Πρόσωπα - Γεγονότα Σωματιδιακή φυσική

Το Νόμπελ Φυσικής του 1949 για την ανακάλυψη του πιονίου και ο Hideki Yukawa

Written by Δ.Μ.

Ο Χίντεκι Γιουκάβα που γεννήθηκε στις 23 Ιανουαρίου 1907 ήταν Ιάπωνας φυσικός. Είναι κυρίως γνωστός για τη θεωρητική πρόβλεψη της ύπαρξης του πιονίου, σαν σωμάτιο ανταλλαγής των ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων. και για το δυναμικό Γιουκάβα (Yukawa potential), που περιγράφει την ισχυρή εξάρτηση της ισχυρής πυρηνικής δύναμης από την ακτίνα δράσης της. Για τη συνεισφορά του αυτή στη θεωρητική φυσική έγινε ο πρώτος Ιάπωνας που τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1949.

Print Friendly, PDF & Email

Ο Χίντεκι Γιουκάβα που γεννήθηκε στις 23 Ιανουαρίου 1907  ήταν Ιάπωνας φυσικός. Είναι κυρίως γνωστός για τη θεωρητική πρόβλεψη της ύπαρξης του  πιονίου, σαν σωμάτιο ανταλλαγής των ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων.  και για το δυναμικό Γιουκάβα (Yukawa potential), που περιγράφει την ισχυρή εξάρτηση της ισχυρής πυρηνικής δύναμης από την ακτίνα δράσης της. Για τη συνεισφορά του αυτή στη θεωρητική φυσική έγινε ο πρώτος Ιάπωνας που τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1949.

hideki-yukawa

Το 1935 πρότεινε την ύπαρξη ενός σωματιδίου που ονόμασε «μεσοτρόνιο», το οποίο θα έπαιζε το ρόλο του φορέα της πυρηνικής δύναμης. Ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ του οποίου ο πατέρας ήταν καθηγητής της ελληνικής γλώσσας, του ανέφερε πως δεν υπάρχει «τρ» στη λέξη «μέσος», οπότε και η ονομασία που χρησιμοποιήθηκε για το υποθετικό σωματίδιο έγινε «μεσόνιο». Ο Yukawa υπέθεσε ότι ένα τέτοιο σωματίδιο θα έπρεπε να είχε μάζα περίπου 200 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου για να εξηγεί τη μικρή περιοχή δράσης των ισχυρών δυνάμεων που βρέθηκαν στα πειράματα. Από την υπόθεση ότι το σωματίδιο αυτό κινείται με ταχύτητα περίπου ίση με την ταχύτητα του φωτός από νουκλεόνιο σε νουκλεόνιο, ο Γιουκάβα υπολόγισε ότι η μάζα του μεσονίου θα πρέπει να είναι 250 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου.

pion-decayΚατά τη δεκαετία του ’40, οι θεωρητικοί φυσικοί είχαν ήδη κάνει υποθέσεις σχετικά με τις δυνάμεις που διατηρούν μαζί τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον πυρήνα. Ένας από αυτούς ο Hideki Yukawa πρότεινε αξιωματικά το 1935, ότι μια «ισχυρή» δύναμη, θα μεταφερόταν από ένα σωματίδιο ανταλλαγής, όπως το οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις μεταφέρονται από τα εικονικά (virtual) φωτόνια στη Κβαντική Θεωρία Πεδίου.

Αν και αργότερα οι έρευνες έδειξαν ότι ο μηχανισμός των ισχυρών δυνάμεων ήταν πιο σύνθετος από την εικόνα που είχε ο Yukawa, θεωρείται ο πρώτος που έφερε στο προσκήνιο τις απόψεις για τους φορείς των δυνάμεων.

Το 1936 οι Καρλ Άντερσον και Σεθ Νέντερμαγιερ ανακάλυψαν τα σωματίδια που ονομάζονται σήμερα μιόνια. Αυτά έχουν μάζα περίπου 200 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου και υπήρχε η υποψία ότι ήταν τα σωματίδια των οποίων την ύπαρξη είχε προβλέψει ο Γιουκάβα. Αργότερα όμως ανακαλύφθηκε ότι αντιδρούν ασθενικά με τους πυρήνες, πράγμα που σήμαινε ότι η υποψία δεν ανταποκρινόταν στην πραγματικότητα.

Έντεκα χρόνια αργότερα, το 1947 ανακαλύφθηκαν από τον Σεσίλ Πάουελ, τα «μεσόνια π» ή «πιόνια», και αποδείχτηκε ότι ήταν τα σωματίδια που είχε προβλέψει ο Γιουκάβα.

Ο Γιουκάβα κέρδισε το Αυτοκρατορικό Βραβείο της Ιαπωνικής Ακαδημίας το 1940, το 1949 έγινε καθηγητής του Πανεπιστημίου Κολούμπια και το ίδιο έτος του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ για την πρόβλεψη της ύπαρξης των πιονίων. Έγραψε εισαγωγικά βιβλία για την Κβαντομηχανική και τη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων, στα Ιαπωνικά και απέκτησε τιμητικές διακρίσεις από το Πανεπιστήμιο των Παρισίων και από τη Βασιλική Κοινότητα του Εδιμβούργου.

Ήταν ένας από τους έντεκα επιστήμονες που υπέγραψαν το Μανιφέστο Ράσελ – Αϊνστάιν που υπογράμμιζε τους κινδύνους που εγείρονται από τη χρήση πυρηνικών όπλων.

Πέθανε στις 8 Σεπτεμβρίου 1981

Από την ιστορία της Φυσικής

Στη σύγχρονη φυσική, ένας σημαντικός στόχος των επιστημόνων είναι να εξηγήσουν τα φαινόμενα που παρατηρούμε, με τις ιδιότητες των θεμελιωδών σωματιδίων. Στη δεκαετία του ’40 τα μεσόνια βρέθηκαν στο κέντρο του ενδιαφέροντος των θεωρητικών και πειραματικών φυσικών. Τα μεσόνια είναι σωματίδια βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια αλλά ελαφρύτερα από τα πρωτόνια, γι’ αυτό και ονομάστηκαν μεσόνια. Τα μεσόνια ήταν εξ ολοκλήρου άγνωστα έως ότου το 1934 τα πρόβλεψε ο Hideki Yukawa βάσει μιας θεωρητικής έρευνας για τις πυρηνικές δυνάμεις.

Από τις πρώτες έρευνες από το Heisenberg και άλλους γνωρίζουμε ότι ένας πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια, δηλαδή τα νουκλεόνια, που συγκρατούνται από τις πυρηνικές δυνάμεις.
Με αφορμή το πρόβλημα της φύσης των πυρηνικών δυνάμεων, ο Yukawa χρησιμοποίησε το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ως μοντέλο. Βρήκε ότι αυτό το πεδίο θα μπορούσε να τροποποιηθεί έτσι ώστε να δώσει δυνάμεις που όπως οι πυρηνικές δυνάμεις έχουν μια μικρή περιοχή δράσης. Επομένως υπέθεσε ότι το νέο πεδίο αντιστοιχεί στις πυρηνικές δυνάμεις. Όμως κάθε πεδίο δύναμης, σύμφωνα με τη θεωρία, συνδέεται με κάποια σωματίδια. Ο Yukawa ανακάλυψε ότι υπάρχει μια απλή σχέση μεταξύ του εύρους δράσης των δυνάμεων και της μάζας των αντίστοιχων σωματιδίων. Κι αυτό το βρήκε μελετώντας τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις που έχουν άπειρη ακτίνα δράσης και ο φορέας τους, το φωτόνιο, έχει μηδενική μάζα. Έτσι υπολόγισε το εύρος των πυρηνικών δυνάμεων από  γνωστά πειραματικά στοιχεία, που είναι της τάξης του 1 fermi και βρήκε με την αρχή της αβεβαιότητας ότι τα νέα σωματίδια πρέπει να είναι περίπου 200 φορές βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια. Σύμφωνα με τη θεωρία του Yukawa, τα νουκλεόνια εκπέμπουν συνεχώς και απορροφούν μεσόνια, γιατί συγκρατούνται με τη βοήθεια των πυρηνικών δυνάμεων.

Ο Yukawa μελέτησε επίσης αν τα μεσόνια μπορούν να εμφανιστούν έξω από τους πυρήνες. Βρήκε ότι τα μεσόνια μπορούν να δημιουργηθούν κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης των νουκλεονίων, αν αυτά μπορούν να κατέχουν ένα ικανοποιητικό ποσό ενέργειας. Επομένως, τα μεσόνια δεν μπορούν να δημιουργηθούν στις συνηθισμένες πυρηνικές αντιδράσεις. Ο Yukawa υπογράμμισε, εντούτοις, ότι μπορούν να αναμένονται να εμφανιστούν στην κοσμική ακτινοβολία, στην οποία βρίσκονται σωματίδια μεγάλης ενέργειας.
Ο Yukawa υπέθεσε ότι τα μεσόνια μπορούν να έχουν και θετικό και αρνητικό φορτίο και ότι το μέγεθος του φορτίου είναι όπως του ηλεκτρονίου. Από μια θεωρία του Fermi οδηγήθηκε ο Yukawa στην υπόθεση, ότι ένα μεσόνιο μπορεί να μετασχηματιστεί σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ελαφρύ σωματίδιο χωρίς φορτίο, το νετρίνο. Όπως δείχθηκε τα ελεύθερα μεσόνια θα μπορούσαν να υπάρξουν μόνο για έναν πολύ μικρό χρονικό διάστημα, κάποια εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου ή και λιγότερο ακόμη.
Έτσι όπως είχε υποδείξει ο Yukawa, η μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας έδωσε τα πρώτα πειραματικά στοιχεία της ύπαρξης των μεσονίων. Αυτές οι αποδείξεις δόθηκαν το 1937 από τους Anderson (Νόμπελ φυσικής 1936) και Neddermeyer και από τους Αμερικανούς φυσικούς Street – Stevenson. Τα σωματίδια που ανακαλύφθηκαν είχαν μάζα περίπου 200 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου και χρόνο ζωής 2 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Τότε ονομάστηκαν μεσοτρόνια ενώ αργότερα πιόνιο. Ήταν αυτό που πρόβλεπε η θεωρία του Yukawa.

Η ανακάλυψη του πιονίου

Γύρω στο 1947 άρχισε μια νέα περίοδος στην έρευνα των μεσονίων, με τον Άγγλο φυσικό (Νόμπελ φυσικής 1950) Powell, τον Occhialini, Lattes και Muirhead . Σε πειράματα που έκαναν στα Πυρηναία, ανακάλυψαν δύο μεσόνια: Ένα με μάζα 139 MeV/c2 και ένα με μάζα 106 MeV/c2 .  Το τελευταίο που έχει περίπου 200 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου είναι το μεσόνιο  του Yukawa, που ονομάστηκε αργότερα π-μεσόνιο ή πιόνιο, και είχε τις σωστές ιδιότητες για να δράσει σαν το σωματίδιο που πρότεινε ο Yukawa. Όπως έχουμε αναφέρει είχε βρεθεί για πρώτη φορά το 1937. Το άλλο μεσόνιο με τη μεγαλύτερη μάζα, που ονομάστηκε αργότερα μεσόνιο-μ ή μιόνιο, φαινόταν να έχει ένα τελείως διαφορετικό χαρακτήρα.  Το τελευταίο παρήγαγε βίαιες πυρηνικές διασπάσεις όταν σταματούσε πάνω στο φωτογραφικό γαλάκτωμα .

Οι αντιδράσεις διάσπασης τους είναι οι παρακάτω:

π ->μ+ ν : Το πιόνιο διασπάται σε μιόνιο και αντινετρίνο

μ->e + ν + ν : Το μιόνιο διασπάται σε ηλεκτρόνιο ένα νετρίνο κι ένα αντινετρίνο.

Τα μεσόνια μπορούν τώρα να παραχθούν σε μεγάλα κύκλοτρα, όπως είναι αυτό του Berkeley στη Καλιφόρνια.

Αυτές οι πειραματικές έρευνες έδειξαν ότι οι μάζες και των δύο ειδών μεσονίων συμφωνούν με τις προβλέψεις του Yukawa. Τα βαρύτερα μεσόνια, αλλά όχι όμως και τα ελαφρύτερα, αλληλεπιδρούν με τα νουκλεόνια όπως είχε θέσει ως αίτημα ο Yukawa. Επίσης το φορτίο και ο χρόνος ζωής τους. Ένα βαρύ μεσόνιο ζει μόνο περίπου 10-8 sec και μετασχηματίζεται κατόπιν σε ένα ελαφρύ μεσόνιο και ένα νετρίνο. Το ελαφρύ μεσόνιο εξαφανίζεται μετά από μερικά εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, και τότε δημιουργούνται ηλεκτρόνια καθώς και νετρίνα.
Αργότερα ο Yukawa και οι συνεργάτες του βρήκαν θεωρητικά ότι υπάρχουν και ουδέτερα μεσόνια.

Σήμερα γνωρίζουμε ότι τα μεσόνια είναι συνδυασμός κουάρκ και αντικουάρκ ενώ η τρέχουσα θεωρία για τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις δέχεται ότι υπάρχει μια αλληλεπίδραση μεταξύ κουάρκ.

Print Friendly, PDF & Email

About the author

Δ.Μ.