Tριάντα χρόνια από την ανίχνευση του μποζονίου Ζ, Thirty years of the Z boson

Η εικόνα λήφθηκε κατά τη διάρκεια του πειράματος UA1 στο CERN στις 30 Απριλίου 1983 και αργότερα επιβεβαιώθηκε ότι πρόκειται για την πρώτη ανίχνευση ενός σωματιδίου Ζ. Η χαρακτηριστική ένδειξη ήταν η διάσπαση του σωματιδίου σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο, τα οποία απομακρύνονταν μεταξύ τους με μεγάλη ταχύτητα. This image taken by the UA1 experiment at CERN on 30 April 1983 was later confirmed to be the first detection of a Z particle (Image: UA1/CERN)

Tην 1η Ιουνίου του 1983 (σαν σήμερα πριν από 30 χρόνια) οι φυσικοί στο CERN ανακοίνωσαν ότι πραγματοποίησαν την άμεση παρατήρηση του μποζονίου Ζ.

Η ανακάλυψη αυτή επιβεβαίωσε την ηλεκτρασθενή θεωρία, τον ακρογωνιαίο λίθο του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων, που είχε αναπτυχθεί στην δεκαετία του 1970.

Παρά το γεγονός ότι οι φυσικοί που εργάζονταν στον θάλαμο φυσαλίδων Gargamelle στο CERN, είχαν παρουσιάσει μια πρώτη έμμεση απόδειξη ύπαρξης του μποζονίου Ζ, μια δεκαετία νωρίτερα, η πρώτη οριστική επιβεβαίωσή του προέκυψε από τις έρευνες του επιταχυντή Super Proton Synchrotron (SPS) στο CERN.

Carlo Rubbia, head of the UA1 collaboration, and Herwig Schopper, CERN director general, announce the discovery of the Z boson. Photo: CERN

Στα τέλη της δεκαετίας του 1970 οι φυσικοί Carlo Rubbia, Peter McIntyre και David Cline υπέδιξαν την αναβάθμιση του SPS από έναν επιταχυντή μιας δέσμης σωματιδίων σε επιταχυντή δυο δεσμών. Με την σύγκρουση δυο δεσμών σωματιδίων – μιας πρωτονίων και μιας αντιπρωτονίων – γινόταν ενεργειακά δυνατή η παραγωγή σωματιδίων Ζ, καθώς επίσης και μποζονίων W.

Δύο ανιχνευτές, oι UA1 και UA2, είχαν τοποθετηθεί σε διαφορετικά σημεία γύρω από τον επιταχυντή για να συλλέξουν τα σωματίδια – προϊόντα από τις συγκούσεις υψηλών ενεργειών. Οι πειραματικοί φυσικοί άρχισαν να ψάχνουν στα δεδομένα του πειράματος το 1981, και μετά από δυο χρόνια βρήκαν τις πρώτες σαφείς αποδείξεις του μποζονίου Ζ.

Η ανακάλυψη του σωματιδίου Ζ (και W) έβγαλε στο προσκήνιο τη θεωρία του Higgs. Η ηλεκτρασθενής θεωρία έχει νόημα μόνο εάν υπάρχει ο μηχανισμός Higgs ή κάτι παραπλήσιο.

Oι θεωρητικοί φυσικοί έψαχναν να βρουν το πως θα έπρεπε να φαίνεται το σωματίδιο Higgs αν αυτό παραγόταν σε κάποιον επιταχυντή. Το 1976 οι John Ellis, Mary K. Gaillard και ο δικός μας Δημήτρης Νανόπουλος έγραψαν ένα άρθρο με τίτλο:

“A phenomenological profile of the Higgs boson“, στο οποίο εξηγούσαν πως θα μπορούσε να παραχθεί το σωματίδιο Higgs, σε ποια σωματίδια θα διασπώνταν και ποιές θα ήταν οι πιθανότητες παρατήρησής του σε διαφορετικούς επιταχυντές.

Το άρθρο έδινε επίσης και έναν προσεγγιστικό υπολογισμό του χρόνου ζωής του σωματιδίου Higgs (μεταξύ 600 μικρο-δευτερολέπτων και 0,01 του ενός εκατομμυριοστού του ενός δισεκατομμυριοστού του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου!).

Παρότι στο άρθρο ανέφεραν ότι:

” … δεν θέλουμε να ενθαρρύνουμε μεγάλα πειραματικά προγράμματα για το μποζόνιο Higgs, αλλά πιστεύουμε ότι όσοι εκτελούν πειράματα ευαίσθητα στο μποζόνιο Higgs θα πρέπει να γνωρίζουν πως αυτό θα μπορούσε να εμφανιστεί”, το άρθρο αυτό ήταν “οδηγός” για την κατασκευή του επιταχυντή – τον LHC – που θα ανίχνευε τελικά το σωματίδιο Higgs.

Η ανακάλυψη του Ζ ήταν ένας εξαιρετικός τεχνολογικός θρίαμβος που επιβεβαίωσε μια κρίσιμη πτυχή του Καθιερωμένου Προτύπου.

Η επιτυχία αυτή βοήθησε στο να πειστεί η επιστημονική κοινότητα για την κατασκευή του επιταχυντή LEP (Large Electron-Positron), που έκανε ακριβέστατες μετρήσεις των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων μέχρι στις 2 Νοεμβρίου του 2000.

Στη συνέχεια άνοιξε ο δρόμος για την κατασκευή του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων LHC (Large Hadron Collider) και την ανίχνευση του μποζονίου Higgs που πραγματοποιήθηκε πριν από έναν χρόνο.