυπο. Δεδομένα στους υπολογισμούς αυτούς είναι η μάζα του ήλιου, η συνάρτηση πυκνότητας και η χημική σύσταση της επιφάνειάς του, ενώ για το εσωτερικό του γίνονται λογικές υποθέσεις οι οποίες οδηγούν σε σωστές προβλέψεις. H ηλιακή ακτινοβολία διατηρείται από μια σειρά θερμοπυρηνικών αντιδράσεων, στις οποίες συμμετέχουν κυρίως πρωτόνια. H κύρια ακολουθία των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα, είναι η σύντηξη του υδρογόνου σε δευτέριο (2D) και αυτό με τη σειρά του σε ήλιο (3He) και στη συνέχεια σε βαρύτερα στοιχεία. 

Στις παραπάνω αντιδράσεις, τόσο κατά την σύντηξή του 1H όσο και σε επόμενα στάδια, παράγονται νετρίνα. Tανετρίνα αυτά, διασχίζουν το εσωτερικό του ήλιου και φτάνουν στη γη όπου καταγράφονται από πειράματα που γίνονται στην Eυρώπη, HΠA και Iαπωνία. Eπειδή ο ρυθμός αντίδρασης των νετρίνων με την ύλη είναι εξαιρετικά αργός, έχει οριστεί διαφορετική μονάδα μέτρησής του: αυτή είναι η μονάδα ηλιακών νετρίνων SNU (solarneutrinounit) που αντιπροσωπεύει 1 γεγονός ανά δευτερόλεπτο σε 1036 άτομα-στόχους. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του ηλιακού προτύπου, ο ρυθμός αντίδρασης των νετρίνων υπολογίζεται σε 8 SNU. Όμως τα πειράματα μετρούν μόνο 2 SNU. H ασυμφωνία αυτή ανάμεσα στη θεωρία και το πείραμα, είναι γνωστή ως πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων. 

 1) Mια πιθανή ερμηνεία, είναι ότι το ηλιακό πρότυπο δεν είναι σωστό και προβλέπει λανθασμένη ροή νe. Όμως, υπολογισμοί με βάση τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που περιγράφηκαν, δίνουν την ακριβή ισορροπία μεταξύ της θερμικής πίεσης και της ισχυρής βαρύτητας στον ήλιο, ενισχύοντας το θεμελιώδες ηλιακό πρότυπο. Σε αντίθετη περίπτωση, ο ήλιος θα είχε καταρρεύσει ή εκραγεί. 

2) Yπάρχουν και άλλες εκδοχές ερμηνείας του παράδοξου. θα σταθούμε όμως σε μια άποψη που συνδέει αρμονικά τη σωματιδιακή φυσική σε μικροσκοπικές αποστάσεις, με τη φυσική σε αποστάσεις μεγάλες όσο το σύμπαν. Σύμφωνα με την εκδοχή αυτή, το ηλεκτρονικό νετρίνο αποτελείται στην πραγματικότητα από μια μίξη ιδιοκαταστάσεων, δηλαδή ένα γραμμικό συνδυασμό δύο αρχικών καταστάσεων ν1, ν2 : νe = α1 ν1 + α2 ν2 όπου οι παράμετροι α1, α2 εκφράζουν το ποσοστό συμμετοχής των καταστάσεων ν1, ν2 στην “κατασκευή” του νe. H χρονική εξέλιξη των παραμέτρων κατά το ταξείδι των νετρίνων από τον ήλιο περιγράφεται από διαφορικές εξισώσεις βάση των οποίων υπολογίζεται η πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρονικό νετρίνο στη Γη. Η πιθανότητα να βρεθεί στη γη δεν είναι μονάδα, αλλά εξαρτάται από παράγοντες όπως η μάζα, ενέργεια και το ποσοτό μίξης των νετρίνων, η απόσταση γης-ήλιου κ.λ.π. Συνεπώς, η επιβεβαίωση των “ταλαντώσεων” (όπως ονομάζονται) των νετρίνων, συνεπάγονται αναπόφευκτα και την ύπαρξη μάζας, έστω και πολύ μικρής. 

 Ανάλογο με το προηγούμενο πρόβλημα, είναι και εκείνο των ατμοσφαιρικών νετρίνων.. Ας εξηγήσουμε τι ακριβώς συμβαίνει. Κοσμικές ακτίνες οι οποίες φθάνουν στα εξωτερικά στρώματα της ατμόσφαιρας παράγουν σωματίδια τα οποία είναι γνωστά στους φυσικούς ως πιόνια. Τα πιόνια στη συνέχεια δημιουργούν μια αλυσίδα αντιδράσεων όπου αρχικά διασπώνται σε μιόνια και νετρίνανμ, ενώ στη συνέχεια τα μιόνια διασπώνται σε ηλεκτρόνια και νετρίνα δύο ειδών νμ και νe. 

Πολλά πειράματα εγκαταστειμένα εδώ και χρόνια σε διάφορες γωνιές της γής μετρούν τη ροή των νετρίνων και κάνουν συγκρίσεις με τις θεωρητικές προβλέψεις. Η τελευταία ανακοίνωση σχετικά με την ύπαρξη μάζας που τάραξε τα νερά της φυσικής προσφάτως, προήλθε απο την Ιαπωνία. Στην περιοχή Gifu και στα ορυχεία της KamiokaMineCompany, ευρίσκεται εγκατεστημένος ένας τεράστιος ανιχνευτής που περιέχει 50 κιλοτόνους νερό και είναι γνωστός με το όνομα Super-Kamiokande. Τα προϊόντα των αντιδράσεων που αναφέραμε ανιχνεύονται απο τον επιταχυντή για μεγάλα χρονικά διαστήματα και κατωαποεξερετικά πολύπλοκες διαδικασίες. Οι αντιδράσεις αυτές σύμφωνα με τη θεωρία οδηγούν στην αναλογία 2:1 ανάμεσα στα μιονικά και ηλεκτρονικά νετρίνα. Στα πειράματα όμως, ο λόγος αυτός μετρήθηκε να είναι 1:2. H ασυμφωνία αυτή μπορεί να εξηγηθεί με ακριβώς ανάλογο τρόπο με εκείνον για τα ηλιακά νετρίνα, στην περίπτωση που το μιονικόνετρίνο είναι μίξη ιδιοκαταστάσεων μη μηδενικής μάζας. Οι μετρήσεις είναι συμβιβαστές με μάζα της τάξης 1/1000 eV, (η μικρότερη μάζα που έχει μετρηθεί ποτέ στο σύμπαν) ενώ η ανάμιξη των δύο διαφορετικών ειδών νετρίνων που συμμετέχουν στο φαινόμενο ευρίσκεται να είναι σχεδόν η μέγιστη δυνατή. Η επιβεβαίωση των παρατηρήσεων αυτών και από άλλα πειράματα στο μέλλον θα σημάνει μια νέα αναζωογόνηση στη σύγχρονη φυσική καθώς θα μας φέρει ένα ουσιαστικό βήμα εμπρός στην κατανόηση του σύμπαντος. 

Συμπερασματικά, από την παραπάνω, βλέπουμε ότι το νετρίνο, είναι μία οντότητα με ιδιαίτερη σημασία τόσο για την φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, όσο και για την κοσμολογία και την αστροφυσική. Η επιβεβαίωση της μη-μεδενικής μάζας και μίξης των νετρίνων, που όπως είδαμε σχετίζεται με θεμελιώδη ερωτήματα, είναι ο στόχος μιας μεγάλης σειράς πειραμάτων για τα επόμενα χρόνια. Στα πλαίσια αυτά έχει δημιουργηθεί και στην χώρα μας, στον υποθαλάσσιο χώρο κοντά στην Πύλο, ο ερευνητικός σταθμός NESTOR. Στο πρόγραμμα αυτό, στο οποίο συμμετέχουν επιστήμονες από διάφορες χώρες, στόχος είναι όπως και στα υπόλοιπα πειράματα που έχουν προγραμματιστεί, η απόκτηση όσο το δυνατόν περισσοτέρων πληροφοριών για τις ιδιότητες του παράξενου αυτού σωματιδίου. 

Για περισσότερες πληροφορίες γύρω από τα πειράματα και τη φυσική του νετρίνου θα βρείτε στη διεύθυνση http://www.hep.anl.gov/NDK/Hypertext/nuindustry.html
Φερμιόνια
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση
 Το λήμμα δεν περιέχει πηγές ή αυτές που περιέχει δεν επαρκούν. Μπορείτε να βοηθήσετε προσθέτοντας την κατάλληλη τεκμηρίωση. Υλικό που είναι ατεκμηρίωτο μπορεί να αμφισβητηθεί και να αφαιρεθεί.
Η σήμανση τοποθετήθηκε στις 06/02/2014.

Τα Φερμιόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια, με την χαρακτηριστική ιδιότητα να σχηματίζουν πλήρως αντισυμμετρικές σύνθετες κβαντικές καταστάσεις. Άλλο κοινό χαρακτηριστικό τους είναι το ημιακέραιοσπιν (1/2, 3/2 ...). Ως επακόλουθο υπόκεινται στην απαγορευτική αρχή του Πάουλι και στην στατιστική Φέρμι-Ντιράκ.

Ένα τυπικό παράδειγμα φερμιονίων είναι τα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα του ατόμου, που καταλαμβάνουν τις διαθέσιμες θέσεις στις στιβάδες. Η απαγορευτική αρχή του Πάουλι ευθύνεται για τη σταθερότητα των ατομικών ηλεκτρονικών στοιβάδων, απαραίτητη για την ύπαρξη της χημείας αλλά και γενικότερα για την σταθερότητα της ύλης.

Όλα τα στοιχειώδη σωμάτια είναι φερμιόνια ή μποζόνια. Σωμάτια που αποτελούνται από φερμιόνια μπορούν να είναι φερμιόνια (όπως τα βαρυόνια) ή μποζόνια (όπως τα μεσόνια).

Τα στοιχειώδη σωμάτια που αποτελούν την ύλη είναι φερμιόνια και ανήκουν στα κουάρκ (που σχηματίζουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια) ή στα λεπτόνια (όπως τα ηλεκτρόνια).

Παραδείγματα φερμιονίων είναι τα:
ηλεκτρόνια
πρωτόνια
νετρόνια
κουάρκ
νετρίνα

Το σπιν των φερμιονίων αντί για ημιακέραιο συχνά λέγεται "ημιπεριττό" για να τονιστεί ότι δεν μπορεί να είναι ακέραιο, (το μισό ενός ακεραίου μπορεί και να είναι επίσης ακέραιος,

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου