Ένα συμμετρικό και ενοποιητικό βραβείο Νόμπελ
Το Νόμπελ Φυσικής του 1979

Άρθρο, Ιανουάριος 2003

Το βραβείο Νόμπελ του 1979 στη φυσική απονεμήθηκε εξίσου μεταξύ του Sheldon L. Glashow, του Abdus Salam και του Steven Weinberg για τις συνεισφορές τους στη θεωρία της ενοποιημένης ασθενούς και ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένης και της πρόβλεψης ενός ασθενούς ουδέτερου ρεύματος. Τον Ιανουάριο του 1983, πριν είκοσι χρόνια, στο CERN είχαμε την πρώτη παρατήρηση των φορέων της ασθενούς αλληλεπίδρασης W+ και W- , με μάζες γύρω στα 81 GeV. Ενώ 10 μήνες αργότερα ανιχνεύτηκαν και τα ουδέτερα  σωματίδια Ζο με μάζα περίπου 93 GeV.

Ο Αμερικανός Steven Weinberg (1933) μαζί με τον Πακιστανό Abdus Salam (1926) και τον Αμερικανό Sheldon Glashow (1932) που έθεσαν τις βάσεις για την ενοποίηση των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων, όταν επεξεργάστηκαν χωριστά τις αρχές συμμετρίας και στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις.

Εισαγωγή στις αλληλεπιδράσεις

Στις αρχές του 19ου αιώνα πραγματοποιήθηκαν, κυρίως μέσω της εργασίας του Oersted στη Δανία και του Faraday στην Αγγλία, πειράματα που έδειξαν ότι ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός συσχετίζονται πολύ, και είναι πραγματικά διαφορετικές πτυχές της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης ή της αλληλεπίδρασης μεταξύ των φορτίων. Η τελική σύνθεση αυτής της πρώτης ενοποιητικής θεωρίας στην Φυσική παρουσιάστηκε στη δεκαετία του 1860 από τον Maxwell στην Αγγλία. Η εργασία του πρόβλεψε την ύπαρξη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και ερμήνευσε το φως ως φαινόμενο ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Η ανακάλυψη της ραδιενέργειας ορισμένων βαρέων στοιχείων προς το τέλος του 19ου αιώνα, και η ανάπτυξη της φυσικής του ατομικού πυρήνα, οδήγησαν στην εισαγωγή δύο νέων δυνάμεων ή αλληλεπιδράσεων: των ισχυρών και ασθενών πυρηνικών δυνάμεων. Αντίθετα από τη βαρύτητα και τον ηλεκτρομαγνητισμό που δρουν σε μεγαλύτερες αποστάσεις, οι δυνάμεις αυτές δρουν μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις, εντός του πυρήνα ή και πιο μικρές ακόμη. Ενώ η ισχυρή αλληλεπίδραση κρατά τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί στον πυρήνα, η ασθενής αλληλεπίδραση προκαλεί την λεγόμενη ραδιενεργό βήτα-διάσπαση. Σε αυτήν ένα νετρόνιο του πυρήνα,  με φορτίο μηδέν, μετασχηματίζεται σε ένα θετικά φορτισμένο πρωτόνιο, εκπέμποντας ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο και ένα ουδέτερο, άμαζο σωματίδιο, το νετρίνο.

Αν και η ασθενής αλληλεπίδραση είναι πολύ πιο ασθενής και από τις ισχυρές και από τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, είναι όμως μεγάλης σπουδαιότητας σε πολλά φαινόμενα. Η ενέργεια του ήλιου, πολύ σημαντική για τη ζωή μας πάνω στη Γη, παράγεται όταν γίνεται σύντηξη του υδρογόνου προς το ευγενές αέριο ήλιον με μια αλυσίδα πυρηνικών αντιδράσεων που εμφανίζονται στο εσωτερικό του ήλιου. Η πρώτη αντίδραση σε αυτήν την αλυσίδα, ο μετασχηματισμός του υδρογόνου σε δευτέριο, προκαλείται από την ασθενή δύναμη. Χωρίς αυτήν την δύναμη η παραγωγή της ηλιακής ενέργειας δεν θα ήταν δυνατή.

Ομοίως η ασθενής αλληλεπίδραση βρίσκει πρακτική εφαρμογή στα ραδιενεργά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στην ιατρική και την τεχνολογία, τα οποία είναι γενικά βήτα-ραδιενεργά στοιχεία, και στη βήτα-διάσπαση ενός ισοτόπου του άνθρακα (του άνθρακα-14) προς άζωτο, που είναι η βάση για τη χρονολόγηση των οργανικών αρχαιολογικών ευρημάτων.

Θεωρίες της ασθενούς αλληλεπίδρασης

Μια πρώτη θεωρία για την ασθενή αλληλεπίδραση υποβλήθηκε για πρώτη φορά το 1934 από τον Ιταλό φυσικό Φέρμι αλλά απέτυχε. Εν τούτοις, μια ικανοποιητική περιγραφή της ασθενούς αλληλεπίδρασης μεταξύ σωματιδίων σε χαμηλές ενέργειες μπορούσε να δοθεί μόνο μετά από την ανακάλυψη, το 1956, ότι η ασθενής δύναμη διαφέρει από τις άλλες δυνάμεις στην μη ύπαρξη συμμετρίας κατόπτρου ή παραβίαση της ομοτιμίας. Με άλλα λόγια, η ασθενής δύναμη κάνει διάκριση μεταξύ του αριστερού και του δεξιού ή του πραγματικού σωματιδίου και του ειδώλου του.

Η θεωρία των Weinberg και Salam πρόβλεπε κι αυτή παραβίαση της ομοτιμίας για την σκέδαση των ηλεκτρονίων από ατομικούς πυρήνες. Αν και αυτή η θεωρία ήταν συνεπής μόνο για τις χαμηλές ενέργειες κι έτσι είχε μια περιορισμένη ενεργειακή περιοχή που ίσχυε, έδειχνε μια ορισμένη συγγένεια μεταξύ των ασθενών και των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων.

Σε μία σειρά ξεχωριστών εργασιών, στη δεκαετία του '60, οι Νομπελίστες του 1979, ανέπτυξαν μια θεωρία που ισχύει επίσης και στις υψηλότερες ενέργειες, κάτι που ενοποιεί συγχρόνως τις ασθενείς και τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις με έναν κοινό φορμαλισμό.

Ο Glashow συνέβαλε στην εξάλειψη ορισμένων περιορισμών που είχε η αρχική εκδοχή του μοντέλου των Salam και Weinberg, η οποία περιόριζε την ισχύ της θεωρίας των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων μόνο σε ορισμένα σωματίδια. Έτσι ο Glashow έδειξε ότι αν συνυπολογιζόταν και μια άλλη κβαντική ιδιότητα των σωματιδίων, η γοητεία, τότε η θεωρία ισχύει για όλα τα στοιχειώδη σωματίδια.

Ο Glashow και ο Έλληνας φυσικός Ηλιόπουλος έδειξαν το 1969 ότι εκτός από τα τρία γνωστά κουάρκ up, down και strange υπάρχει και το quark charm (γοητευτικό). Με την εισαγωγή του δικαιολογείτο η μη διάσπαση του μεσονίου-Κ σε δύο μεσόνια.

Το 1971 ο Ολλανδός φυσικός 't Hoof έδειξε ότι το μοντέλο των Glashow, Abdus Salam και Steven Weinberg ήταν επανακανονικοποίησιμο, (δηλαδή με κατάλληλο φορμαλισμό δεν οδηγούσε σε απαράδεκτους απειρισμούς ορισμένων μεγεθών) και επομένως είχε μια ικανοποιητική θεωρητική βάση.

Περιοχή ισχύος των ασθενών αλληλεπιδράσεων

Μέχρι την απόσταση 10^-16 cm υπάρχει πλήρης συμμετρία βαθμίδας και στις αποστάσεις αυτές τα σωματίδια-φορείς W+, W- και  Zo δεν έχουν μάζα όπως και τα φωτόνια.

Σε μεγαλύτερες αποστάσεις από αυτήν κάποιο πολύπλοκο φαινόμενο σπάει τη συμμετρία βαθμίδας (προκαλεί πάγωμα μερικών βαθμών ελευθερίας) και γίνεται μια απότομη αλλαγή φάσης. Στις αποστάσεις αυτές τα σωματίδια-φορείς αποκτούν μάζα, μέσω του σωματιδίου ή πεδίου Higgs, της τάξης των 100 GeV. Έτσι η συμμετρία των W+, W- , Zo  και φωτονίων χάνεται για πάντα.

Στις μεγάλες αποστάσεις, που η ενέργεια είναι μικρότερη της ενέργειας η οποία αντιστοιχεί στις μάζες των σωματιδίων, τα σωματίδια δεν παρατηρούνται απ' ευθείας αλλά μέσω αντιδράσεων όπως είναι η βήτα διάσπαση.

Στις απαρχές του Σύμπαντος, όταν οι ενέργειες ήταν τεράστιες, οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις ήταν ενοποιημένες.με την ηλεκτρομαγνητική Με την πάροδο του χρόνου και την "ψύξη" του Σύμπαντος, οι ενέργειες ελαττώθηκαν και η ασθενής δύναμη έπαψε να παίζει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη του Σύμπαντος.

Θεωρία βαθμίδας

Γύρω στα μέσα της δεκαετίας του '50, οι Yang και Mills στις ΗΠΑ έκαναν μια ιδιαίτερης σπουδαιότητας εργασία όπου γενίκευσαν τη συμμετρία βαθμίδας σε μια ολοκληρωμένη θεωρία για την περιγραφή της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Μετά από τη θεμελιώδη αυτή εργασία, η θεωρία βαθμίδας αναπτύχθηκε ακόμη περισσότερο στη δεκαετία του '60 και στην περιοχή των ασθενών αλληλεπιδράσεων, ενώ το 1971 προτάθηκε από τον Ολλανδό Νομπελίστα φυσικό, του 1999, Van't Hooft, ένας μηχανισμός σπασίματος της συμμετρίας βαθμίδας.

Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι γνωστό ότι έχει μια ιδιότητα, που λέγεται "συμμετρία βαθμίδας", που σημαίνει ότι οι εξισώσεις πεδίων διατηρούν τη μορφή τους ακόμα κι αν τα ηλεκτρομαγνητικά δυναμικά πολλαπλασιάζονται με ορισμένους κβαντομηχανικούς παράγοντες φάσης, ή "βαθμίδες". Όμως δεν ήταν αυτονόητο ότι η "ασθενής" αλληλεπίδραση πρέπει να έχει αυτήν την ιδιότητα.

Στις εργασίες όμως των τριών Νομπελιστών, προς το τέλος της δεκαετίας του '60, αυτή η ιδιότητα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου ήταν μια κατευθυντήρια αρχή και για την ασθενή αλληλεπίδραση. Διατύπωσαν λοιπόν μια θεωρία η οποία περιέγραψε την ασθενή και ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση κάτω από την ίδια βάση.

Όμως θα έπρεπε η νέα θεωρία να ήταν αναλλοίωτη ως προς τους μετασχηματισμούς βαθμίδας. Έτσι θα έπρεπε, όπως το φωτόνιο ήταν χωρίς μάζα, και οι φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης να μην έχουν. Οι ενδείξεις όμως έδειχναν το αντίθετο.

Οι Weinberg και Salam έφτιαξαν ένα μοντέλο ενοποίησης στο οποίο η συμμετρία βαθμίδας στις χαμηλές ενέργειες ήταν "αυθόρμητα σπασμένη" κι έτσι οι φορείς W+ W- και Zo της ασθενούς αλληλεπίδρασης έχουν μάζα.

Η θεωρία προβλέπει μεταξύ άλλων την ύπαρξη ενός νέου τύπου ασθενούς αλληλεπίδρασης, από τα "ουδέτερα ρεύματα" (το ουδέτερο σωματίδιο Ζο), στην οποία τα αντιδρώντα σωματίδια δεν αλλάζουν το φορτίο τους. Αυτή η συμπεριφορά είναι παρόμοια με αυτό που συμβαίνει στην ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, και μοιάζει σαν αυτή η αλληλεπίδραση να διαδίδεται μέσω ενός ουδέτερου ρεύματος. Επίσης αυτός ο τύπος πρέπει να αντιπαραβάλλεται με τη βήτα-διάσπαση του νετρονίου, όπου το φορτίο αλλάζει όταν το νετρόνιο μετατρέπεται σε ένα πρωτόνιο.

Σύμφωνα με την ενοποιημένη θεωρία των ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων για την ασθενή αλληλεπίδραση όπως πχ τη β-διάσπαση μπορεί να μεσολαβεί η ανταλλαγή των φορτισμένων μποζονίων W⁺ και W^- και του ουδέτερου μποζονίου Ζ⁰ , που φέρουν μάζα σε αντίθεση με το φωτόνιο, τον φορέα της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Τα σωματίδια αυτά ανακαλύφθηκαν το 1983 στο CERN και έχουν μάζα 80 και 91 GeV c^-2 αντίστοιχα. Με τον τρόπο αυτό όλες οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις έχουν παρόμοια δομή, αλλά την εποχή εκείνη παρέμενε αίνιγμα γιατί μόνο τα μποζόνια των ασθενών αλληλεπιδράσεων να έχουν μάζα.

Όλες οι αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων (ισχυρές και ηλεκτρασθενείς) λέμε ότι περιγράφονται από θεωρίες βαθμίδας (gauge theories). Οι πιο πολλές θεωρίες των σωματιδίων παρουσιάζουν συμμετρίες κάτω από τις οποίες οι ιδιότητες ενός σωματιδίου όπως πχ το φορτίο του και οι χωρικές συντεταγμένες του, μπορούν να αλλάξουν πρόσημο χωρίς να αλλάξει η πρόβλεψη της θεωρίας. Τα ειδικά χαρακτηριστικά μιας θεωρίας βαθμίδας είναι ότι αυτοί οι μετασχηματισμοί μπορούν να γίνουν ανεξάρτητα σε κάθε σημείο του χώρου και του χρόνου. Αυτό αποδεικνύεται ότι μπορεί να συμβαίνει μόνον όταν το σωματίδιο φορέας της δύναμης έχει ακέραιο spin, δηλ. αν είναι μποζόνιο. Οι θεωρίες βαθμίδας αποτελούν τις μόνες συνεπείς περιγραφές των αλληλεπιδράσεων τέτοιων σωματιδίων

Πρώτη παρατήρηση του ασθενούς ουδέτερου ρεύματος

Πολλές επιβεβαιώσεις της θεωρίας είχαμε πρώτα στα εργαστήρια CERN και έπειτα στο Fermilab και Stanford με την παρατήρηση των ουδετέρων ρευμάτων, που εμφανίζονται συνοδεύοντας την ασθενή δύναμη.

Η πρώτη παρατήρηση μιας επίδρασης του νέου τύπου ασθενούς αλληλεπίδρασης έγινε το 1973 στο Ευρωπαϊκό Πυρηνικό Ερευνητικό Εργαστήριο, (CERN), στη Γενεύη σε ένα πείραμα όπου πυρήνες βομβαρδίστηκαν με μια δέσμη νετρίνων. Από τότε έγινε μια σειρά πειραμάτων νετρίνων στο CERN αλλά και στο Eργαστήριο Fermi κοντά στο Σικάγο, που έδωσαν αποτελέσματα σε καλή συμφωνία με τη θεωρία.

Τον Ιανουάριο του 1983 πάλι στο CERN είχαμε την πρώτη παρατήρηση των W+ και W- , με μάζες γύρω στα 81 GeV. Ενώ 10 μήνες αργότερα ανιχνεύτηκαν τα ουδέτερα  σωματίδια Ζο με μάζα περίπου 93 GeV.