Οι ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις περιγράφονται από την κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), και μεσολαβούν γι αυτές άμαζα μποζόνια που τα λέμε γκλουόνια. Αυτά ανακαλύφθηκαν στο εργαστήριο DESY στην Γερμανία το 1979.
Σύμφωνα με την ενοποιημένη θεωρία των ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων που αναπτύχθηκε από τους Sheldon Glashow, Steven Weinberg, και Abdus Salam στη δεκαετία του 60, για την ασθενή αλληλεπίδραση όπως πχ τη β-διάσπαση μπορεί να μεσολαβεί η ανταλλαγή των φορτισμένων W⁺ και W^- και του ουδέτερου Ζ⁰ μποζονίων που φέρουν μάζα. 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 το ερώτημα γιατί μόνο τα μποζόνια των ασθενών αλληλεπιδράσεων να έχουν μάζα παραμένει ένα αίνιγμα στο οποίο θα επιστρέψουμε.

Η 1η Θριαμβευτική ανακάλυψη

Όπως ήδη αναφέραμε το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο που αναγνωρίστηκε ήταν το ηλεκτρόνιο με μάζα περίπου 0,5 MeV c^-2 και με spin ½. Ακολούθησε η ανακάλυψη άλλων σωματιδίων που τα είπαν λεπτόνια και δεν αισθάνονται τις ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις: το ασταθές μιόνιο το 1936 με μάζα περίπου 100 MeV c^-2 , και το ταυ το 1975 με μάζα περίπου 1780 MeV c^-2. Καθένα από αυτά τα φορτισμένα λεπτόνια έχει το δικό του αντίστοιχο αφόρτιστο νετρίνο και τα πειράματα στον επιταχυντή LEP στο CERN έδειξαν ότι δεν μπορεί να υπάρχουν άλλα παρόμοια νετρίνα. Τα δεδομένα του επιταχυντή έχουν θέσει επίσης ανώτατα όρια για τις πιθανές μάζες των νετρίνων οι οποίες αν υπάρχουν είναι πολύ μικρότερες από τις αντίστοιχες των φορτισμένων λεπτονίων.

Τα ισχυρά αλληλεπιδρώντα σωματίδια γνωστά ως αδρόνια, τα οποία ανακαλύφθηκαν μετά το 1940 γνωρίζουμε σήμερα ότι αποτελούνται από άλλες στοιχειώδεις ποσότητες που τις λέμε quarks. Ξέρουμε ότι υπάρχουν 6 διαφορετικοί τύποι quarks, και οι μάζες τους κυμαίνονται από μερικά MeV c^-2 για τα up και down quark από τα οποία είναι φτιαγμένη η συνήθης πυρηνική ύλη, έως περίπου 5 GeV c^-2 για το bottom κουάρκ που ανακαλύφθηκε το 1977. Συγχρόνως το top κουάρκ που ανακαλύφθηκε το 1994 κατά την διάρκεια συγκρούσεων πρωτονίων-αντιπρωτονίων στο εργαστήριο Fermilab έχει μάζα γύρω στα 170 GeV c^-2.

Αν και οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις όπως φανερώνει και το όνομά τους είναι ισχυρές, είναι γνωστό ότι γίνονται ασθενέστερες στις υψηλές ενέργειες που αντιστοιχούν σε κοντινότερες αποστάσεις μεταξύ τους. Αυτή η ιδιότητα γνωστή σαν “ασυμπτωτική ελευθερία” είναι μια κεντρική πρόβλεψη της QCD. Όπως και οι άλλες αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων έτσι και η QCD λέμε ότι είναι μια θεωρία βαθμίδας (gauge theory). 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.

Στην QED στην πρώτη θεωρία βαθμίδας, το φωτόνιο έχει spin 1. Οι θεωρίες βαθμίδας αποτελούν τις μόνες συνεπείς περιγραφές των αλληλεπιδράσεων τέτοιων σωματιδίων. Η Γενική θεωρία της Σχετικότητας έχει μια παρόμοια δομή με την QED αλλά στο ρόλο του μποζονίου-φορέα βρίσκεται εδώ το γκραβιτόνιο, ένα αινιγματικό σωματίδιο με spin 2 το οποίο δεν έχει ακόμα ανιχνευτεί.

Στη φυσική των σωματιδίων κυριαρχούν τα τελευταία χρόνια μια σειρά από τεστ ακριβείας για το καθιερωμένο μοντέλο, τόσο στην περιοχή των ισχυρών όσο και στην περιοχή των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων. Η ασυμπτωτική ελευθερία των ισχυρών αλληλεπιδράσεων έχει πιστοποιηθεί σε ένα μεγάλο αριθμό πειραμάτων με ενέργειες από 1GeV έως περίπου 200GeV. Στην περιοχή των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων κυριαρχούν τα τεστ που γίνονται με συγκρούσεις ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων υψηλών ενεργειών στους επιταχυντές LEP και SLC στο Stanford της Καλιφόρνιας.

Ακριβείς προβλέψεις

Τα πρώτα χρόνια της λειτουργίας του, οι δέσμες στο LEP ρυθμίζονταν σε τέτοιες ενέργειες που αντιστοιχούσαν στη μάζα του Ζ⁰ σωματιδίου. Σ’ αυτές τις συγκεκριμένες ενέργειες ο ρυθμός με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια με τα ποζιτρόνια αυξάνει σημαντικά και η γραφική παράσταση του ρυθμού των αλληλεπιδράσεων σε συνάρτηση με την ενέργεια δείχνει στις τιμές αυτές μια κορυφή “συντονισμού”.Οι μετρήσεις στο LEP έδειξαν επίσης ότι υπάρχουν ακριβώς τρία είδη νετρίνων, ούτε περισσότερα ούτε λιγότερα.
Πολλές από τις μετρήσεις που έγιναν στο LEP και στο SLC έχουν ακρίβεια 1: 1000 και καμιά δεν έδειξε σημαντική διαφορά με τις προβλέψεις του καθιερωμένου μοντέλου.
Αυτές οι προβλέψεις απαιτούν μικρές κβαντικές διορθώσεις που οφείλονται σε δυνάμει σωματίδια τα οποία εκπέμπονται από πραγματικά σωματίδια και ζουν ελάχιστα μέχρι να απορροφηθούν ξανά. Οι διορθώσεις αυτές μπορούν να υπολογιστούν αξιόπιστα μέσα στα πλαίσια της ηλεκτρασθενούς θεωρίας. Σε πολλές κβαντικές θεωρίες αυτοί οι υπολογισμοί δίνουν ως αποτέλεσμα άπειρο, και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κάνουμε αξιόπιστες προβλέψεις. Ένα από τα θαύματα των θεωριών βαθμίδας είναι ότι αυτοί οι απειρισμοί μπορούν να αρθούν, επιτρέποντας την εξαγωγή πεπερασμένων προβλέψεων για διάφορα φυσικά μεγέθη. Αυτό έγινε πρώτα για την QED την δεκαετία του 40. Στην αρχή της δεκαετίας του 70 ο Gerard ‘t Hooft και ο Martinus Veltman απέδειξαν ότι αυτή η άρση των απειρισμών μπορούσε να συμβεί και για τις ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσεις, ένα επίτευγμα που τους έδωσε το βραβείο Nobel της Φυσικής το 1999.

Ιχνη φορτισμένων σωματιδίων σε θάλαμο φυσσαλίδων Η φωτογραφία ανήκει στο Fermilab

Η φωτογραφία δείχνει τα ίχνη που αφήνονται σε ένα θάλαμο φυσσαλίδων από τα στοιχειώδη φορτισμένα υποατομικά σωματίδια καθώς αυτά ταξιδεύουν μέσω ενός ειδικού υγρού που κάνει φυσσαλίδες κατά την παρουσία ηλεκτρικών φορτίων. Το κινούμενο ουδέτερο σωματίδιο, που σημειώνεται με το N, παριστάνει ένα στοιχειώδες ουδέτερο σωματίδιο, όπως είναι ένα νετρίνο που συγκρούεται με έναν από τους πυρήνες των ατόμων στο υγρό, παράγοντας με αυτό το τρόπο ένα καταιγισμό φορτισμένων σωματιδίων που τότε διασπώνται σε ένα άλλο πλήθος φορτισμένων σωματιδίων.