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.

Το πρωτόνιο συρρικνώθηκε, Shrunken Proton Baffles Scientists

The proton's three quarks are (mostly) confined within a region 0.87 femtometers wide — or is it 0.84? Image: Flickr/Argonne National Laboratory

Η ακτίνα φορτίου του πρωτονίου υπολογίστηκε μικρότερη σε νέες μετρήσεις φέρνοντας πονοκέφαλο στους επιστήμονες

Το μήκος της ακτίνας του πρωτονίου – ή, πιο συγκεκριμένα, της ακτίνας του φορτίου του – έχει αναδειχθεί τα τελευταία χρόνια σε έναν από τους μεγάλους πονοκεφάλους των φυσικών. Μετρήσεις που είχαν γίνει το 2010 και επαναλήφθηκαν πρόσφατα με μια ακριβέστερη μέθοδο βρίσκουν το σωματίδιο σημαντικά μικρότερο από ό,τι εθεωρείτο ως τώρα.

Η ανακάλυψη φέρνει τα πάνω κάτω στις υπάρχουσες θεωρίες καθώς επιδέχεται διάφορες ερμηνείες – από την πιο «βολική», που αφορά μια όπως φαίνεται όχι και τόσο σπάνια αλληλεπίδραση των υποατομικών σωματιδίων, ως την πιο «ριζοσπαστική», που απαιτεί αναθεώρηση του Kαθιερωμένου Μοντέλου.

«Άπιαστο» μέτρο

Measurements with lasers have revealed that the proton may be a touch smaller than predicted by current theories. PSI / F. Reiser

Αντίθετα με το ηλεκτρόνιο, το οποίο είναι ένα μεμονωμένο σημείο, το πρωτόνιο, το οποίο αποτελείται από τρία γλουόνια, έχει ένα πεπερασμένο μέγεθος – το ηλεκτρικό και το μαγνητικό φορτίο του κατανέμονται σε έναν συγκεκριμένο όγκο και άρα το καθένα από αυτά έχει μια ακτίνα με συγκεκριμένο μήκος. Το μήκος των ακτίνων αυτών, το οποίο προσδιορίζει και το μέγεθος του πρωτονίου, είναι ωστόσο αδύνατον να μετρηθεί άμεσα. Μπορεί να υπολογιστεί μόνο με έμμεσο τρόπο.

Οι «παραδοσιακές» μέθοδοι εξήγαν το μήκος της ακτίνας του ηλεκτρικού φορτίου του πρωτονίου μελετώντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και πρωτονίων. Συγκεκριμένα μετρούσαν τις αποστάσεις της τροχιάς του πρώτου από το δεύτερο – οι οποίες υποδηλώνουν μεταπτώσεις σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα – συνήθως στο απλούστερο άτομο, αυτό του υδρογόνου.

Οι μετρήσεις του είδους είχαν υπολογίσει την ακτίνα του ηλεκτρικού φορτίου του πρωτονίου περίπου στα 0,877 φεμτόμετρα (λιγότερο από ένα τρισεκατομμυριοστό του χιλιοστού).

Βόμβα φεμτομέτρων

Η ακτίνα φορτίου του πρωτονίου υπολογίστηκε μικρότερη σε νέες μετρήσεις φέρνοντας πονοκέφαλο στους επιστήμονες.

Το 2010 μια διεθνής ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Ράντολφ Πολ του Ινστιτούτου Κβαντικής Φυσικής Μαξ Πλανκ στο Γκάρχινγκ της Γερμανίας χρησιμοποίησε μια καινούργια τεχνική. Οι ερευνητές δημιούργησαν στον επιταχυντή «εξωτικά» άτομα υδρογόνου όπου τα ηλεκτρόνια είχαν αντικατασταθεί από μιόνια. Τα μιόνια έχουν ίδιο φορτίο με τα ηλεκτρόνια αλλά μεγαλύτερο μέγεθος από αυτά, επιτρέποντας κατά 200 φορές ακριβέστερες μετρήσεις.

Η νέα μέθοδος «κατέβασε» το μήκος της ακτίνας του πρωτονίου στα 0,8418 φεμτόμετρα. Η διαφορά, της τάξης του 4%, στον μικρόκοσμο της Σωματιδιακής Φυσικής είναι κάτι παραπάνω από υπολογίσιμη και η δημοσίευση της μελέτης στην επιθεώρηση «Nature» είχε προκαλέσει τότε πραγματικό σκάνδαλο. Κάποιοι είχαν αμφισβητήσει τη μέθοδο του κ. Πολ ενώ άλλοι μιλούσαν για επανάσταση που αμφισβητεί το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Τώρα ο κ. Πολ και οι συνεργάτες του επανέλαβαν τις μετρήσεις τους, πάλι σε μιονικά άτομα υδρογόνου, αλλά με μια άλλη προσέγγιση η οποία επιτρέπει ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια – κατά 1,7 φορές – από εκείνη του 2010. Οι νέοι υπολογισμοί, οι οποίοι δημοσιεύθηκαν στην επιθεώρηση «Science», έδωσαν μια τιμή πολύ κοντά στην προηγούμενη – περίπου 0,8408 φεμτόμετρα.

Οι πιθανές ερμηνείες

Aldo Antognini and Franz Kottmann in PSI's large experimental hall. (Credit: Image courtesy of Paul Scherrer Institut)

Η δημοσίευση επανέφερε στο προσκήνιο τη διαμάχη που είχε ξεκινήσει πριν από τρία χρόνια. Μιλώντας στο περιοδικό «New Scientist», ο κ. Πολ δήλωσε ότι τα αποτελέσματά του μπορεί να έχουν τρεις πιθανές ερμηνείες. Η πρώτη είναι το πείραμά του να έχει πραγματικά κάποια λάθη, κάτι το οποίο δεν είναι και τόσο πιθανό. Η δεύτερη είναι το πείραμα να έχει πέσει εντελώς έξω, κάτι το οποίο, όπως τόνισε, «θα ήταν υπερβολικά πληκτικό».

Η τρίτη και πιο συναρπαστική εξήγηση σύμφωνα πάντα με τον επιστήμονα, είναι ότι ενδεχομένως τα μιόνια αλληλεπιδρούν με τα πρωτόνια με διαφορετικό τρόπο από ό,τι τα ηλεκτρόνια – κάτι το οποίο προϋποθέτει την «παρεμβολή» σωματιδίων τα οποία είναι αυτή τη στιγμή άγνωστα αλλά ενδεχομένως θα μπορούσαν να λύσουν πολλά μυστήρια, όπως αυτό της σκοτεινής ύλης.

Ο Τζέραρντ Μίλερ του Πανεπιστημίου της Γουόσινγκτον στο Σιάτλ, ο οποίος δεν μετείχε στο πείραμα, προτείνει ωστόσο στο ίδιο περιοδικό μια πιο «πεζή» εκδοχή, η οποία μπορεί να εξηγήσει παλιές και νέες μετρήσεις χωρίς να χρειάζεται άγνωστα σωματίδια. Όπως επισημαίνει, σύμφωνα με την κβαντική ηλεκτροδυναμική δυο φορτισμένα σωματίδια μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ανταλλάσσοντας ένα φωτόνιο – «σαν να πετάνε το ένα στο άλλο μια μπάλα του μπάσκετ». Η θεωρία όμως προβλέπει και ένα άλλο είδος αλληλεπίδρασης, όπου τα σωματίδια ανταλλάσσουν δυο φωτόνια – «σαν ζογκλέρ». Ως τώρα κάτι τέτοιο εθεωρείτο εξαιρετικά σπάνιο, ίσως όμως τελικά και να μην είναι τόσο.

Η απάντηση αναμένεται να δοθεί μέσα στα επόμενα χρόνια, με νέα και πιο εξελιγμένα πειράματα που εκτιμάται ότι θα ρίξουν περισσότερο φως στο ζήτημα.