Πριν από σαράντα χρόνια, σήμερα, φυσικοί του CERN ανακοίνωσαν στον κόσμο ότι ανακάλυψαν τον ηλεκτρικά φορτισμένο φορέα της ασθενούς δύναμης, μιας από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης.
Ακριβώς πριν από τέσσερις δεκαετίες, στις 25 Ιανουαρίου 1983, οι φυσικοί του CERN ανακοίνωσαν στον κόσμο ότι είχαν παρατηρήσει ένα νέο στοιχειώδες σωματίδιο – το μποζόνιο W. Μαζί με το ηλεκτρικά ουδέτερο αντίστοιχό του, το μποζόνιο Ζ, το οποίο ανακαλύφθηκε αργότερα το ίδιο έτος, το ηλεκτρικά φορτισμένο μποζόνιο W μεσολαβεί στην ασθενή δύναμη, μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης.
Μέσω αυτής της δύναμης, το μποζόνιο W επιτρέπει την αντίδραση πυρηνικής σύντηξης που τροφοδοτεί τον Ήλιο, χωρίς την οποία η ζωή όπως ξέρουμε δεν θα ήταν δυνατή. Το μποζόνιο W είναι επίσης υπεύθυνο για μια μορφή ραδιενέργειας, που ονομάζεται ραδιενεργή διάσπαση βήτα, που χρησιμοποιείται ευρέως στην ιατρική.
Η ανακάλυψη του μποζονίου W ήταν το αποτέλεσμα μιας ιδέας που προτάθηκε το 1976 από τους Carlo Rubbia, Peter McIntyre και David Cline. Η τριάδα των φυσικών πρότεινε τη μετατροπή του μεγαλύτερου επιταχυντή του CERN εκείνη την εποχή, του Super Proton Synchrotron (SPS), από επιταχυντή πρωτονίων σε μηχανή για να συγκρουστεί πρωτόνια και αντιπρωτόνια (τα ισοδύναμα αντιύλης των πρωτονίων ) σε αρκετά υψηλή ενέργεια για να παράγει W και Ζ μποζόνια. Μαζί με την έξυπνη τεχνική « στοχαστική ψύξη» του Simon van der Meer, η οποία κατέστησε δυνατή τη μείωση του μεγέθους και την αύξηση της πυκνότητας ενός πρωτονίου και, αργότερα, μιας δέσμης αντιπρωτονίου, αυτή η τολμηρή ιδέα επέτρεψε τα UA1 και UA2 πειράματα που χτίστηκαν γύρω από το μετατρεπόμενο SPS για να ξεκινήσουν το κυνήγι για τα μποζόνια W και Z το 1981.
Δύο χρόνια αργότερα, σε ένα σεμινάριο στις 20 Ιανουαρίου 1983 που πραγματοποιήθηκε στο Κύριο Αμφιθέατρο του CERN, ο Rubbia, εκπρόσωπος της συνεργασίας UA1, αποκάλυψε έξι υποψήφια συμβάντα σύγκρουσης για το μποζόνιο W. Το επόμενο απόγευμα, ο Luigi Di Lella της συνεργασίας UA2 παρουσίασε τέσσερα υποψήφια συμβάντα W και, στις 25 Ιανουαρίου 1983, το CERN μετέδωσε την είδηση της ανακάλυψης του νέου σωματιδίου στον κόσμο.
Και αν αυτό δεν ήταν αρκετό για να γιορτάσει και να στεφθεί η επιτυχία του μετατρεπόμενου SPS, την ανακάλυψη του μποζονίου W ακολούθησε λίγους μήνες αργότερα αυτή του μποζονίου Z, έμμεσα στοιχεία για το οποίο είχαν ληφθεί μια δεκαετία νωρίτερα στον θάλαμο φυσαλίδων Gargamelle του CERN.
Οι παρατηρήσεις των μποζονίων W και Z επιβεβαίωσαν περαιτέρω τη θεωρία της ηλεκτροασθενούς αλληλεπίδρασης που ενοποιεί τις ηλεκτρομαγνητικές και τις αδύναμες δυνάμεις και απαιτεί την ύπαρξη του μποζονίου Higgs, το οποίο βρέθηκε στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) το 2012. Αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1960 από τους Sheldon Glashow, Abdus Salam και Steven Weinberg και εδραιώθηκε τη δεκαετία του 1970 από τους Gerard ‘t Hooft και Martinus Veltman, αυτή η θεωρία είναι τώρα ο ακρογωνιαίος λίθος του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής.
Οι ανακαλύψεις W και Z αναγνωρίστηκαν με το Νόμπελ Φυσικής το 1984 για τους Rubbia και Van der Meer και βοήθησαν να διασφαλιστεί η απόφαση για την κατασκευή του επόμενου μεγάλου επιταχυντή του CERN, του Large Electron–Positron Collider (LEP), ο οποίος συνέχισε να μελετά το W. και τα μποζόνια Ζ αναλυτικά.
Σαράντα χρόνια μετά, και μετά από πολλές έρευνες στο LEP και σε άλλους επιταχυντές, συμπεριλαμβανομένου του LHC, τα μποζόνια W και Z συνεχίζουν να δείχνουν τις ρίγες τους και παρέχουν στους φυσικούς νέους τρόπους εξερεύνησης των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς της ύλης στη μικρότερη κλίμακα.
Για να δώσουμε μερικά παραδείγματα, το 2021 η συνεργασία ATLAS ανέφερε την παρατήρηση της σπάνιας ταυτόχρονης παραγωγής τριών μποζονίων W και το CMS έλαβε μια μέτρηση υψηλής ακρίβειας του μετασχηματισμού των μποζονίων Ζ σε αόρατα σωματίδια. Και το 2022, με βάση τα δεδομένα που συνέλεξε ο πρώην επιταχυντής Tevatron , η συνεργασία CDF ανακοίνωσε την πιο ακριβή μέτρηση της μάζας του μποζονίου W. Ωστόσο, η τιμή μάζας του μποζονίου CDF W βρίσκεται σε τάση με προηγούμενα αποτελέσματα, συμπεριλαμβανομένου του πρώτου στο LHC από τους ATLAS και LHCb, που απαιτούν νέες μετρήσεις με αυξημένη ακρίβεια.
Η έρευνα σε αυτές και σε άλλες πτυχές των μποζονίων W και Z θα συνεχιστεί στο LHC και την προγραμματισμένη αναβάθμισή του, τον LHC υψηλής φωτεινότητας.
Ο Carlo Rubbia, εκπρόσωπος της συνεργασίας UA1, αποκαλύπτει έξι υποψήφια συμβάντα μποζονίων W σε ένα σεμινάριο στις 20 Ιανουαρίου 1983. (Βίντεο: CERN)
