Νέο φως στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις

Πηγή: PhysicsWeb, 20 Ιουλίου 2005

Μια διεθνής ομάδα σωματιδιακών φυσικών έκανε νέες μετρήσεις που ρίχνουν περισσότερο φως στην ασθενή αλληλεπίδραση, η οποία είναι υπεύθυνη για τη ραδιενεργό διάσπαση βήτα. Τα αποτελέσματα, που συμφωνούν με το καθιερωμένο μοντέλο, δείχνουν ότι η ισχύς της ασθενούς δύναμης που δρα σε δύο ηλεκτρόνια ελαττώνεται όταν τα ηλεκτρόνια είναι πιο μακριά το ένα από το άλλο. "Οι φυσικοί από καιρό ανέμεναν ότι οι αλληλεπιδράσεις της ασθενούς δύναμης θα ήταν πιο αδύνατες στις μεγαλύτερες αποστάσεις, αλλά η απόδειξη αυτής της θεωρίας δεν ήταν εύκολη", λέει ένας από τους ερευνητές του πειράματος Krishna Kumar του πανεπιστημίου της Μασαχουσέτης Amherst.

Σπάνιες αλληλεπιδράσεις του πειράματος E158 : Τα ηλεκτρόνια μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τα ηλεκτρόνια του στόχου ανταλλάσσοντας ένα ενδιάμεσο σωματίδιο ή φωτόνιο ή μποζόνιο Ζ ή το μη ανακαλυφθέντα ακόμα ενδιάμεσο σωματίδιο Ζ' μιας άγνωστης ακόμα δύναμης

Στο πείραμα E158 στον γραμμικό επιταχυντή του Στάνφορντ (SLAC), μια ακτίνα των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας πυροδοτείται προς έναν στόχο υγρού υδρογόνου. Η ακτίνα είναι πολωμένη, με τα σπιν των ηλεκτρονίων να είναι είτε στην ίδια κατεύθυνση με την ακτίνα (δεξιόστροφα πολωμένη), είτε προς την αντίθετη κατεύθυνση (αριστερόστροφη πόλωση). Η μεγάλη πλειοψηφία των ηλεκτρονίων της ακτίνας σκεδάζεται από τα ηλεκτρόνια του στόχου ανταλλάσσοντας ένα φωτόνιο, όμως πολύ περιστασιακά ένα ηλεκτρόνιο σκεδάζεται με την ανταλλαγή ενός μποζονίου Z.

Ο στόχος του πειράματος ήταν να μετρηθεί η μικροσκοπική διαφορά, ή η ασυμμετρία, του πόσο συχνά τα δεξιόστροφα - και αριστερόστροφα ηλεκτρόνια σκεδάζονται ανταλλάσσοντας ένα μποζόνιο των ασθενών δυνάμεων Ζ. Κατά μέσον όρο, μια δέσμη δεξιόστροφων ηλεκτρονίων παράγει 20 εκατομμύρια γεγονότα σκέδασης, εκ των οποίων παράγονται μόνο λίγες δωδεκάδες ενδιάμεσα μποζόνια Ζ. Οι δέσμες αριστερόστροφων ηλεκτρονίων δίνουν πέντε σκεδάσεις ενδιάμεσων μποζονίων Ζ. Αυτή η μικρή ασυμμετρία -- γνωστή ως παραβίαση "ομοτιμίας" -- είναι περίπου 131 μέρη ανά δισεκατομμύριο στις αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου. Η ομοτιμία παραβιάζεται μόνο από την ασθενή αλληλεπίδραση, αλλά διατηρείται από τη βαρύτητα, την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση και την ισχυρή δύναμη.

Η μετρημένη ασυμμετρία στο E158 είναι ανάλογη προς το ασθενές φορτίο του ηλεκτρονίου, το οποίο είναι ένα μέτρο της δύναμης της ασθενούς αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο ηλεκτρονίων. Τα προηγούμενα πειράματα σε SLAC και το Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN) στη Γενεύη μέτρησαν το ασθενές φορτίο στις "μικρές" αποστάσεις, περίπου, το ένα εκατοστό του πλάτους του πρωτονίου. Το E158 έδειξε τώρα ότι στις "μεγάλες" αποστάσεις -- κατά προσέγγιση 10 φορές το πλάτος του πρωτονίου -- το ασθενές φορτίο είναι μόνο το μισό μέγεθος του φορτίου στις μικρές αποστάσεις.

Το πείραμα καθορίζει για πρώτη φορά ότι το ασθενές φορτίο στο ηλεκτρόνιο μεταβάλλεται με την απόσταση. Το πείραμα αυτό με την μεγάλη ακρίβεια μέτρηση της μικροσκοπικής παραβίασης της ομοτιμίας (parity) δίνει μια από τις καλύτερες δοκιμές του καθιερωμένου μοντέλου.

Παραβίαση ισότητας με τα ρολόγια

Φανταστείτε ότι έχετε ένα δεξιόχειρο ρολόι ("πραγματικό ρολόι" το κεντρικό) και ένα αριστερόχειρο ρολόι ("πραγματικό κατοπτρικό ρολόι", το αριστερό), όπως στην αριστερή εικόνα. Το αριστερόχειρο ρολόι μοιάζει με την κατοπτρική εικόνα του δεξιόχειρο ρολογιού. Σε έναν συμμετρικό κόσμο, τα ρολόγια θα διατηρούσαν τον ίδιο χρόνο. Αλλά με μια μικροσκοπική ασυμμετρία -- κάπου 131 μέρη ανά δισεκατομμύριο, όπως παρατηρήθηκε από το πείραμα E158 -- το δεξιόχειρο ρολόι διατηρεί το χρόνο ελαφρώς γρηγορότερο. Η επίδραση είναι τόσο μικροσκοπική που μετά από 10 ημέρες (μέση εικόνα), όλα τα ρολόγια φαίνονται ακόμα τα ίδια. Όμως μετά από 1000 έτη (δεξιά εικόνα) το δεξιόχειρο ρολόι πάει μια ώρα μπροστά.

Για να δείτε με κινούμενες εικόνες την παραβίαση της ομοτιμίας με τα ρολόγια χτυπήστε εδώ

Τα κουάρκ έχουν μια εγγενή ομοτιμία + 1 και τα αντικουάρκ  -1, ενώ όλα τα νετρίνα βρίσκονται πως είναι "αριστερόχειρα", με μια εγγενή ομοτιμία P= -1 ενώ τα αντινετρίνα είναι δεξιόχειρα, με ομοτιμία P = + 1.

Οι διασπάσεις των σωματιδίων από τις ισχυρές ή τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις είχαν παρατηρηθεί πως διατηρούσαν την ομοτιμία. Οι θεωρητικοί φυσικοί Τ. D. Lee και C. Ν. Yang πρότειναν το 1956 ότι η ομοτιμία δεν χρειάζεται να διατηρείται στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις διασπάσεων.

Το 1957 η Chien-Shiung Wu εμφάνισε αυτήν την παραβίαση, της διατήρησης της ομοτιμίας, στη βήτα διάσπαση του κοβαλτίου. Ακόμη και με την παραβίαση της ομοτιμίας, θεωρήθηκε ότι ο συνδυασμός του κατοπτρισμού ως προς το φορτίο C και της ομοτιμίας θα άφηνε το σύστημα αμετάβλητο. (σταθερότητα CP).

Ένα πείραμα που έγινε από τους Cronin και Fitch το 1964, που πήραν το 1980 Nobel Φυσικής, έδειξε ότι υπήρξε μια μικρή παραβίαση CP στην αποσύνθεση του καονίου. Έτσι το καόνιο έχει διαδραματίσει έναν κεντρικό ρόλο στις συζητήσεις αυτών των συμμετριών από τότε.