CERN 40 χρόνια ουδέτερου ρεύματος

Πέρασαν ακριβώς 40 χρόνια από την ανακάλυψη στο CERN ενός νέου τύπου ρεύματος, που ονομάστηκε ουδέτερο ασθενές ρεύμα. Δεν επρόκειτο για κάποιο ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο, αλλά για μία άμεση απόδειξη για την ύπαρξη κι άλλης μίας δύναμης στη Φύση, που πήρε το όνομα ασθενής δύναμη.
Το αποτέλεσμα αυτό οδήγησε στην ανακάλυψη δύο νέων σωματιδίων, των μποζονίων W και Ζ, τα οποία είναι και οι φορείς της ασθενούς δύναμης, εγκαινιάζοντας τις μεγάλες ανακαλύψεις του CERN, οι οποίες και οδήγησαν στην ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς, μόλις πέρυσι, συμπληρώνοντας έτσι το παζλ του Καθιερωμένου Προτύπου.
Για την παρατήρηση αυτού του νέου είδους ρεύματος, χρειάστηκε ένας θάλαμος φυσαλίδων, με το όνομα Gargamelle.

Για την παρατήρηση αυτού του νέου είδους ρεύματος, χρειάστηκε ένας θάλαμος φυσαλίδων, με το όνομα Gargamelle. Ήταν μια κυλινδρική κατασκευή που ζύγιζε περίπου 1000 τόνους, και ήταν γεμάτη με 12 κυβικά μέτρα υγρό φρέον, ειδικά κατασκευασμένη για την ανακάλυψη του ασθενούς ρεύματος, μιας διαδικασίας που είχε προβλεφθεί τη δεκαετία του ’60, ανεξάρτητα, από τρεις φυσικούς: τους Sheldon Glashow, Abdus Salam, και Steven Weinberg.

Οι τρεις θεωρητικοί, είχαν φτάσει στο συμπέρασμα πως χρειαζόταν ένα νέο σωματίδιο χωρίς ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο θα ήταν ο φορέας της νέας αυτής δύναμης, η οποία ευθύνεται για τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στον πυρήνα των ατόμων. Το νέο σωματίδιο, ονομάστηκε μποζόνιο Ζ, και ήταν κομμάτι μια θεωρίας που μετέπειτα ονομάστηκε ηλεκτρασθενής, καθώς ενοποιούσε τον ηλεκτρομαγνητισμό με την ασθενή δύναμη, εντάσσοντάς τες στο πλαίσιο μιας κοινής θεωρίας.
Στη φύση, υπάρχουν δύο ειδών σωματίδια: αυτά από τα οποία αποτελείται η ύλη, τα οποία ονομάζονται φερμιόνια (κουάρκ, ηλεκτρόνιο, νετρίνα) επειδή υπακούουν στη στατιστική Fermi-Dirac, και εκείνα που φέρουν τις θεμελιώδεις δυνάμεις, τα μποζόνια (φωτόνιο, γκλουόνια, W, Z, Χιγκς, γκραβιτόνιο) που ακολουθούν τη στατιστική Bose-Einstein.

Η ανακάλυψη των W, Z έγινε με την παρατήρηση δύο φαινομένων που προέβλεπε η νέα θεωρία: την αλληλεπίδραση ενός νετρίνο με ένα ηλεκτρόνιο μέσα στο υγρό φρέον, και τη σκέδαση ενός νετρίνο σε ένα πρωτόνιο ή νετρόνιο. Τον Ιούλιο του 1973, είχαν παρατηρηθεί 166 συμβάντα της δεύτερης περίπτωσης, κι ένα συμβάν με ηλεκτρόνιο, τα οποία άνοιγαν το δρόμο για την απόδειξη της ηλεκτρασθενούς θεωρίας.
Χρειάστηκαν ακόμη 10 χρόνια, μέχρι το 1983 και τα πειράματα UA1 και UA2 ώστε να διαπιστωθεί με απόλυτη σιγουριά η ύπαρξη των μποζονίων W και Z, χαρίζοντας στους τρεις θεμελιωτές της θεωρίας το Νόμπελ Φυσικής, και υποδεικνύοντας στην κοινότητα των θεωρητικών φυσικών, πως βρίσκονταν στο σωστό δρόμο για την περιγραφή της Φύσης.

και λίγα περισσότερα για το πείραμα....από τον Μανώλη Χανιωτάκη

Ένα υπέροχο και πολύ δύσκολο πείραμα.
Σκοπός του ήταν να μετρήσει την αλληλεπίδραση:

νετρίνο μιονίου + νουκλεόνιο -> νετρίνο μιονίου + αδρόνια (1)
Οι μετρημένες μέχρι τότε οι αλληλεπιδράσεις νετρίνο είχαν ένα φορτισμένο λεπτόνιο στην τελική κατάσταση (γεγονός που μαρτυρούσε την διαμεσολάβηση ενός φορτισμένου φορέα , του W+ ή W-).
H αλληλεπίδραση που περιγράφουμε στην (1) απαιτεί την διαμεσολάβηση ενός ουδέτερα φορτισμένου σωματιδίου (το γνωστό πλέον Ζ) . Μια τέτοια διαδικασία έχει περίπου 4 φορές μικρότερη πιθανότητα να συμβεί απ΄την γνωστή διαδικασία "φορτισμένου ρεύματος" - δηλαδή την:

νετρίνο μιονίου + νουκλεόνιο -> μιόνιο + αδρόνια. (2)
Για να μετρήσει κανείς τις υπερβολικά σπάνιες αλληλεπιδράσεις νετρίνο πρέπει να έχει έναν πολύ μεγάλο στόχο . Στο πείραμα αυτό , χρησιμοποιήθηκε ως στόχος αλλά και ως μέσο ανίχνευσης ένας πολύ μεγάλος θάλαμος φυσσαλίδων. Ο θάλαμος ήταν γεμισμένος με φρέον, πυκνότητας 1500kg/m3 , και ο όγκος του ήταν 2m*4.5m .
Κάθε φορά που υπήρχε σκανδαλισμός , τραβιόταν και μια φωτογραφία του θαλάμου.
Συνολικά τραβήχθηκαν ~300000 φωτογραφίες οι οποίες ελέγχθηκαν.

Τι κοιτούσε κανείς στις φωτογραφίες?
Όταν ένα φορτισμένο σωμάτιο παραγόταν προκαλούσε φυσσαλίδες κατα μήκος της τροχιάς του.
Ανάλογα με το είδος του σωματιδίου (φορτίο, μάζα) και την ενέργειά του ανάλογο ήταν το μήκος της τροχιάς του και η διάμετρος των φυσσαλίδων. Έτσι γινόταν η ταυτοποίηση των σωματιδίων.
Η αλληλεπίδραση (1) που ήθελαν να μετρήσουν, όταν συνέβαινε στον ενεργό όγκο του ανιχνευτή, προκαλούσε ένα τοπικό "άστρο" (δηλαδή μερικές τροχιές αδρονίων μικρής εμβέλειας που ξεκινούσαν από το σημείο αλληλεπίδρασης).
Προφανώς το εισερχόμενο και το εξερχόμενο νετρίνο δεν μπορούσαν να παρατηρηθούν.
Το κύριο υπόβαθρο αυτής της διαδικασίας (1), δηλαδή μια άλλη διαδικασία που απομιμούνταν την πειραματική υπογραφή της (1) ήταν αλληλεπιδράσεις νετρονίων που εισέρχονταν στον κύριο όγκο του ανιχνευτή.

Τα νετρόνια παράγονταν απο αλληλεπιδράσεις νετρίνο έξω από τον ανιχνευτή (στα γύρω τοιχώματα κλπ). Επειδή τα νετρόνια είναι επίσης ουδέτερα, η τροχιά τους δεν ανιχνεύεται από τον θάλαμο φυσσαλίδων . Αν η ενέργειά τους είναι αρκετή, τότε όταν αυτά αλληλεπιδρούν με ένα νουκλεόνιο του θαλάμου, θα παράξουν ένα "άστρο" από φορτισμένα αδρόνια στην έξοδο.

Ο πανέξυπνος τρόπος που βρήκαν να διαχωρίσουν την διαδικασία (1) από την διαδικασία υποβάθρου ήταν ο εξής.
Τα νετρίνα καθώς εισέρχονται στον θάλαμο έχουν ίση πιθανότητα να αλληλεπιδράσουν σε όλο το μήκος του. Άρα αν είχαμε μόνο νετρίνα θα βλέπαμε "άστρα" που θα ήταν ισοκατανεμημένα κατα μήκος του θαλάμου.
Τα νετρόνια απ'την άλλη, διερχόμενα από την ύλη χάνουν ενέργεια και απορροφώνται με βάση τον εκθετικό νόμο Ν = Νο*e^-(λχ) , λ το μήκος απορρόφησης του νετρονίου.
Κατα συνέπεια κανείς περίμενε να δεί περισσότερες αλληλεπιδράσεις νετρονίων κοντά στην είσοδο της δέσμης, και αυτές να πέφτουν εκθετικά όσο απομακρυνόμαστε από αυτήν.
Με αυτήν την ανακάλυψη άνοιξε ο δρόμος για την ηλεκτρασθενή θεωρία , η οποία παντρεύει τον ηλεκτρομαγνητισμό με την ασθενή αλληλεπίδραση και αποδεικνύει οτι το φωτόνιο και η τριπλέτα των ασθενών βαρέων μποζονίων (Z,W-,W+) είναι ξαδέρφια.

Και ένα από τα "κουτσομπολιά" της εποχής

Το κακό αυτής της προσπάθειας ήταν οτι δεν τιμήθηκε με βραβείο Nobel παρ'ότι ήταν μια από τις μεγαλύτερες του αιώνα.
Αυτό λόγω πολιτικής του CERN και κακής διαχείρησης πόρων.
Όταν έχεις μία μεγάλη κοινοπραξία ανθρώπων, είναι δύσκολο να αποφασίσεις ποιός έκανε την περισσότερη δουλειά και συνεισέφερε πιο σημαντικά στο πείραμα. Αυτή η λογική "έριξε" αυτούς που πραγματικά δούλεψαν (π.χ τον Dieter Heidt) και στέρησε από το CERN ένα από τα πιο δυνατά πιθανά Nobel Φυσικής.

Πηγή Ναυτεμπορική   ΥλικόΝετ

http://home.web.cern.ch/about/experiments/gargamelle