Το Νόμπελ Φυσικής 1999

Το βραβείο Nobel 1999 για τη Φυσική απενεμήθηκε στους Gerardus ‘t Hooft (αριστερά) του Πανεπιστημίου της Ουτρέχτης και Martinus J.G. Veltman (δεξιά) πρώην καθηγητή του Πανεπιστημίου του Michigan για τη συμβολή τους στη "διασαφήνιση της κβαντικής δομής των ηλεκτροασθενών δυνάμεων στη φύση" και την δημιουργία ενιαίου πλαισίου για όλες τις δυνάμεις της φύσεως. Οι προσπάθειες τους, μέρος μιας παράδοσης που ανάγεται στον 19ο αιώνα, επικεντρώνεται στην έρευνα για κατανόηση των ομοιοτήτων ή συμμετριών όπως επικράτησε να λέγεται, ανάμεσα σε ανόμοια φαινόμενα, και ο σχηματισμός αυτών των σχέσεων σε ένα σύμπλεγμα που περιέχει όμως κομψούς μαθηματικούς τύπους.

Ενα παλιό κλασσικό παράδειγμα αποτελεί η δημοσίευση από τον James Clerk Maxwell της ιδέας πως ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός αποτελούν τις δύο όψεις του ηλεκτρομαγνητισμού. Φυσικά αυτή η επιχείρηση ενοποίησης έχει συναντήσει ποικίλα εμπόδια στο δρόμο της. Σε αυτόν τον αιώνα η κβαντική μηχανική σε συνδυασμό με την ειδική σχετικότητα, έδωσε την κβαντική θεωρία πεδίου. Αυτή η θεωρία εξήγησε επιτυχώς πολλά φαινόμενα, όπως το πως τα σωματίδια θα μπορούσαν να δημιουργηθούν ή να εξαφανιστούν ή πως τα ασταθή σωματίδια διασπώνται.  Επίσης φαινόταν να προβλέπει, πως η πιθανότητα για ορισμένες αντιδράσεις θα μπορούσε να είναι απείρως μεγάλη.

Ο Richard Feynman, μαζί με τον Julian Schwinger και τον Sin-Itiro Tomonaga το 1948, δάμασαν αυτούς τους απειρισμούς επαναορίζοντας τη μάζα και το φορτίο του ηλεκτρονίου σε μια διαδικασία γνωστή σαν επανακανονικοποίση. Η αρχική θεωρία του Dirac πρόβλεπε πως η μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου ήταν 1, ενώ οι τρείς τους την υπολόγισαν σε 1,00116.   Η θεωρία τους, η κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED), είναι η πιό γνωστή ακριβής θεωρία, και προσφέρεται σαν ένα πρότυπο για τις άλλες θεωρίες βαθμίδας (θεωρίες που δείχνουν πως οι δυνάμεις φανερώνονται από κρυμμένες συμμετρίες), όπως είναι η ηλεκτροασθενής θεωρία, που ενοποιεί τις ηλεκτρομαγνητικές και τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις προς ένα ενιαίο πρότυπο.
Επίσης αυτή η θεωρία εξηγεί όλα τα φαινόμενα εκτός της βαρύτητας, και της ραδιενέργειας. Οι τρείς τους που  μοιράστηκαν το Νόμπελ φυσικής το 1965, κατάφεραν να δώσουν την κατάλληλη ερμηνεία και εφοδίασαν τη θεωρία με ικανότητα θεωρητικών υπολογισμών ακριβείας. Έκτοτε οι θεωρητικοί υπολογισμοί της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής έδωσαν προβλέψεις εκπληκτικής συμφωνίας με τις πειραματικές μετρήσεις.

Αλλά το ηλεκτρασθενές μοντέλο ήταν επίσης τρωτό στους απειρισμούς (έδιναν σε μερικούς υπολογισμούς σαν αποτέλεσμα άπειρο) και οι φυσικοί ήσαν στεναχωρημένοι επειδή αυτή η θεωρία φαινόταν να είναι άχρηστη. Ένα από τα θαύματα των θεωριών βαθμίδας είναι ότι αυτοί οι απειρισμοί μπορούν να αρθούν, επιτρέποντας την εξαγωγή πεπερασμένων προβλέψεων για διάφορα φυσικά μεγέθη. Αυτό έγινε πρώτα για την QED την δεκαετία του 40. Το 1971 ο μεταπτυχιακός τότε φοιτητής Gerardus ‘t Hooft και ο Veltman υπερέβησαν αυτή τη δυσκολία (και την ανησυχία) απέδειξαν ότι αυτή η άρση των απειρισμών μπορούσε να συμβεί και για τις ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσεις μέσω μιας επανακανονικοποίησης που συγκρινόταν με τον Feynman.

Η σημαντική συμβολή τους βρίσκεται ακριβώς στο γεγονός ότι χρησιμοποιώντας σύγχρονα μαθηματικά 'εργαλεία' κατάφεραν να δείξουν ότι οι θεωρίες βαθμίδας στις οποίες εντάσσεται το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) μπορούν να δώσουν ακριβείς υπολογισμούς φυσικών μεγεθών, ικανούς να συγκριθούν με πειραματικές μετρήσεις. Δηλαδή, έδειξαν πως οι θεωρίες των συμμετριών βαθμίδας, αν και περιέχουν φορείς με μάζα διαφορετική από το μηδέν και spin=1, είναι επανακανονικοποιήσιμες.
Η σημασία της προσφοράς των βραβευθέντων είναι τέτοια ώστε σήμερα να θεωρείται ότι οποιαδήποτε θεωρία προτείνεται σαν υποψήφια να περιγράψει την ύστατη δομή της ύλης, πρέπει να είναι θεωρία βαθμίδας

Τα γνωστά σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις, και τα πιθανά αντίστοιχα  (superpartners) σωματίδια τους.

Για να είμαστε ακριβείς αυτοί επέτυχαν να επανακανονικοποιήσουν μια μη-Αβελιανή θεωρία βαθμίδας, όπως ο Feynman είχε επανακανονικοποιήσει μια Αβελιανή θεωρία βαθμίδας (Κβαντική ΗλεκτροΔυναμική ή QED). Ti Τι σημαίνει όμως αυτό; Μια μαθηματική συνάρτηση (τέτοια σαν το κβαντικό πεδίο που αναπαριστάνει μια περιοχή ενός σωματιδίου) είναι αμετάβλητη κάτω από ένα μετασχηματισμό εάν αυτή παραμείνει η ίδια μετά τον μετασχηματισμό. Εστω ότι κάποιος θεωρεί το αποτέλεσμα δύο τέτοιων μετασχηματισμών, A και B.  Μια Αβελιανή θεωρία είναι αυτή στην οποία το αποτέλεσμα του Α και   ακολούθως του μετασχηματισμού Β είναι ίδια όπως αν γίνει πρώτα ο Β και μετά ο μετασχηματισμός του Α.
Μια μη-Αβελιανή θεωρία είναι μια θεωρία στην οποία παίζει ρόλο η σειρά των δύο μετασχηματισμών. Ετσι στο προηγούμενο παράδειγμα υπάρχει διαφορά μεταξύ τους. Επιτυγχάνοντας το μη-Αβελιανό ηλεκτροασθενές μοντέλο να δουλέψει έλυσαν ένα φοβερό θεωρητικό πρόβλημα.

Ενα παράδειγμα αβελιανού μετασχηματισμού είναι περιστροφή σε δύο διαστάσεις

Ενα παράδειγμα μη-αβελιανού μετασχηματισμού είναι η περιστροφή σε τρείς διαστάσεις

Γνωστά σωματίδια που μεταφέρουν μάζα, και τα πιθανά αντίστοιχα (superpartners) σωματίδια τους.

Eνα από τα κύρια συστατικά της θεωρίας των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων είναι το σωματίδιο Higgs το οποίο δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη πειραματικά και θεωρείται σαν ένας πιθανός μηχανισμός μέσω του οποίου τα διάφορα σωματίδια αποκτούν μάζα. Για παράδειγμα, αντιδράσεις μεταξύ του μποζονίου Higgs και των διαφόρων σωματιδίων που μεταφέρουν τις δυνάμεις, έχουν σαν αποτέλεσμα τα σωματίδια W και Z (φορείς των ασθενών δυνάμεων) να αποκτούν μάζες, αλλά το φωτόνιο (φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης) παραμένει χωρίς μάζα. Με υπολογισμούς, βασισμένους στη θεωρία των Veltman και 't Hooft, προσδιορίστηκε η πιθανή περιοχή μαζών του Ηiggs.  

Με το θεωρητικό εργαλείο των Veltman και 't Hooft, οι φυσικοί μπορούν να υπολογίσουν πιό αξιόπιστα τις μάζες των W και Z. Ευτυχώς, το W, Z, και το top quark δημιουργήθηκαν και ανιχνεύτηκαν σε πειράματα συγκρούσεων υψηλής ενέργειας. Συγκεκριμμένα τον Ιανουάριο του 1983, στο CERN ανιχνεύτηκαν για πρώτη φορά τα σωμάτια W+ και W-, με μάζες περίπου 81eV, όπως πρόβλεπε η θεωρία. Η ανίχνευση του Ζ ακολούθησε μετά από δέκα μήνες, γιατί ο ρυθμός παραγωγής τους είναι δέκα περίπου φορές μικρότερος από ότι των W+ , W-, έδειξε μάζα περίπου 91 GeV.

To σύνολο σχεδόν της παγκόσμιας κοινότητας της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων αναπτύσσει, στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, ένα ερευνητικό πρόγραμμα πειραματικών μετρήσεων που αρχίζουν το 2005, προκειμένου να πιστοποιηθεί πειραματικά η ύπαρξη του Higgs. Ελληνικές ομάδες από το Ε.Μ.Π., το ΕΚΕΦΕ "ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ" και τα Πανεπιστήμια, Αθηνών, Ιωαννίνων και Θεσσαλονίκης συμμετέχουν ενεργά σ΄ αυτή τη διαδικασία.