Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στη Γενεύη παίζει με τη διάσημη εξίσωση του Άλμπερτ Αϊνστάιν, E = mc 2 , για να μετατρέψει την ύλη σε ενέργεια και μετά να την επιστρέψει σε διαφορετικές μορφές ύλης. Αλλά σε σπάνιες περιπτώσεις, μπορεί να παραλείψει το πρώτο βήμα και να συγκρουστεί καθαρή ενέργεια – με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Στο ATLAS είδαμε την παραγωγή ενός ζεύγους μποζονίων W από δύο φωτόνια και την επακόλουθη διάσπαση των μποζονίων W σε ένα μιόνιο και ένα ηλεκτρόνιο (ορατό στον ανιχνευτή) και νετρίνα (δεν εντοπίστηκαν)
Πέρυσι, το πείραμα ATLAS στον επιταχυντή LHC παρατήρησε δύο φωτόνια, σωματίδια φωτός, να συγκρούονται μεταξύ τους και να παράγουν δύο νέα φωτόνια. Φέτος, έκαναν αυτή την έρευνα ένα βήμα παραπέρα και ανακάλυψαν ότι τα φωτόνια συγχωνεύονται και μετατρέπονται σε κάτι ακόμα πιο ενδιαφέρον: Το μποζόνιο W, τα σωματίδια που μεταφέρουν την ασθενή δύναμη , η οποία διέπει την πυρηνική διάσπαση.
Αυτή η έρευνα δεν απεικονίζει απλώς την κεντρική ιδέα που διέπει τις διαδικασίες μέσα στον LHC: ότι η ενέργεια και η ύλη είναι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος. Επιβεβαιώνει επίσης ότι σε αρκετά υψηλές ενέργειες, δυνάμεις που φαίνονται ξεχωριστές στην καθημερινή μας ζωή – ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς δυνάμεις – ενώνονται.
Από άμαζα έως μαζικά
Αν προσπαθήσετε να αναπαράγετε αυτό το πείραμα σύγκρουσης φωτονίων στο σπίτι διασταυρώνοντας δύο δέσμες λέιζερ, δεν θα είστε σε θέση να δημιουργήσετε νέα σωματίδια με μάζα. Αντιθέτως, θα δείτε ότι οι δύο δέσμες συνδυάζονται για να σχηματίσουν μια ακόμη πιο φωτεινή ακτίνα φωτός.
“Αν πάτε πίσω και δείτε τις εξισώσεις του Maxwell για τον κλασικό ηλεκτρομαγνητισμό, θα δείτε ότι δύο συγκρουόμενα κύματα αθροίζονται σε ένα μεγαλύτερο κύμα”, λέει ο Simone Pagan Griso, ερευνητής στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence στο Μπέρκλεϋ. «Βλέπουμε αυτά τα δύο φαινόμενα που παρατηρήθηκαν πρόσφατα στο ATLAS μόνο όταν συνθέσαμε τις εξισώσεις του Maxwell, με την ειδική σχετικότητα και την κβαντική μηχανική στη λεγόμενη θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής».
Μέσα στο σύμπλεγμα του επιταχυντή του CERN, τα πρωτόνια επιταχύνονται κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Οι κανονικά στρογγυλές μορφές τους συμπιέζονται κατά την κατεύθυνση της κίνησης καθώς η ειδική σχετικότητα αντικαθιστά τους κλασικούς νόμους κίνησης για διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στον LHC. Τα δύο εισερχόμενα πρωτόνια βλέπουν το ένα το άλλο ως συμπιεσμένες τηγανίτες συνοδευόμενες από ένα εξίσου συμπιεσμένο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (τα πρωτόνια είναι θετικά και όλα τα φορτισμένα σωματίδια έχουν ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο). Η ενέργεια του LHC σε συνδυασμό με τη συστολή του μήκους αυξάνει την ισχύ των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων των πρωτονίων κατά έναν παράγοντα 7500.
Όταν δύο πρωτόνια προσεγγίζουν το ένα το άλλο, τα συμπιεσμένα ηλεκτρομαγνητικά πεδία τέμνονται. Αυτά τα πεδία παραλείπουν το κλασικό πρότυπο της “ενίσχυσης” που εφαρμόζεται σε χαμηλές ενέργειες και αντ ‘αυτού ακολουθούν τους κανόνες που περιγράφονται από την κβαντική ηλεκτροδυναμική. Μέσω αυτών των νέων νόμων, τα δύο πεδία μπορούν να συγχωνευτούν και να γίνουν το “E” στο E = mc².
“Εάν διαβάσετε την εξίσωση E = mc² από δεξιά προς τα αριστερά, θα δείτε ότι μια μικρή ποσότητα μάζας παράγει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας λόγω της σταθεράς c², που είναι η ταχύτητα του φωτός στο τετράγωνο”, λέει ο Alessandro Tricoli, ερευνητής στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven. “Αλλά αν κοιτάξετε τον τύπο αντίστροφα, θα δείτε ότι πρέπει να ξεκινήσετε με μια τεράστια ποσότητα ενέργειας για να παράγετε ακόμη και μια μικρή ποσότητα μάζας.”
Ο επιταχυντής LHC είναι ένα από τα λίγα μέρη της Γης που μπορούν να παράγουν και να συγκρούονται ενεργητικά φωτόνια και είναι το μόνο μέρος όπου οι επιστήμονες έχουν δει δύο ενεργητικά φωτόνια να συγχωνεύονται και να μετατρέπονται σε τεράστια μποζόνια W.
Μια ενοποίηση δυνάμεων
Η παραγωγή των μποζονίων W από φωτόνια υψηλής ενέργειας αποτελεί παράδειγμα της ανακάλυψης που έδωσε το Βραβείο Νόμπελ του 1979 στους Sheldon Glashow, Abdus Salam και τον Steven Weinberg: Σε υψηλές ενέργειες, ο ηλεκτρομαγνητισμός και η ασθενής δύναμη είναι το ίδιο.
Σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, ο ηλεκτρομαγνητισμός συνδυάζεται με μια ακόμη θεμελιώδη δύναμη: την ασθενή δύναμη. Η ασθενής δύναμη διέπει τις πυρηνικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της σύντηξης υδρογόνου στο ήλιο που τροφοδοτεί τον ήλιο, αλλά και την αποσύνθεση των ραδιενεργών ατόμων.
Ακριβώς όπως τα φωτόνια μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, έτσι και τα μποζόνια W και Z μεταφέρουν την ασθενή δύναμη . Ο λόγος που τα φωτόνια μπορούν να συγκρούονται και να παράγουν W μποζόνια στον επιταχυντή LHC είναι ότι στις υψηλότερες ενέργειες, αυτές οι δυνάμεις συνδυάζονται για να κάνουν την ηλεκτρασθενή δύναμη.
“Τόσο τα φωτόνια όσο και τα W μποζόνια είναι φορείς δυνάμεων και και τα δύο μεταφέρουν την ηλεκτρασθενή δύναμη”, λέει ο Griso. “Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει πραγματικά επειδή η φύση είναι κβανομηχανική.”
