Η πειραματική ανακάλυψη των φορέων της ασθενούς αλληλεπίδρασης
Το Νόμπελ Φυσικής του 1984

Άρθρο, Ιανουάριος 2003

Το 1984 το βραβείο Νόμπελ Φυσικής απονεμήθηκε από κοινού στον Ιταλό Carlo Rubbia (1934) και στον Ολλανδό Simon Van der Meer (1925) του CERN, για τις αποφασιστικές συμβολές τους σε ένα μεγάλο ερευνητικό πρόγραμμα, το οποίο οδήγησε στην ανακάλυψη των σωματιδίων W και Z, τους φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης, πριν 20 χρόνια.

Η ασθενής αλληλεπίδραση είναι ένα από τα τέσσερα θεμελιώδη πεδία δυνάμεων στον κόσμο. Λειτουργεί βαθιά μέσα στην  ύλη όπου βρίσκονται τα κουάρκ καθώς και τα λεπτόνια. Παραδείγματα όπου ενεργοποιούνται οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις  είναι μερικές από τις ραδιενεργές αποσυνθέσεις και επίσης οι πυρηνικές διαδικασίες στον ήλιο.

Την εποχή της δεκαετίας του '70 υπήρχε η θεωρητική βάση ότι οι φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης είναι κάποια εξαιρετικά βαριά, άγνωστα μέχρι τότε σωματίδια, τα W και Z. Το 1976 ο Carlo Rubbia παρουσίασε μια ιδέα να μετατρέψει ένα μεγάλο επιταχυντή του CERN σε ένα αποθηκευτικό δακτύλιο για πρωτόνια και αντιπρωτόνια. Τα σωματίδια W και Z θα μπορούσαν να παραχθούν σε βίαιες μετωπικές συγκρούσεις μεταξύ των αποθηκευμένων σωματιδίων. Ο άλλος βραβευμένος Simon Van der Meer είχε εφεύρει μια έξυπνη μέθοδο τόσο για την πυκνή συσσώρευση όσο και για την αποθήκευση των πρωτονίων, που στο πείραμα του CERN εφαρμόστηκε και για τα αντιπρωτόνια. Έτσι η ιδέα του Rubbia και η εφεύρεση του Van der Meer συνδυάστηκαν σε ένα μεγάλο πρόγραμμα.

Προκειμένου να παραχθούν περίπου δέκα σωματίδια φορείς, θα έπρεπε να συμβούν δισεκατομμύρια συγκρούσεις Για το λόγο αυτό ο αριθμός των αντιπρωτονίων έπρεπε να ήταν τεράστιος - αρκετά δισεκατομμύρια.

Το 1981 άρχισαν να γίνονται και οι πρώτες συγκρούσεις στο Μεγάλο Επιταχυντή  του CERN. Η ανακάλυψη του W+ και W- , με μάζες γύρω στα 81 GeV, αναγγέλθηκε τον Ιανουάριο του 1983 από τον Rubbia και μια μεγάλη διεθνή ομάδα ερευνητών, που βασίστηκαν σε στοιχεία από τα σήματα των ανιχνευτών, οι οποίοι σχεδιάστηκαν ειδικά για αυτήν την θεμελιώδη εργασία.

Ενώ 10 μήνες αργότερα ανιχνεύτηκαν τα ουδέτερα  σωματίδια Ζ⁰ με μάζα περίπου 93 GeV. Έτσι μετά από πενήντα χρόνια θεωρητικής εργασίας εξηγήθηκε πλήρως η ασθενής αλληλεπίδραση.

Αυτό το ερευνητικό πρόγραμμα στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN),  ήταν ένα από τα μεγαλύτερα πειράματα που βραβεύτηκαν με βραβείο Νόμπελ. Τα δύο κεντρικά πρόσωπα του προγράμματος ήταν  ο Carlo Rubbia που είχε  αναπτύξει αυτή την ιδέα, και ο Simon Van der Meer , που με μια ανακάλυψη του το έκανε εφικτό.

Ο ρόλος των σωματιδίων W και Z

Όπως γνωρίζουμε κατά την βήτα διάσπαση ενός ελεύθερου νετρονίου σε πρωτόνιο η ενέργεια που πλεονάζει, ελευθερώνεται με ακτινοβολία γ, με τη μορφή ηλεκτρονίου και ενός αντινετρίνο. Η υπόθεση του νετρίνο είχε δοθεί από τον Pauli το 1930 σαν μια "απεγνωσμένη δικαιολόγηση" των προβλημάτων διατήρησης της ορμής και της ενέργειας που ανέκυψαν κατά τις διασπάσεις- β.

Μετά από έρευνες 50 ετών περίπου  οι επιστήμονες έμαθαν ότι η δημιουργία του ηλεκτρονίου με το συνοδευτικό του αντινετρίνο γίνεται σε δύο στάδια, κατά τη διάσπαση του νετρονίου. Στο πρώτο ενδιάμεσο βήμα εκπέμπεται ο φορέας της ασθενούς δύναμης W^- - σε άλλες διαδικασίες εκπέμπεται το W ⁺ ή ακόμα κι ένα Z⁰ . Στο τελικό στάδιο - λίγο αργότερα   - το σωματίδιο W εξαφανίζεται και μεταφέρει την ενέργεια, την ορμή  κ.λπ. στο αντινετρίνο και στο ηλεκτρόνιο. Τα χρονικά διαστήματα όπως και οι αποστάσεις εντός των οποίων γίνεται το φαινόμενο, είναι πάρα πολύ μικρά. Το ίδιο συμβαίνει και για το Ζ⁰ .

Άλλα χαρακτηριστικά παραδείγματα διασπάσεων βήτα είναι η διάσπαση του θετικού πιονίου, p⁺ -> p⁰ + e + v καθώς και η σύλληψη του μιονίου από ένα ελεύθερο πυρήνα υδρογόνου, µ^-+ p -> n + v.

Σχέση με τις ηλεκτρικές δυνάμεις

Η ιδέα της εισαγωγής των φορέων στις αλληλεπιδράσεις είναι παλαιά στη φυσική. Χρησιμοποιείται στη σύγχρονη επεξεργασία των ηλεκτρικών δυνάμεων. Δύο φορτισμένα σωματίδια (πχ ηλεκτρόνια) αλληλεπιδρούν από μακριά μέσω της ανταλλαγής φωτονίων, σαν να ρίχνουν σφαίρες το ένα στο άλλο.

Το βραβείο Νόμπελ στη φυσική το 1979 απονεμήθηκε στους Sheldon Glashow, Abdus Salam και Steven Weinberg για τη μαθηματική τους θεωρία της ασθενούς αλληλεπίδρασής. Αυτή η θεωρία όχι μόνο έλυσε μερικές δυσκολίες σχετικά με την άμεση διαδικασία αλλά ήταν βασισμένη στην ομοιότητα μεταξύ των ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Εκτός από τους δύο βαρείς φορτισμένους φορείς W ⁺ και W ^- , η θεωρία περιέχει δύο ουδέτερους φορείς - ο ένας ήταν το βαρύ Ζ⁰, κι ο άλλος φορέας το άμαζο φωτόνιο. Το βαρύ Ζ⁰ αντιπροσωπεύει κάτι το απολύτως νέο.

Η πρώτη παρατήρηση της επίδρασης του νέου τύπου ασθενούς αλληλεπίδρασης (λόγω του φορέα Ζ^ο) έγινε το 1973 στο Ευρωπαϊκό Πυρηνικό Ερευνητικό Εργαστήριο, (CERN), στη Γενεύη σε ένα πείραμα όπου πυρήνες βομβαρδίστηκαν με μια δέσμη νετρίνων, στην αίθουσα φυσαλίδων Gargamelle.

Το μεγάλο πρόγραμμα στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN)

Δεν μπορούσαμε όμως να είμαστε σίγουροι ότι οι φορείς των ασθενών δυνάμεων υπήρχαν εφ' όσον παρέμειναν κρυμμένοι. Για να πειστούμε, έπρεπε να παραχθούν σε ελεύθερη μορφή. Όπως η ύπαρξη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που προβλέφθηκαν θεωρητικά από τον Maxwell έγινε πιστευτή όταν τα ραδιοκύματα ανακαλύφθηκαν από τον Hertz,  έτσι και τα W και το Ζ ανιχνεύθηκαν κατά πειστικό τρόπο στο CERN.

Το πρόγραμμα αυτό άρχισε το 1976 αλλά οι ενέργειες κατά τις συγκρούσεις δεν ήταν τόσο μεγάλες ώστε να μπορέσουν οι επιστήμονες να ανιχνεύσουν τους φορείς W ή Ζ.

Ο Simon Van der Meer είχε εφεύρει μερικά έτη νωρίτερα μια έξυπνη μέθοδο για να 'πακετάρει' πρωτόνια. Τα πρωτόνια  στρέφονται μέσα σε θάλαμο κενού με τη βοήθεια μαγνητικών πεδίων. Η μέθοδος ήταν τόσο περίπλοκη, που οι εμπειρογνώμονες του CERN την βρήκαν πολύ δύσκολη. Παρόλα αυτά την δοκίμασαν και πέτυχαν να πάρουν ένα ρεύμα αντιπρωτονίων. Οι πρώτες συγκρούσεις στον επιταχυντή "σύγχροτρο" πρωτονίων έγιναν στο καλοκαίρι του 1981 και τα πειράματα άρχισαν το Νοέμβριο του ίδιου έτους.