Μποζόνια W και Z

Στη φυσική, τα μποζόνια W και Z είναι τα στοιχειώδη σωμάτια που μεταδίδουν την ασθενή αλληλεπίδραση. Η ανακάλυψή τους στο CERN το 1983 αντιμετωπίστηκε ως μια σπουδαία επιτυχία του καθιερωμένου μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής.

Το σωμάτιο W ονομάστηκε έτσι από την ασθενή (weak) πυρηνική δύναμη. Το σωμάτιο Z πήρε το όνομά του με χιουμοριστικό τρόπο, καθώς θεωρούνταν το τελευταίο σωματίδιο που έμενε να ανακαλυφθεί. Μια άλλη εξήγηση έγκειται στο ότι το σωμάτιο Ζ πήρε το όνομά του από το γεγονός ότι έχει μηδενικό (zero) ηλεκτρικό φορτίο.

Βασικές ιδιότητες

Υπάρχουν δύο είδη μποζονίων W με ηλεκτρικό φορτίο +1 και −1. Το W⁺ είναι το αντισωματίδιο του W⁻. Το μποζόνιο Z (ή Z⁰) είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και ταυτίζεται με το αντισωματίδιό του. Και τα τρία σωμάτια ζουν πολύ λίγο, με χρόνο ζωής γύρω στα 3 × 10⁻²⁵ δευτερόλεπτα.

Το κουάρκ "κορυφή" και το μποζόνιο του Χιγκς, είναι τα μόνα βαρύτερα στοιχειώδη σωματίδια από αυτά μποζόνια. Με μάζα 80.4 και 91.2 GeV/c² αντίστοιχα, τα σωμάτια W και Z⁰ είναι σχεδόν 100 φορές βαρύτερα από το πρωτόνιο — βαρύτερα από τα άτομα του σίδερου. Οι μάζες των μποζονίων αυτών είναι εξαιρετικά σημαντικές, καθώς περιορίζουν την εμβέλεια της ασθενούς πυρηνικής δύναμης.

Και τα τρία σωμάτια έχουν σπιν μονάδα.

Η εκπομπή ενός W⁺ ή W^– μποζονίου μπορεί να αυξήσει ή να μειώσει το ηλεκτρικό φορτίου του σωματιδίου που το εκπέμπει κατά 1 (σε ηλεκτρικές μονάδες) και να αλλάξει το σπιν επίσης κατά 1. Ταυτόχρονα, ένα W μποζόνιο μπορεί να αλλάξει τη γενιά ενός σωματιδίου, να αλλάξει για παράδειγμα ένα s κουάρκ σε ένα u κουάρκ. Το Z⁰ μποζόνιο δε μπορεί να άλλαξει ούτε το ηλεκτρικό φορτίο ούτε άλλα φορτία (όπως την παραδοξότητα, τη γοητεία κ.λ.π.), παρά μόνο την ιδιοστροφορμή (Spin) και την ορμή, ώστε δεν αλλάζει ποτέ τη γενιά ή τη γεύση του σωματιδίου που το εκπέμπει.

Η ασθενής πυρηνική δύναμη

Τα W και Z μποζόνια είναι φορείς αλληλεπιδράσεων που μεταφέρουν την ασθενή αλληλεπίδραση, όπως το φωτόνιο μεταφέρει αντίστοιχα την ηλεκτρομαγνητική. Το μποζόνιο W είναι περισσότερο γνωστό για το ρόλο του στην πυρηνική διάσπαση. Θεωρούμε, για παράδειγμα, τη διάσπαση βήτα του κοβαλτίου-60, μια σημαντική διαδικασία στην έκρηξη των σουπερνόβα.

${}_{27}^{60}{\hbox{Co}}\to {}_{28}^{60}{\hbox{Ni}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

Αυτή η αντίδραση δε συμπεριλαμβάνει ολόκληρο τον πυρήνα του κοβαλτίου-60, αλλά επηρεάζει μόνο ένα από τα 33 νετρόνιά του. Το νετρόνιο μετατρέπεται σε ένα πρωτόνιο εκπέμποντας ταυτόχρονα ένα ηλεκτρόνιο κι ένα αντινετρίνο:

${\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

Συνεχίζοντας με την ίδια λογική, το νετρόνιο δεν είναι στοιχειώδες σωμάτιο, αλλά μια σύνθεση ενός up και δύο down κουάρκς (udd). Στην πραγματικότητα, είναι ένα από τα down κουάρκς που αλληλεπιδρά στη βήτα διάσπαση, το οποίο μετατρέπεται σε ένα up κουάρκ για να συντεθεί ένα πρωτόνιο (uud). Στο πιο στοιχειώδες επίπεδο, λοιπόν, η ασθενής δύναμη αλλάζει τη γεύση ενός μεμονωμένου κουάρκ:

${\hbox{d}}\to {\hbox{u}}+{\hbox{W}}^{-}\,$

που ακολουθείται αμέσως από τη διάσπαση του ίδιου του W⁻:

${\hbox{W}}^{-}\to {\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

Όντας το αντισωματίδιό του, το Z μποζόνιο έχει όλους τους κβαντικούς αριθμούς μηδενικούς. Η ανταλλαγή ενός Z μποζονίου ανάμεσα στα σωματίδια, καλείται και ουδέτερη αλληλεπίδραση (neutral current), αφήνοντας κατα συνέπεια τα αλληλεπιδρώντα σωματίδια αναλλοίωτα, εκτός από τη μεταφορά ορμής. Σε αντίθεση με τη διάσπαση βήτα, η παρατήρηση τέτοιων αλληλεπιδράσεων απαιτεί μεγάλες επενδύσεις σε επιταχυντές σωματιδίων και ανιχνευτές, οι οποίοι υπάρχουν σε λίγα ερευνητικά κέντρα φυσικής υψηλών ενεργειών στον κόσμο.

Προβλέποντας τα W και Z

Ένα διάγραμμα Φάινμαν που δείχνει την ανταλλαγή ενός ζευγαριού W μποζονίων.

Ακολουθώντας την εντυπωσιακή επιτυχία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής στη δεκαετία του 1950, έγιναν προσπάθειες για τη δημιουργία μιας παρόμοιας θεωρίας τη την ασθενή πυρηνική δύναμη. Έτσι, το 1968 παρουσιάστηκε με ενοποιημένη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού και των ασθενών αλληλεπιδράσεων από τους Σέλντον Γκλάσοου, Στίβεν Γουάινμπεργκ και Αμπντούς Σαλάμ, οι οποίοι και μοιράστηκαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1979. Η ηλεκτροασθενής θεωρία που έφτιαξαν, χρειαζόταν όχι μόνο τα μποζόνια W, ώστε να εξηγηθεί η βήτα διάσπαση, αλλά κι ένα νέο Ζ μποζόνιο το οποίο δεν είχε ακόμη παρατηρηθεί.

Το γεγονός ότι τα W και Ζ μποζόνια έχουν μάζα, ενώ τα φωτόνια είναι άμαζα, υπήρξε ένα σημαντικό εμπόδιο κατά την ανάπτυξη της ηλεκτροασθενούς θεωρίας. Αυτά τα σωμάτια περιγράφονται με ακρίβεια από μία SU(2) θεωρία βαθμίδας, αλλά τα μποζόνια σε μια θεωρία βαθμίδας πρέπει να είναι άμαζα. Το φωτόνιο είναι άμαζο, καθώς ο ηλεκτρομαγνητισμός περιγράφεται από μια U(1) θεωρία βαθμίδας. Χρειάζεται λοιπόν κάποιος μηχανισμός ώστε να σπάσει η SU(2) συμμετρία, δίνοντας μάζα στα W και Z. Μία εξήγηση, ο μηχανισμός Χιγκς, προτάθηκε από τον Πίτερ Χιγκς στα τέλη του 1960. Προβλέπει την ύπαρξη ενός άλλου, νέου σωματιδίου, που ονομάζεται μποζόνιο Χιγκς.

Ο συνδυασμός της SU(2) θεωρίας βαθμίδας της ασθενούς αλληλεπίδρασης, της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης και του μηχανισμού Χιγκς είναι γνωστός ως μοντέλο Γκλάσοου-Γουάινμπεργκ-Σαλάμ (Glashow-Weinberg-Salam model). Σήμερα, η θεωρία είναι αποδεκτή και αποτελεί ένα από τα βασικά συστατικά του καθιερωμένου προτύπου της σωματιδιακής φυσικής. Οι εντατικές έρευνες για την ανίχνευση του μποζονίου Χιγκς, η ύπαρξή του οποίου παραμένει η βασική πρόβλεψη του καθιερωμένου μοντέλου, φαίνεται να αποδίδουν μετά την ανακοίνωση των επιστημόνων του CERN για πιθανή εύρεσή του στις 4 Ιουλίου 2012.

Η ανακάλυψη των W και Z

Η ανακάλυψη των σωματιδίων W και Z αποτελεί μια μεγάλη επιτυχία του CERN. Αρχικά, το 1973, παρατηρήθηκαν οι ουδέτερες αλληλεπιδράσεις όπως αυτές προβλέπονταν από την ηλεκτροασθενή θεωρία. Φωτογραφήθηκαν οι τροχιές μερικών ηλεκτρονίων που ξαφνικά άρχιζαν να κινούνται. Αυτό ερμηνεύθηκε ως ένα νετρίνο, που αλληλεπιδρά με το ηλεκτρόνιο μέσω ανταλλαγής ενός αόρατου μποζονίου Ζ. Το νετρίνο είναι σε γενικές γραμμές μη ανιχνεύσιμο, η μόνη παρατηρήσιμη επίδραση αφορά τη μεταφορά ορμής στο ηλεκτρόνιο μέσω της αλληλεπίδρασης.

Η ανακάλυψη των W και Ζ έπρεπε να περιμένει την κατασκευή ενός επιταχυντή σωματιδίων αρκετά ισχυρό ώστε να τα παράγει. Το πρώτο διαθέσιμο μηχάνημα ήταν το Super Proton Synchrotron, όπου φάνηκαν καθαρά σήματα των W σωματίων τον Ιανουάριο του 1983, κατά τη διάρκεια μιας σειράς πειραμάτων από τους Κάρλο Ρουμπία (Carlo Rubbia) και Σίμον φαν ντερ Μέερ (Simon van der Meer). Το Ζ βρέθηκε από τα πειράματα αυτά λίγους μήνες αργότερα, το Μάιο του 1983. Οι Ρουμπια και φαν ντερ Μέερ τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 1984.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Η Ανασκόπηση της Σωματιδιακής Φυσικής, μια εξαιρετική πηγή πληροφοριών για τις ιδιότητες των σωματιδίων.
• W και Z, σελίδα από το CERN.
• W and Z particles at Hyperphysics.
• Z particle at Everything2.