Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για το 1988 δόθηκε από κοινού στους Αμερικανούς Leon Lederman, Melvin Schwartz και Jack Steinberger για τη μέθοδο της εργασίας τους τη δεκαετία του ’60 με πυκνές ακτίνες νετρίνων. Έτσι κατόρθωσαν να δείξουν τη διττή δομή των λεπτονίων, μέσω της ανακάλυψης ενός δεύτερου τύπου νετρίνο, του μιονικού νετρίνο.
Leon Lederman, Melvin Schwartz και Jack Steinberger
Το νετρίνο, ένα σωματίδιο που εμπλέκεται στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις (τέτοιες είναι η διάσπαση βήτα καθώς και η διάσπαση του π-μεσονίου σε μιόνια). Κατά την διάσπαση των π-μεσονίων σε μιόνια παράγονται νετρίνα διαφορετικά από τα νετρίνα της β-διάσπασης. Έτσι βρέθηκαν δύο τύποι νετρίνων, τα νμ και τα νe.
Βρίσκοντας ότι τα λεπτόνια συναντώνται σε ζεύγη (ηλεκτρόνιο-νετρίνο ηλεκτρονίου, μιόνιο-νετρίνο μιονίου), βοήθησαν να φτιαχτεί το Καθιερωμένο Μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων, με τη βοήθεια των κουάρκ και λεπτονίων.
Το πείραμα προγραμματίστηκε όταν συναντήθηκαν οι τρεις ερευνητές με το Πανεπιστήμιο της Κολούμπια στη Νέα Υόρκη, και έγινε πραγματικότητα όταν χρησιμοποιήθηκε το Alternating Gradient Synchrotron (AGS) στον επιταχυντή του Brookhaven, που αποτέλεσε το βασικό εργαλείο για τη μελέτη των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων. Δυστυχώς όμως οι ασθενείς καλύπτονται από τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις και δεν ήταν εύκολο να αποκαλυφθούν. Με τη μέθοδο όμως της σκέδασης ακτίνων νετρίνων πάνω σε νουκλεόνια, οι τρεις φυσικοί κατόρθωσαν να μην επηρεάζονται τα πειράματά τους από τις ισχυρές δυνάμεις.
O Leon Lederman (1922) ήταν καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Columbia και αργότερα έγινε διευθυντής στο Εθνικό Εργαστήριο Fermi, κοντά στο Σικάγο, όπου βρίσκεται ο μεγαλύτερος επιταχυντής πρωτονίων.
Ο Melvin Schwartz (1932), ήταν στο παρελθόν καθηγητής στα Πανεπιστήμια Κολούμπια και Στάνφορντ. Είχε διατυπώσει την πρόταση, το 1960, ότι κατά την αποσύνθεση των πιονίων σε μιόνια θα παραχθούν νετρίνα μιονίων. Στην αντίδραση αυτή θα εμφανιζότουσαν δύο είδη νετρίνων: του ηλεκτρονίου και του μιονίου. Εν συνεχεία τα νετρίνα μιονίου θα σκεδάζονταν πάνω σε νουκλεόνια, όπου θα παρήγαγαν μόνο μιόνια, αν η πρόταση του ήταν σωστή. Αλλιώς θα παράγονταν ισάριθμα μιόνια και ηλεκτρόνια. Το πείραμα που έγινε αρχές του ’60 επιβεβαίωσε την πρότασή του. Όπως και δική του πρόταση ήταν να χρησιμοποιηθούν ακτίνες νετρίνων, αντί των συνηθισμένων ακτίνων (ηλεκτρονίων, νετρονίων ή πρωτονίων), για τη μελέτη των ραδιενεργών διασπάσεων.
Ενώ ο Jack Steinberger (1921), σπούδασε στο Σικάγο και στο MIT και εργάστηκε ως ανώτερος φυσικός στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN), στη Γενεύη, όπου έχει καθοδηγήσει διάφορα μεγάλα πειράματα στη στοιχειώδη φυσική σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των πειραμάτων που υιοθετούσαν ακτίνες νετρίνων. Η μεγάλη πειραματική του ικανότητα φάνηκε με την κατασκευή θαλάμου σπινθηρισμών, σαν ανιχνευτή των σκεδάσεων νετρίνων σε νουκλεόνια. Επίσης η εξάλειψη της επίδρασης της κοσμικής ακτινοβολίας όπως και η διάκριση των παραγομένων ηλεκτρονίων από τα μιόνια οφείλεται στον Steinberg.
Η εργασία για την οποία βραβεύτηκαν πραγματοποιήθηκε στη δεκαετία του ’60. Οδήγησε σε ανακαλύψεις για νέες έρευνες πάνω στην δομή και τη δυναμική της ύλης. Δύο μεγάλα εμπόδια που υπήρχαν παλιά για την πρόοδο πάνω στην έρευνα των ασθενών δυνάμεων – τη μια από τις τέσσερις βασικές δυνάμεις της φύσης – έπαψαν πια να υπάρχουν μετά από την εργασία των τριών. Ένα από τα εμπόδια ήταν ότι δεν υπήρχε προηγουμένως καμία μέθοδος για την πειραματική μελέτη των ασθενών δυνάμεων στις υψηλές ενέργειες. Το δεύτερο εμπόδιο ήταν θεωρητικά το πιο θεμελιώδης, και υπερνικήθηκε από την ανακάλυψη ότι υπάρχουν τουλάχιστον δύο είδη νετρίνων. Το ένα συνδέεται με το ηλεκτρόνιο, και το άλλο με το μιόνιο. Το μιόνιο είναι ένα σχετικά βαρύ, φορτισμένο στοιχειώδες σωματίδιο, που ανακαλύφθηκε στην κοσμική ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του ’30. Η άποψη, που γίνεται αποδεκτή τώρα, ότι τα λεπτόνια κάνουν τρεις οικογένειες έχει τις ρίζες της στην ανακάλυψη των νικητών του βραβείου Νόμπελ 1988.
Από την ιστορία της φυσικής
Το νετρίνο είναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο και σχεδόν άμαζο. Δεν είναι εύκολο να το δούμε και αλληλεπιδρά μόνο ασθενώς με τα άτομα. Ταξιδεύει με την ή σχεδόν με τη ταχύτητα του φωτός. Είναι αδύνατο να σταματήσουμε εντελώς μια ακτίνα νετρίνων. Για να σταματήσουμε μια τέτοια ακτίνα θα χρειαζόμαστε έναν τοίχο αρκετών χιλιάδων μπλοκ από χάλυβα συσσωρευμένων το ένα μετά το άλλο, που το κάθε ένα θα είχε πάχος ίση με την απόσταση της Γης από τον Ήλιο.
Μια πηγή νετρίνων είναι και ο ήλιος μας, τα οποία παράγονται με αφθονία στον καυτό πυρήνα του. Περνούν μέσα από ολόκληρη την έκταση του χωρίς πολλή δυσκολία. Κάθε τετραγωνικό εκατοστόμετρο της Γης βομβαρδίζεται από αμέτρητα ηλιακά νετρίνα. Κάθε δευτερόλεπτο περνούν κατ’ ευθείαν μέσω της Γης αμέτρητα νετρίνα χωρίς κανένα σημάδι. Τα νετρίνα δεν κάνουν σχεδόν τίποτα παρά να κλέβουν ενέργεια από τις βήτα διασπάσεις, την οποία μεταφέρουν στα πέρατα του διαστήματος.
Σε πολύ σπάνιες περιπτώσεις ένα νετρίνο μπορεί να συγκρουστεί με ένα κουάρκ, που βρίσκεται μέσα σε ένα νουκλεόνιο (πρωτόνιο ή νετρόνιο) ή ένα ηλεκτρόνιο στον εξωτερικό φλοιό ενός ατόμου. Στα πειράματα με τις ακτίνες νετρίνων η σπανιότητα αυτών των αντιδράσεων αντισταθμίζεται από την ένταση της ακτίνας των νετρίνων. Η πιθανότητα μιας σύγκρουσης αυξάνεται επίσης με την ενέργεια των νετρίνων. Η μέθοδος των τριών νομπελιστών ήταν να πετύχουν πολύ υψηλές ενέργειες, με τη βοήθεια επιταχυντών πρωτονίων. Οι ακτίνες των νετρίνων μπορούν να αποκαλύψουν τα δύσκολα εσωτερικά μέρη ενός πρωτονίου με έναν τρόπο όμοιο με αυτόν, που οι ακτίνες X αποκαλύπτουν το σκελετό ενός ατόμου.
Όταν εφευρέθηκε η μέθοδος με ακτίνες νετρίνων στην αρχή της δεκαετίας του ’60, ήταν ακόμη άγνωστη η έννοια των κουάρκ, ενώ η μέθοδος αυτή έγινε αργότερα πολύ σημαντική πάνω στην έρευνα των κουάρκ.
Έτσι το μεγάλο επίτευγμα των τριών νομπελιστών ήταν να βάλουν τα νετρίνα να αντιδράσουν. Οι Lederman, Schwartz και Steinberger ήταν διάσημοι για διάφορες άλλες σημαντικές ανακαλύψεις σχετικά με τα στοιχειώδη σωματίδια. Κατά την διάρκεια του πειράματος των νετρίνων συνδέθηκαν με το Πανεπιστήμιο της Κολούμπια στη Νέα Υόρκη. Αυτοί και οι συνάδελφοί τους σχεδίασαν την πρώτη παγκοσμίως ακτίνα νετρίνων στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, χρησιμοποιώντας το μεγάλο επιταχυντή πρωτονίων του ως πηγή νετρίνων. Τα νετρίνα τους είχαν αρκετά περισσότερη ενέργεια από τη συνηθισμένη, επειδή παρήχθησαν από διάσπαση κατά τη διάρκεια της κίνησης γρήγορων μεσονίων. Τέτοια νετρίνα έχουν περισσότερη πιθανότητα να αλληλεπιδράσουν με την ύλη και οι συγκρούσεις με τα ατομικά σωματίδια είναι πιο ενεργητικές. Αν και μια σύγκρουση του νετρίνο είναι ένα σπάνιο γεγονός μπορεί να είναι θεαματική σε υψηλή ενέργεια – και πολύ πληροφοριακή.
Τα νετρίνα παράγονταν με τη διάσπαση των ενδιάμεσων φορτισμένων π-μεσονίων. Κατ’ αρχήν τα πρωτόνια αφού επιταχύνθηκαν σε υψηλές ταχύτητες κατευθύνθηκαν πάνω σε έναν στόχο βηρυλλίου. Ύστερα παράγονται μεγάλης ταχύτητας π-μεσόνια. Τα μεσόνια αυτά είναι ραδιενεργά, και διασπώνται προς ένα μιόνιο και ένα νετρίνο, που το κάθε ένα τους κινείται μόνο 21 μέτρα.
Στο πρωτοποριακό πείραμά τους εξέτασαν συνολικά περίπου 1014 νετρίνα. Για να συλλάβουν μόλις μερικές δωδεκάδες συγκρούσεις από όλα αυτά, η ερευνητική ομάδα εφηύρε και έχτισε έναν τεράστιο, περίπλοκο ανιχνευτή με βάρος 10 τόνων. Επίσης θα πρέπει να κοπούν από την είσοδο του ανιχνευτή άλλα ανεπιθύμητα σωματίδια στην ακτίνα. Ένας τεράστιος τοίχος από χάλυβα πάχους 13 μέτρων εξυπηρέτησε ακριβώς αυτόν τον σκοπό. Για να γλιτώσουν χρόνο και χρήματα, το υλικό των τοίχων λήφθηκε από άχρηστα θωρηκτά. Τα ανεπιθύμητα σωματίδια εμφανίστηκαν από τη κοσμική ακτινοβολία υπό μορφή μιονίων. Χρησιμοποιήθηκαν δε διάφορα τεχνάσματα για να αποτρέψουν αυτά τα μιόνια από το να εκληφθούν ως ψεύτικα νετρίνα. Το πρώτο πείραμα ακτίνων νετρίνων ήταν μια έντονη προσπάθεια, η οποία αποδείχθηκε επιτυχής. Η μέθοδος από τότε έχει χρησιμοποιηθεί αρκετά ως εργαλείο για την ανακάλυψη της ασθενούς δύναμης και τη δομή της ύλης από τα κουάρκ. Έχει χρησιμοποιηθεί επίσης για να ερευνήσει και το ίδιο το νετρίνο.
Κατά την διάρκεια του πειράματος στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, οι τρεις Νομπελίστες του 1988 μπερδεύτηκαν από το γεγονός ότι δεν συνέβη μια πιθανή, εναλλακτική διάσπαση του μιονίου. Κανένας γνωστός νόμος δεν το απαγορεύει, και υπάρχει μια γενική αρχή που λέει ότι μια διαδικασία πρέπει να εμφανιστεί εκτός κι αν απαγορεύεται ρητά από ένα νόμο. Το μυστήριο λύθηκε όταν η ομάδα ανακάλυψε ότι η Φύση παρέχει δύο εντελώς διαφορετικά είδη νετρίνο, όπως είχε προταθεί από μια θεωρητική ανάλυση. Ο παλαιός τύπος του νετρίνο αποτελεί ζεύγος και μπορεί να μετασχηματιστεί σε ένα ηλεκτρόνιο, ενώ ο πρόσφατα ανακαλυμμένος τύπος του νετρίνο είναι ομοίως ζευγαρωμένος με το μιόνιο. Τα δύο ζευγάρια αποτελούν δύο ξεχωριστές οικογένειες λεπτονίων, οι οποίες δεν αναμιγνύονται ποτέ η μια με την άλλη. Κατά συνέπεια, ανακαλύφθηκε ένας νέος νόμος της φύσης.
Εάν τα νετρίνα στο πείραμα του Κολούμπια ήταν ίδια με τα κοινά νετρίνα στη βήτα διάσπαση, οι αντιδράσεις στον ανιχνευτή θα έπρεπε να μετατρέψουν το νετρίνο σε ένα ηλεκτρόνιο με τον ίδιο ρυθμό όπως και σε ένα μιόνιο. Αν όμως υπήρχαν δύο είδη νετρίνων, θα παράγονταν μόνο μιόνια. Τα αποτελέσματα εμφάνισαν ότι είχαν παραχθεί μόνο μιόνια από τα νετρίνα της ακτίνας και κανένα ηλεκτρόνιο. Κατά συνέπεια υπήρχε ένας νέος τύπος, το νετρίνο μιονίου, που σχηματίζει ένα ζευγάρι με το μιόνιο. Όπως φυσικά και το ηλεκτρόνιο σχηματίζει ένα άλλο ζεύγος με το δικό του νετρίνο.
Οι κοσμολόγοι και οι φυσικοί θέλουν να ξέρουν πόσες διαφορετικές οικογένειες λεπτονίων, δηλ. πόσα είδη νετρίνο υπάρχουν στη φύση. Οι σημερινές ιδέες για τη γέννηση και την αρχική εξέλιξη του Σύμπαντος δεν μπορούν να ανεχτούν περισσότερο από τέσσερις οικογένειες.
