Perusvuorovaikutukset

Transkriptio

1 Perusvuorovaikutukset Mikko Mustonen Mika Kainulainen CERN tutkielma Nurmeksen lukio Syksy 2009

2 Sisältö 1 Johdanto Perusvuorovaikutusten historia Teoria Gravitaatio Sähkömagneettinen vuorovaikutus Vahva vuorovaikutus Heikko vuorovaikutus Kaavojen selitykset Lähteet Painetut lähteet Painamattomat lähteet Kuvat Liitteet Liite 1 sähkömagneettinen säteily Liite 2 Neutronin beta-hajoaminen...18

3 1 Johdanto Esitelmämme käsittelee perusvuorovaikutusten (gravitaation, sähkömagneettisen-, heikon- ja vahvan vuorovaikutuksen) historiaa, teorioita, ilmenemismuotoja sekä niiden välisiä suhteita. Yritämme ymmärrettävästi ja havainnollisesti kertoa perusvuorovaikutusten perusluonteesta ja niihin liittyvistä kaavoista ilman muita tarkempia laskennallisia teorioita. 2 Perusvuorovaikutusten historia Eri perusvuorovaikutukset ovat alun perin olleet eräänlaisia selitysmalleja eri fysikaalisiin ilmiöihin, joiden on ajateltu vaikuttavan eri etäisyyksillä. Selitysmalleja käytettiin etenkin vaikeasti selitettävien ilmiöiden tulkitsemiseen. Gravitaation perusteet kehittivät 1600-luvulla eläneet tiedemiehet muun muassa Galileo Galilei ( ) sekä Isaac Newton ( ). Newtonin ensimmäisen lain eli jatkavuuden lain mukaan kappale, johon

4 ei vaikuta tai vaikuttavien voimien summa on nolla, pysyy levossa tai jatkaa liikettään suoraviivaisesti muuttumattomalla nopeudella. Newtonin ajatusmaailma oli hyvinkin ajastaan poikkeava, sillä yleinen käsitys oli, että liikkeeseen tarvittaisiin aina voimaa. Galilei tiesi jo ennen Newtonia, että voimaa tarvittiin vain kappaleen liiketilan muuttamiseen, joskin Newton täsmensi tätä ensimmäisessä sekä toisessa laissaan. Newtonin toinen laki eli dynamiikan peruslaki on skalaarisessa muodossaan F=ma. Newton esitti lain kuitenkin sanallisesti ja täsmällisesti se voidaan ilmoittaa moderneilla matemaattisilla merkinnöillä. Hän esitti siis kappaleeseen vaikuttavan voiman liikemäärän ja ajanmuutoksen avulla. Newtonin painovoimateorian idea oli kuitenkin alun perin Robert Hookelta. Newtonin ja Hookin ollessa kirjeenvaihdossa Hook esitteli hypoteesin, jonka mukaan aurinko vetää planeettoja puoleensa voimalla, joka on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Hän oli varmentunut siitä, että tämä aiheutti aurinkokuntamme planeetoille tyypillisen elliptisen radan. Newtonin lähettämässä vastauksessa hän sanoo, ettei ole koskaan kuullut kyseisestä teoriasta. Pian hän kuitenkin alkoi tutkia ongelmaa ja löysikin ratkaisun aurinkokuntamme planeettojen ratojen elliptisyyttä koskeneeseen kysymykseen. Ratkaisun löydettyään hän kuitenkin päätti salata tietonsa Hookilta, koska Newton koki Hookin kilpailijakseen. Newtonin perusideana oli, että eri kappaleiden välillä vaikuttaa vetovoimia ja taivaankappaleiden liikkeet tapahtuvat tämän voiman alaisena mekaniikan peruslakien mukaisesti. Newton ymmärsi, että Maassa tapahtuvien ilmiöiden takana on sama ilmiö, joka pitää Kuun Maata kiertävällä radalla.

5 Sähkömagnetismin historian isänä taas pidetään André-Marie Ampèrea ( ). Hän esitti nykyaikaisen sähkömagnetismin matemaattisen perusteorian: kaksi yhdensuuntaista virtajohdinta vaikuttavat aina toisiinsa magneettisella voimalla, joka on verrannollinen virranvoimakkuuksien tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden väliseen etäisyyteen. Ydinvoimaan kuuluvat heikko- ja vahva vuorovaikutus ovat historiassa melko uusia käsitteitä. Ydinvoima-termiä on käytetty vuodesta 1932, jolloin James Chadwick löysi neutronin. Alusta alkaen tavoitteena ydinfysiikassa on ollut ymmärtää atomiytimen ominaisuuksia ydinhiukkasparien välillä. Vuonna 1935 Hideki Yukawa teki ensimmäisen yrityksen selittää ydinvoiman luonnetta. Tämän teorian mukaan massiiviset bosonit (mesonit) toimivat välittäjinä kahden ydinhiukkasen eli nukleonin välisessä vuorovaikutuksessa. James Chadwick Hideki Yukawa

6 3 Teoria 3.1 Gravitaatio Gravitaatio on yksi neljästä vuorovaikutuksesta, ja se on helposti havaittavissa. Gravitaatiovoima eli yleisesti painovoima on gravitaatiovuorovaikutuksen aiheuttama voima, joka vetää kaikkia massallisia kappaleita toisiaan kohti. Muihin neljään perusvuorovaikutukseen verrattuna gravitaatio on heikoin. Gravitaatiovoimien vaikutuksesta ainetta on kasautunut erilaisiksi muodostumiksi mm. tähdiksi ja planeetoiksi. Gravitaatio on osallisena auringon ja Maan välisessä vuorovaikutuksessa ja kuun aiheuttamassa vuorovesi-ilmiöstä maapallolla. Painovoiman ansiosta mekin pysymme Maan pinnalla. Gravitaation yhteydessä puhutaan painovoiman kiihtyvyydestä g. Koska eri taivaankappaleilla on erilaiset massat ja säteet, niiden läheisyydessä vallitsevat putoamiskiihtyvyydet ovat erilaiset. Putoamiskiihtyvyys jonkin planeettamaisen kappaleen pinnalla on. Maan putoamiskiihtyvyys on n. 9,81 m/s 2 (eli 1g) ja vertailun vuoksi vastaavat lukemat vuoristoradoissa voivat hyvinkin olla 3-4,5g ja Auringolla putoamiskiihtyvyys on n. 273,95 m/s 2 (eli 27,9g).

7 Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria esittää painovoiman aika-avaruuden kaareutumisena massiivisten kappaleiden lähellä. Yksi fysiikan suurimmista ratkaisemattomista ongelmista on miksi massan hitaudella ja gravitaatiolla on havaittavissa suora yhteys. Nykyinen tiede kykenee selittämään gravitaatiota hyvin vähän. gravitaatiota ei ole kyetty selvittämään kvanteilla eikä se myöskään kuulu standardimalliin, mutta sen välittäjähiukkanen on alustavasti nimetty gravitoniksi. CERN:ssä sijaitsevan LHC-kiihdyttimen (Large Hadron Collider, suom. Suuri hadronitörmäytin) yksi tarkoituksista on selvittää gravitaation perusluonnetta sekä löytää toistaiseksi havaitsematon gravitoni. Sen havaitseminen on osoittautunut hyvin ongelmalliseksi, olettaen että se on olemassa. Koska gravitaatiovoima on hyvin heikko, sen aiheuttamien gravitaatioaaltojen olemassaoloa ei ole kyetty suoraan osoittamaan vaikka yleinen suhteellisuusteoria sen ennustaa. Gravitaatioaaltojen oletetaan olevan gravitonien koherentteja tiloja, kuten sähkömagneettiset aallot ovat fotonien koherentteja tiloja. Hankkeet kuten LIGO ja VIRGO, jotka etsivät gravitaatioaaltoja ovat vasta alkamassa. Gravitaatiolla oletetaan olevan myös vastakkainen antigravitaatiovoima, jonka olemassaolo eräiden teorioiden mukaan vaatisi painovoimaa hylkivän tai negatiivisen massan omaavan materiaalin olemassaolon. Mikäli antigravitaatio kyettäisiin todistamaan, sen voitaisiin ajatella mahdollistavan ns. ilmaisen energian olemassaolon.

8 3.2 Sähkömagneettinen vuorovaikutus Sähkömagneettinen vuorovaikutus on parhaiten tunnettu perusvuorovaikutus ja sen välittäjähiukkasia kutsutaan fotoneiksi eli valokvanteiksi. Ne ovat stabiileja välittäjähiukkasia, joilla ei ole lepomassaa eikä sähkövarausta. Sähkömagneettista vuorovaikutusta kuvaavan kvanttikenttäteorian, QED:n, mukaan kappaleet, jotka ovat sähkömagneettisessa vuorovaikutuksessa keskenään lähettävät jatkuvasti fotoneja ympärilleen joka suuntaan. Sähkömagneettinen vuorovaikutus pitää sisällään sähköisen ja magneettisen vuorovaikutuksen. Sähkömagneettinen vuorovaikutus sitoo elektronit ytimen ympärille. Kvanttikenttäteoria eli kvanttielektrodynamiikka (QED) on tarkin tunnettu fysikaalinen teoria. Maxwellin yhtälöt koostuvat neljästä yhtälöstä, jotka kuvaavat magneettisten kenttien käyttäytymistä ja niiden keskinäisiä vuorovaikutuksia. Yhdessä väliainerelaatioiden ja Lorentzin voiman kanssa Maxwelin yhtälöt selittävät koko sähkömagneettisen luonnonilmiön makroskooppisessa mittakaavassa. Fysiikassa Lorentzin voima on voima, jonka sähkömagneettinen kenttä aiheuttaa varattuun hiukkaseen. Yhtälöt ovat saaneet nimensä James Clerk Maxwellin mukaan ja häntä pidetäänkin nykyaikaisen sähkömagnetismin isänä. Maxwell kuvasi edellä mainitut ilmiöt vuonna 1861, joiden pohjalta Oliver Heaviside kokosi vuonna 1884 tunnetun Maxwellin neljän yhtälön kokoelman, jotka kuuluvat seuraavasti:

9 kuinka sähkövaraus tuottaa sähkökentän (Gaussin laki) kuinka magneettisia monopoleja ei ole olemassa (Gaussin laki magneettikentille) kuinka muuttuva magneettikenttä tuottaa sähkökentän (Faradayn induktiolaki) ja kuinka sähkövirta ja muuttuva sähkökenttä tuottavat magneettikentän (Ampèren laki + Maxwellin lisäys).

10 3.3 Vahva vuorovaikutus Vahva vuorovaikutus (värivoima, vahva voima, vahva ydinvoima) on vahvin neljästä hiukkasfysiikan standardimallin perusvuorovaikutuksesta. Se koostuu kahdesta erilaisesta voimasta, perus- ja jäännösvoimista. Perusvoima sitoo kvarkkeja yhteen muodostaen hadroneja eli alkeishiukkasia, joita ovat esimerkiksi protonit ja neutronit. Jäännösvoima pitää puolestaan hadroneja kiinni toisissaan eli huolehtii siitä, että atomien ytimet pysyvät kasassa sitomalla toisiinsa protoneja, joiden välillä on positiivisten varaustensa takia voimakas poistovoima. Protonien lisäksi vahva vuorovaikutus sitoo myös neutroneja sekä neutroneja ja protoneja toisiinsa. Vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on mittabosoneihin kuuluva gluoni. Vahvassa vuorovaikutuksessa olennaisessa osassa ovat mm. kvarkit ja hadronit. Kvarkeilla on ns. värejä, joita on kolme (sininen punainen ja vihreä). Jokaisella värillä on lisäksi oma antivärinsä. Eriväriset kvarkit vetävät toisiaan puoleensa (värivoima), kuten eri sähkövaraukset omaavat hiukkaset vetävät toisiaan. Muodostuvan hiukkasen on oltava kokonaisvärivaraukseltaan aina neutraali. Neutraali hiukkanen muodostuu kaikista kolmesta värivarauksesta tai antivärivarauksesta tai kvarkista ja sitä vastaavan antivärivarauksen omaavasta antikvarkista. Värivoima ulottuu myös hadronien ulkopuolelle ja tämä saa ytimet pysymään koossa (ydinvoima).

11 Vahvan vuorovaikutuksen vaikutusala on hyvin pieni, vain 0,4-2fm. Mikäli etäisyys kasvaa yli 2fm, vahva vuorovaikutus heikkenee hyvin nopeasti. Jos taas etäisyys on alle 0,4fm, vahva vuorovaikutus muuttuu vahvaksi hylkiväksi voimaksi. Se myös estää protoneita koskettamasta toisiaan. Nukleonin halkaisija on noin 1fm ja ytimen n. 10fm. Tämän takia ytimen vastakkaisilla puolilla olevien nukleonien välille ei synny vahvaa vuorovaikutusta, vaan se vaikuttaa ainoastaan vierekkäisten naapurinukleonien välillä. Tämä taas johtaa siihen, että monet raskaat atomit ovat epästabiileja niiden sisällä vaikuttavien löyhempien vuorovaikutusten vuoksi.

12 3.4 Heikko vuorovaikutus Heikko vuorovaikutus ei nimestään huolimatta ole heikoin perusvuorovaikutuslaji, joskin sen vuorovaikutuksen kantama on hyvin lyhyt, vain n m. Sille ominaisiin piirteisiin kuuluu mm. kyky vaihtaa hiukkasen toiseksi. Heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset ovat nimeltään välibosonit W +, Z 0 ja W -. Heikon vuorovaikutuksen ansiosta massiiviset kvarkit ja leptonit voivat hajota kevyemmiksi kvarkeiksi ja leptoneiksi. Alkeishiukkasten hajoaminen on kuitenkin hyvin merkillinen ilmiö, sillä sen seurauksena kyseinen hiukkanen häviää ja tilalle syntyy kaksi tai useampia massaltaan kevyempiä hiukkasia. Reaktiossa kuitenkin energia ja kokonaismassa säilyvät samoina, vaikka jokaisen uuden hiukkasen massa pienenee alkuperäisen hajonneen hiukkasen kokoon nähden. Beetahajoamisena tunnettu ilmiö oli ensimmäinen heikon vuorovaikutuksen alaisuuteen liittyvä ilmiö, mutta myöhemmin on löydetty lukuisia muita samankaltaisia reaktioita. Radioaktiivisessa β + -hajoamisessa atomin ytimessä protonin kvarkkirakenne muuttuu uud:sta uudeksi kokoonpanoksi udd. Tämä on seurausta heikosta vuorovaikutuksesta, jolloin yksi kvarkki vaihtaa makua, eli yksi u-kvarkki vaihtuu d-kvarkiksi. Samaan aikaan emittoituu välibosoni W +, joka muuttuu positroniksi e + ja neutriinoksi v. Neutroni kykenee hajoamaan sekä vapaana, että atomien ytimessä β - -hajoamisessa. Beetasäteily on siis seurausta heikosta vuorovaikutuksesta.

13 4 Kaavojen selitykset F=ma o F = voima o m = massa o a = kiihtyvyys o (ei löytynyt selitystä) o g = putoamiskiihtyvyys o R = etäisyys planeetan keskipisteestä o M = planeetan massa o G=gravitaatiovakio o = pintaintegraali pinnan A yli o = sähkövuon tiheys (yksikkönä C/m 2 ) o = pinnan differentiaalisen neliön pinta-ala siten, että ulospäin suuntautuva normaalivektori määrää sen suunnan o Q A = pinnan sisäänsä sulkema varaus

14 o = (ei löytynyt selitystä) o B = magneettivuon tiheys o = pinnan differentiaalisen neliön pinta-ala siten, että ulospäin suuntautuva normaalivektori määrää sen suunnan o p i = pinnan sisäänsä sulkemien magneettisten napojen voimakkuuksien summa o E ind = virtasilmukkaan indusoituva jännite o Φ M = silmukan läpäisevän magneettivuon muutos o o o o o = polkuintegraali suljettua käyrää S pitkin = magneettivuon tiheys = infinitesimaalisen pieni alkio (differentiaali) suljetusta käyrästä = on vapaan avaruuden permeabiliteetti = käyrän C sisäänsä sulkeman alueen läpi kulkeva virta (eli virrantiheyden pintaintegraali)

15 5 Lähteet 5.1 Painetut lähteet Fysiikka 8, Aine ja säteily (Tammi) 5.2 Painamattomat lähteet Kuvat

16

17 6 Liitteet 6.1 Liite 1 sähkömagneettinen säteily

18 6.2 Liite 2 Neutronin beta-hajoaminen Neutroni (udd) hajoaa protoniksi (uud), elektroniksi ja antineutriinoksi. Tätä kutsutaan neutronin betahajoamiseksi. Kuva 1: Neutroni (varaus = 0) koostuu yhdestä ylös- (u) ja kahdesta alas-kvarkista (d). Kuva 2: Yksi alas-kvarkki (d) muuttuu ylös-kvarkiksi (u). Koska alas-kvarkilla on varaus -1/3 ja ylös-kvarkilla on varaus 2/3, prosessin välitilassa esiintyy virtuaalinen W- hiukkanen, joka kumoaa (-1) varauksen (joten kokonaisvaraus säilyy!) Kuva 3: Uusi ylös kvarkki irtoaa emittoituvasta W-:sta. Neutronista on tullut nyt protoni. Kuva 4: Elektroni ja antineutriino syntyvät virtuaalisesta W-bosonista. Kuva 5: Protoni, elektroni ja antineutriino liikkuvat poispäin toisistaan.