ΜΠΟΖΟΝΙΟ HIGGS

Γιατί το σωματίδιο Higgs πρέπει να υπάρχει

Posted by pazoulis at 19th Νοεμβρίου 2009

Το 1960 δύο φυσικοί oι Steven Weinberg, και Abdus Salam ανακάλυψαν πως τα σωματίδια φορείς της ασθενούς δύναμης W+, W- και Z μπορεί να έχουν μάζα χωρίς όμως να σπάει η βασική συμμετρία βαθμίδας της ασθενούς δύναμης. Χωρίς να εισαχθεί μια μάζα στη θεωρία – στις εξισώσεις της – θα μπορούσε να δημιουργείται αυτόματα (αυθόρμητα) μάζα ως αποτέλεσμα κάποιων αλληλεπιδράσεων στο πεδίο των ασθενών δυνάμεων, δηλαδή μέσω της ρήξης της βασικής συμμετρίας. Είναι γνωστό ότι επειδή το φωτόνιο (φορέας της   ηλεκτρικής δύναμης) δεν έχει μάζα, θα έπρεπε και τα W+, W- και Z (φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης) να μην έχουν για να επιτευχθεί η ενοποίηση των ασθενών με τις ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις. Για να επιτευχθεί αυτό το αποτέλεσμα οι δύο φυσικοί εισήγαγαν ένα επιπλέον κβαντικό πεδίο προς τιμήν του Peter Higgs, που πρώτος έδωσε αυτή την ιδέα. Μέσω δε του Higgs πιστεύουμε ότι αποκτούν μάζα τα μποζόνια W+, W- και Z οι διαδότες της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Τα κβάντα Higgs είναι ένα μποζόνια χωρίς spin και μάζα αμφισβητούμενη (από 114 έως 180 GeV). Αν ήταν  ‘ελαφρύ’ θα το βλέπαμε στον επιταχυντή LEP (τον προηγούμενο επιταχυντή του CERN), ενώ αν είναι ‘βαρύ’ θα το δούμε στον LHC. Peter Higgs Η ιστορία του μποζονίου Higgs άρχισε το 1961, όταν ο Yoichiro Nambu, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου, έδειξε ότι μία διαδικασία που ονομάζεται «αυθόρμητο σπάσιμο συμμετρίας», είναι σε θέση να εξηγήσει από που προέρχεται η μάζα. Για να καταλάβετε τι σημαίνει, φανταστείτε μια σφαίρα πάνω από ένα μεξικάνικο καπέλο (σχήμα). Αυτό το σχήμα είναι συμμετρικό, επειδή φαίνεται το ίδιο από όλες τις κατευθύνσεις. Εντούτοις, η σφαίρα δεν είναι σταθερή και η συμμετρία αυθόρμητα σπάει όταν πέφτει στο χείλος, στο άκρο του καπέλου. Αυτό μπορεί να φαίνεται απλό, αλλά το πεδίο Higgs πραγματικά είναι σαν ένα μεξικάνικο καπέλο. Ένα μεξικάνικο καπέλο επεξηγεί το θεώρημα Goldstone. Αν και το καπέλο είναι αναλλοίωτο κάτω από περιστροφές γύρω από έναν κατακόρυφο άξονα, μια μικρή σφαίρα θα μπορεί να κάτσει μακριά από τον άξονα συμμετρίας, κάπου στο χείλη του καπέλου, αλλά μπορεί και να κινηθεί ελεύθερα χωρίς δύναμη επαναφοράς γύρω από το χείλη. Η σπασμένη κατά προσέγγιση συμμετρία απεικονίζεται με ελαφρώς γερμένο το καπέλο, αυτό παράγει μια μικρή δύναμη επαναφοράς, ανάλογη με τη μικρή μάζα του πιονίου. Το 1962 ο Jeffrey Goldstone, του πανεπιστημίου του Καίμπριτζ, και δύο μελλοντικοί νομπελίστες, οι Abdus Salam και Steven Weinberg, έδειξαν ότι υπήρξε μια ρωγμή σε αυτήν την προσέγγιση. Η πρώτη συμβολή του Higgs στο πρόβλημα αυτό – που έγινε πριν 45 χρόνια (τον Ιούλιο του 1964) – ήταν να δείξει ότι ο Goldstone και οι συνάδελφοί του είχαν κάνει επίσης ένα λάθος. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη δημοσιεύθηκε στο Physics Letters. Ο Higgs πήγε έπειτα για να δείξει ότι το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας θα μπορούσε να εξηγήσει με ποιό τρόπο σωματίδια που ήταν ήδη γνωστά τότε μπορούσαν να αποκτήσουν τη μάζα τους. Επιπλέον, η θεωρία του Higgs πρόβλεψε την ύπαρξη αυτού που το περιγράφει ως το «εναπομείναντα σωματίδιο». Αυτό το νέο σωματίδιο ήταν το μποζόνιο Higgs. Ο Higgs έστειλε αυτό το δεύτερο αποτέλεσμα στο ίδιο περιοδικό, Physics Letters, αλλά του είπαν ότι δεν ήταν κατάλληλο για σύντομη δημοσίευση και αναγκάστηκε έτσι να το στείλει σε ένα άλλο περιοδικό. Εντούτοις, άκουσε αργότερα μέσω ενός συναδέλφου ότι η εργασία του είχε απορριφθεί επειδή οι συντάκτες του περιοδικού θεώρησαν ότι «δεν ήταν προφανώς  σχετική με τη φυσική». Αρχικά ο Higgs αγανάκτησε, αλλά αργότερα συνειδητοποίησε ότι το πρώτο σχέδιο της εργασίας του «ήταν ελλιπές». Της πρόσθεσε δύο παραγράφους και την έστειλε σε ένα αμερικανικό περιοδικό, το Physical Review Letters, όπου έγινε αποδεκτή. Πάντως η επιστημονική κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής χρειάστηκε πολύ χρόνο για να αναγνωρίσει τη σημασία αυτής της εργασίας που είχε κάνει ο φυσικός του Εδιμβούργου. Ο Higgs θυμάται τις συζητήσεις πάνω στην εργασία του στα δύσπιστα ακροατήρια στο Χάρβαρντ και στο Princeton. «Με αντιμετώπιζαν σαν τρελάρα», θυμάμαι. «Στο τέλος της ημέρας δέχονταν ότι δεν ήμουν, αλλά δεν συνειδητοποίησαν τι χρήσιμο θα μπορούσαν να κάνουν με την εργασία». Τελικά, οι Weinberg και Salam – οι οποίοι είχαν δείξει ότι είχε κάνει λάθος ο Higgs – χρησιμοποίησαν το μηχανισμό Higgs για να κάνουν μία από τις μεγαλύτερες σημαντικές ανακαλύψεις στην ιστορία της φυσικής, όταν συνδύασαν τις ασθενείς και τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις σε μια ενιαία δύναμη την ηλεκτρασθενή. Οι Weinberg, Salam και ένας αμερικανός φυσικός, ο Sheldon Glashow, μοιράστηκαν πριν 20 ακριβώς χρόνια το βραβείο Νόμπελ του 1979 για τη φυσική για αυτήν την εργασία, και το μποζόνιο Higgs έγινε κομμάτι της φυσικής σωματιδίων. Αν και ο Higgs είναι λίγο γνωστός έξω από την κοινότητα της φυσικής, το όνομά του έγινε γνωστό στα βρετανικά ΜΜΕ το 2002 όταν δημοσιεύτηκε στο Scotsman μια διαφωνία του Higgs με τον Stephen Hawking. Σύμφωνα με τον Higgs, αυτός είχε κάνει μερικές παρατηρήσεις για έλλειψη επικοινωνίας μεταξύ του Hawking, που είναι πρώτιστα κοσμολόγος, και της κοινότητας των σωματιδιακών φυσικών. Τα δύο άτομα έχουν επιλύσει από τότε τις διαφορές τους, αν και ο Hawking ακόμα θεωρεί ότι το μποζόνιο Higgs δεν θα βρεθεί ποτέ. Ο Higgs και χιλιάδες άλλοι φυσικοί φυσικά είναι βέβαιοι ότι θα παρουσιαστεί μια μέρα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων  (LHC) του CERN. Εάν αυτό συμβεί τότε ο Higgs – και ενδεχομένως οι Englert και Brout – θα ετοιμάσουν τις βαλίτσες τους για την τελετή των βραβείων Νόμπελ στη Στοκχόλμη. Και εάν το μποζόνιο Higgs δεν μπορεί να βρεθεί στο LHC, οι φυσικοί θα έχουν ακόμα ένα τεράστιο πρόβλημα να λύσουν.

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ Α ΛΥΚΕΙΟΥ

ΟΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΠΟΥ ΑΚΟΛΟΥΘΟΥΝ ΕΧΟΥΝ ΑΝΑΡΤΗΘΕΙ ΣΤΟ BLOG ΤΟΥ ΣΥΝΑΔΕΛΦΟΥ ΔΙΟΝΥΣΙΟΥ ΜΑΡΓΑΡΗ

Ένα ωριαίο διαγώνισμα στην Κινηματική.

Ένα αυτοκίνητο τη χρονική στιγμή t=0 περνά από το σημείο Ο κινούμενο ευθύγραμμα με σταθερή ταχύτητα 15m/s. Μετά από χρονικό διάστημα 5s φτάνει στο σημείο Α. Στη συνέχεια αποκτά σταθερή επιτάχυνση,  οπότε περνά από το σημείο Β, τη χρονική στιγμή t₂=10s, με ταχύτητα 5m/s.

Θεωρείστε έναν άξονα x, στη διεύθυνση της κίνηση, όπως στο σχήμα, θέτοντας για το σημείο Ο,  x=0.

i)   Να βρεθεί η μετατόπισή του από το Ο μέχρι το Α.

ii)  Πόση είναι η επιτάχυνση του αυτοκινήτου μεταξύ των θέσεων Α και Β;

iii) Πόση είναι η απόσταση μεταξύ των σημείων Α και Β.

iv) Να χαράξετε στους παρακάτω άξονες τις γραφικές παραστάσεις της ταχύτητας και της θέσης του αυτοκινήτου σε συνάρτηση με το χρόνο.

Κινηματική. Ένα test 2011-12

Ένα σώμα κινείται ευθύγραμμα και στο σχήμα δίνεται η ταχύτητά του σε συνάρτηση με το χρόνο.

i)  Η κίνηση από 0-2s είναι …………..…………………………. ενώ από 2s-6s είναι …………….…………………………….

ii)  Ποιες προτάσεις είναι σωστές και ποιες λάθος

α)  Η αρχική ταχύτητα του σώματος είναι 8m/s.

β)  Ο ρυθμός μεταβολής της θέσης είναι σταθερός από 0s-2s.

γ)  Από 2s-6s η επιτάχυνση έχει την κατεύθυνση της ταχύτητας

δ) Από 2s-6s η επιτάχυνση έχει την κατεύθυνση της μεταβολής της ταχύτητας.

ε) Από 0-2s η ταχύτητα έχει την κατεύθυνση της μεταβολής της θέσης.

ii) Να βρεθεί η μετατόπισή του από 0-6s.

iii)  Να βρεθεί η επιτάχυνσή του στο χρονικό διάστημα από 2s-6s.

iv)  Ποια χρονική στιγμή το σώμα έχει ταχύτητα υ₁=5,2m/s;

v) Πόση είναι η μετατόπιση του σώματος από 0-2,5s;

Μονάδες 2+5+3+3+3+4=20

Απαντήσεις

Όριο και μείωση ταχύτητας αυτοκινήτου.

Ένα αυτοκίνητο κινείται ευθύγραμμα με ταχύτητα υ₀=108km/h, όταν μπαίνει σε κατοικημένη περιοχή. Τη στιγμή που το αυτοκίνητο περνά δίπλα από την πινακίδα που επιβάλλει όριο ταχύτητας υ₁=36k/h, ο οδηγός φρενάρει με αποτέλεσμα το αυτοκίνητο να αποκτήσει σταθερή επιτάχυνση (επιβράδυνση), οπότε μετά από 4s έχει αποκτήσει την επιθυμητή ταχύτητα, με την οποία συνεχίζει μέχρι την επόμενη πινακίδα, η οποία του επιτρέπει να αυξήσει ξανά την ταχύτητά του. Η απόσταση μεταξύ των δύο πινακίδων είναι 280m.

i)   Να υπολογίσετε την μεταβολή της ταχύτητας στη διάρκεια του φρεναρίσματος.

ii) Να βρεθεί η τιμή της επιτάχυνσης.

iii) Σε πόση απόσταση από την πρώτη πινακίδα το αυτοκίνητο έχει αποκτήσει ταχύτητα 10m/s;

iv) Πόσο χρόνο χρειάστηκε το αυτοκίνητο για να κινηθεί από τη μια πινακίδα μέχρι την άλλη;

v)  Θεωρώντας ότι η πρώτη πινακίδα βρίσκεται στη θέση x₀=0, καθώς και t₀=0 τη στιγμή που περνά δίπλα της το αυτοκίνητο, να κάνετε τις γραφικές παραστάσεις της ταχύτητας και της θέσης του αυτοκινήτου σε συνάρτηση με το χρόνο.

Απάντηση: