Το ΦΩΤΟΝΙΟ και τα W, Ζ

Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης (ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή πυρηνική, ασθενής πυρηνική και βαρύτητα) μεταδίδονται με την βοήθεια σωματιδίων. Αυτοί οι “φορείς” των δυνάμεων αλληλεπιδρούν με τα κουάρκ και τα λεπτόνια και σχηματίζουν την ύλη που γνωρίζουμε.

Τα σωματίδια “μεσολαβητές” των δυνάμεων έχουν ακέραιο κβαντικό αριθμό σπιν και λατρεύουν να συνωστίζονται στην ίδια κβαντική κατάσταση. Η συμπεριφορά τους αυτή τα κατατάσσει σε μια ειδική κατηγορία σωματιδίων που ονομάζονται μποζόνια (bosons, από το όνομα του Ινδού φυσικού Satyendra Neth Bose). Επειδή καθεμία θεμελιώδης δύναμη συνδέεται με μια συμμετρία βαθμίδας (gauge symmetry) αποκαλούνται και gauge bosons. 

Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη “μεταφέρεται” με το φωτόνιο, ένα ηλεκτρικά ουδέτερο μποζόνιο, που είναι γνωστό από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, και αλληλεπιδρά μόνο με φορτισμένα λεπτόνια και κουάρκ. Το φωτόνιο συμβολίζεται με το γράμμα γ, δεν διασπάται, δεν έχει μάζα, και έχει σπιν ίσο με ħ.

Οι ηλεκτρικές δυνάμεις, για παραδειγμα, που συγκρατούν τα άτομα, μεταφέρονται από τα φωτόνια που πηγαινο-έρχονται ανάμεσα στα φορτισμένα σωματίδια του ατόμου. Αυτά τα φωτόνια στο εσωτερικό του ατόμου είναι οι μεσολαβητές της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης και ονομάζονται δυνητικά φωτόνια.

Η ηλεκτρασθενής θεωρία, η οποία “παντρεύει” την ηλεκτρομαγνητική με την ασθενή δύναμη, απαιτεί τρεις “φορείς” της ασθενούς δύναμης : ένα ουδέτερο σωματίδιο, το Ζ⁰ , και δύο ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, το W⁺ και το W^– . Τα φορτισμένα σωματίδια W (από την αγγλική λέξη “weak”) είχαν προταθεί ήδη από την δεκαετία του 1930, ενώ το ουδέτερο Ζ ήταν μία πρόβλεψη της ηλεκτρασθενούς ενοποίησης. Τα τρία αυτά σωματίδια είναι μποζόνια με σπιν  ħ και συχνά τα αποκαλούμε  “ενδιάμεσα διανυσματικά μποζόνια”.

Η ασθενής και η ηλεκτρομαγνητική είναι ουσιαστικά η ίδια δύναμη. Η προφανής διαφορά τους προκύπτει, επειδή οι μεσολαβητές της ασθενούς δύναμης έχουν μάζα, ενώ το φωτόνιο, το οποίο μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, δεν έχει. Η μεγάλη μάζα των μεσολαβητών  W (80,4GeV/c² ) και Ζ (91,2 GeV/c² ) που προκύπτει από τον μηχανισμό Higgs, περιορίζει την εμβέλεια της ασθενούς δύναμης σε τιμές μικρότερες από 10^-17 m.

Οι φορτισμένοι μεσολαβητές της ασθενούς δύναμης W δηλώνουν την παρουσία τους μέσω μιας “ροής” ηλεκτρικού φορτίου, που παρατηρείται και στην ραδιενεργό β-διάσπαση. Σε αυτήν την ασθενή αλληλεπίδραση έχουμε την μετατροπή ενός νετρονίου σε πρωτόνιο ή ενός πρωτονίου σε νετρόνιο στο εσωτερικό ενός πυρήνα με την ταυτόχρονη εκπομπή ενός ηλεκτρονίου ή ενός ποζιτρονίου και αόρατων νετρίνων :

n (udd) → p (uud) + W^– →  p (udu) + e^–  + ṽ_e 

p (uud) → n (udd) + W⁺ →  n (udd) + e⁺  + ν_e  

δηλαδή, η διάσπαση του νετρονίου δεν είναι τίποτε περισσότερο από την μετατροπή ενός d κουάρκ σε ένα u κουάρκ :

d  →  u  +  W^– 

με την ταυτόχρονη παραγωγή ενός W^–  σωματιδίου, το οποίο πολύ γρήγορα (σε 10^-25 s) διασπάται σε ένα ζεύγος λεπτονίων (ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο του ηλεκτρονίου):

W^–  → e^–  + ṽ_e   

H ασθενής αλληλεπίδραση των κουάρκ αλλάζει την γεύση τους και μετατρέπει ένα κουάρκ με φορτίο – e/3 (d, s ή b) σε κουάρκ με φορτίο 2e/3  (u, c ή t), ενώ ταυτόχρονα εκπέμπεται ένα μποζόνιο W^– . Συμβαίνει, επίσης, και η αντίστροφη διαδικασία με την εκπομπή ενός μποζονίου W⁺ .

Επομένως, στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις δεν διατηρείται η γεύση των κουάρκ, αλλά διατηρείται μόνο το χρώμα τους.

Στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις των λεπτονίων, μπορεί ένα φορτισμένο λεπτόνιο να μετατραπεί στο αντίστοιχό του νετρίνο, με ταυτόχρονη εκπομπή ενός μποζονίου W^– 

e^–  →  ν_e  + W^– 

ή και αντίστροφα.

Πάντοτε, όμως, συμμετέχουν λεπτόνια της ίδιας γενιάς :

e⁺  + e^–   →  Z⁰   →   ν_μ    +   ṽ_μ   

ώστε να διατηρείται ο λεπτονικός αριθμός της γενιάς.

Τα διανυσματικά μποζόνια W και Ζ αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, αλλά και με το φωτόνιο.

✏️   Χρησιμοποίησε την ασθενή αλληλεπίδραση u → d + W⁺  → d + μ⁺  + ν_μ  , για να ανακαλύψεις τον τρόπο που διασπάται το πιόνιο π⁺ (uđ). 

η ανακάλυψη

Από την δεκαετία του 1970 οι φυσικοί ξεκίνησαν να επεξεργάζονται τρόπους, για να παράγουν αρκετή ενέργεια, ώστε να δημιουργήσουν τους μεσολαβητές της ασθενούς αλληλεπίδρασης.

Τον Ιανουάριο του 1983 στον επιταχυντή  SPS του CERN, το πείραμα UA1 με επικεφαλής τους C. Rubbia και A. Astbury,  και το πείραμα UA2 με επικεφαλής τον P. Darriulat, ανακοίνωσαν την ανακάλυψη των σωματιδίων W και Ζ κατά την σύγκρουση πρωτονίων με αντιπρωτόνια.

Τα μποζόνια σχηματίστηκαν μέσω της εξαΰλωσης ενός κουάρκ του πρωτονίου p⁺ (uud) με ένα αντικουάρκ του αντιπρωτονίου p^– (ūūđ) :

d  +  ū   →   W^– 

u  +  đ   →   W⁺  

u  +  ū ( ή d + đ )   →   Z⁰  

Και στα δύο πειράματα παρατηρήθηκε  ασυμμετρία στην γωνιακή κατανομή των φορτισμένων λεπτονίων που προέκυψαν από την διάσπαση των μποζονίων, επιβεβαιώνοντας την συμπεριφορά των ασθενών αλληλεπιδράσεων (μη διατήρηση της ομοτιμίας).