30 χρόνια από την ανίχνευση του μποζονίου W, Carrying the weak force: Thirty years of the W boson

Στις 25 Ιανουαρίου 1983 το CERN ανακοίνωσε την ανακάλυψη του μποζονίου W. Από αριστερά προς τα δεξιά: Carlo Rubbia, Simon van der Meer, Herwig Schopper, Erwin Gabathuler, Pierre Darriulat. On 25 January 1983 CERN announced the discovery of the W boson. Left to right: Carlo Rubbia, Simon van der Meer, Herwig Schopper, Erwin Gabathuler, Pierre Darriulat (Image: CERN)

Το μποζόνιο W± είναι ένα από τα πέντε σωματίδια που είναι υπεύθυνα για την διάδοση των δυνάμεων της φύσης.

Πρόκειται για ένα ηλεκτρικά φορτισμένο στοιχειώδες σωματίδιο (εμφανίζεται με θετικό ή αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο) που μαζί με το ηλεκτρικά ουδέτερο Z μποζόνιο είναι υπεύθυνα για τη τη δύναμη που είναι γνωστή ως ασθενής πυρηνική.

Το μποζόνιο W είναι υπεύθυνο για δύο από τις πιο εκπληκτικές ανακαλύψεις του 20ου αιώνα -ότι η φύση έχει προτίμηση προσανατολισμού δεξιά-αριστερά (“χειραλικότητα”) και ότι η φυσική της αντι-ύλης είναι ανεπαίσθητα διαφορετική από τη φυσική του κόσμου που βλέπουμε γύρω μας και που αποτελείται από ύλη.

Το σωματίδιο W είναι πολύ βαρύ, πράγμα που σημαίνει ότι οι επιδράσεις του έχουν πολύ μικρό βεληνεκές και ότι είναι πολύ ασθενείς στη κλίμακα ενεργειών της καθημερινής ζωής.

Συνεπώς, η επίδραση αυτών των σωματιδίων είναι δυσδιάκριτη αλλά σημαντική! Για παράδειγμα, το σωματίδιο W μπορεί να αλλάξει τη φύση ενός αλληλεπιδρώντος σωματιδίου, μετατρέποντας ένα ηλεκτρόνιο σε νετρίνο ή ένα «κάτω» κουάρκ σε ένα «άνω» κουάρκ .

Αυτό είναι σημαντικό για την πυρηνική σύντηξη, που δίνει ενέργεια στον ήλιο, αφού αυτή εμπεριέχει την μετατροπή πρωτονίων σε νετρόνια. Τέλος, το σωματίδιο W παρέχει το μόνο κατοχυρωμένο μηχανισμό που επιτρέπει τη διαφορετική εξέλιξη της ύλης και της αντιύλης.

Όταν W μποζόνια παράγονται σε επιταχυντές σωματιδίων, ζουν μόνο για περίπου 10-25 δευτερόλεπτα, αλλά μας παρέχουν πολύ σημαντικές πληροφορίες για τον έλεγχο του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής.

Μεταφέροντας την ασθενή αλληλεπίδραση. The positive and negative W bosons carry out the charge changing weak interactions, while the neutral Z boson carries out the neutral current weak interactions.

Η ανακάλυψη έγινε μετά από τρία χρόνια έρευνας στο CERN με το Super Proton Synchrotron (SPS) – μια μηχανή που αρχικά σχεδιάστηκε για να επιταχύνει δέσμες πρωτονίων – και λειτούργησε ως ο πρώτος στον κόσμο επιταχυντής πρωτονίων-αντιπρωτονίων.

Το 1976 οι φυσικοί Carlo Rubbia, Peter McIntyre και David Cline πρότειναν την τροποποίηση του SPS, από έναν επιταχυντή με μια δέσμη, σε επιταχυντή με δύο δέσμες – μια δέσμη πρωτονίων με μια δέσμη αντιπρωτονίων – αυξάνοντας έτσι κατά πολύ ενέργεια σύγκρουσης δυγκριτκά με έναν επιταχυντή μιας δέσμης που προσπίπτει σε σταθερό στόχο.

O Simon van der Meer (δεξιά) με τον Carlo Rubbia στο CERN.

Παρότι ο Simon van de Meer  στο CERN, ήδη είχε εφεύρει έναν τρόπο παραγωγής και αποθήκευσης ισχυρών δεσμών πρωτονίων ή αντιπρωτονίων, η μετατροπή του SPS ήταν μια πρωτότυπη και τολμηρή κίνηση.

Δύο μετακινούμενοι ανιχνευτές, UA1 και UA2, χρησιμοποιήθηκαν για την ανίχνευση των «υπογραφών» των σωματιδίων W, ανάμεσα στα προϊόντα της σύγκρουσης πρωτονίων-αντιπρωτονίων. Η λήψη δεδομένων άρχισε το 1981.

Το πρώτο γεγονός που αντιστοιχούσε σε μποζόνιο W βρέθηκε τον Νοέμβριο του 1982 και ανακοινώθηκε σε συνέδριο σχετικά με συγκρούσεις πρωτονίων-αντιπρωτονίων, στη Ρώμη τον Ιανουάριο του 1983.

In a seminar on 20 January 1983, CERN physicist Carlo Rubbia announces six candidate W events for the UA1 experiment (Video: CERN/BBC )

Σε ένα σεμινάριο στις 20 Ιανουαρίου 1983, ο Carlo Rubbia ανακοίνωσε έξι γεγονότα που αντιστοιχούσαν στο μποζόνιο W που ανιχνεύθηκαν στον UA1.

Ο Luigi Di Lella ανακοίνωσε άλλα 4 γεγονότα που ανίχνευσε ο UA2 σε ένα κατάμεστο αμφιθέατρο του CERN το επόμενο απόγευμα. Στις 25 Ιανουαρίου, το CERN ανακοίνωσε την ανακάλυψη στο κοινό.

Η ανακάλυψη ήταν τόσο σημαντικό γεγονός που ένα χρόνο αργότερα ο Carlo Rubbia, ο εμπνευστής της μετατροπής του επιταχυντή και υπεύθυνος του πειράματος UA1, μοιράστηκε το βραβείο με τον Simon van der Meer, του οποίου η τεχνολογία ήταν ζωτικής σημασίας για τη λειτουργία του επιταχυντή.