Ανακάλυψη των ενδιάμεσων μποζόνιων W ± ,Z o .

1. ΕΛΕΝΗ ΜΑΓΓΙΩΡΟΥ ΥΠΕΥΘΥΝΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: Κα ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ Ανακάλυψη των ενδιάμεσων μποζόνιων W±,Zo.

2. Εισαγωγή: Το Καθιερωμένο Μοντέλο περιγράφει τις 4 θεμελιώδεις δυνάμεις : τις ισχυρές, τις ασθενείς, τις ηλεκτρομαγνητικές καθώς και την έλξη της βαρύτητας χρησιμοποιώντας τα ενδιάμεσα μποζόνια βαθμίδας, τους φορείς δηλαδή της εκάστοτε αλληλεπίδρασης.

3. Η Ασθενής Πυρηνική Δύναμη: • Έχει μικρή εμβέλεια, 10-16cm ,1000φορές μικρότερη της ισχυρής πυρηνικής • Είναι 10-4 φορές ασθενέστερη της HM αλληλεπίδρασης • Σε υψηλές ενέργειες η ΗΜ και η ασθενής αλληλεπίδραση έχουν την ίδια ισχύ • Συμμετέχουν όλα τα αριστερόστροφα λεπτόνια και κουάρκ • Είναι η μόνη δύναμη που επηρεάζει τα νετρίνα • Πιο οικείο αποτέλεσμα της, η β – διάσπαση

4. Συνέχεια... Η ασθενής αλληλεπίδραση έχει τις εξής ιδιαιτερότητες: • Είναι η μόνη αλληλεπίδραση ικανή να αλλάξει τους διάφορους κβαντικούς αριθμούς (flavour). • Είναι η μόνη αλληλεπίδραση η οποία παραβιάζει την συμμετρία αρτιότητας P (επειδή δρα μόνο σε αριστερόστροφα σωματίδια). • Είναι επίσης η μοναδική η οποία παραβιάζει τη συμμετρία CP. • Μεταδίδεται με πολύ βαριά μποζόνια βαθμίδας. Αυτή η ασυνήθιστη ιδιότητα εξηγείται στο καθιερωμένο μοντέλο μέσω του μηχανισμού Higgs.

5. Οι βασικές μορφές της ασθενούς αλληλεπίδρασης: Υπάρχουν τρεις βασικές μορφές της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Δύο από αυτές περιλαμβάνουν φορτισμένα μποζόνια, ενώ η τρίτη ένα μόνο ουδέτερο μποζόνιο. Ένα φορτισμένο λεπτόνιο (όπως ένα ηλεκτρόνιο ή ένα μιόνιο) εκπέμπει ή απορροφά ένα W μποζόνιο και μετατρέπεται στο αντίστοιχο νετρίνο. Ένα down κουάρκ (με φορτίο -1/3) εκπέμπει ή απορροφά ένα W μποζόνιο και μετατρέπεται σε μια υπέρθεση up κουάρκς. Το ίδιο μπορεί να συμβεί και αντίστροφα (ένα up κουάρκμπορεί να μετατραπεί σε υπέρθεση down κουάρκς). Είτε ένα λεπτόνιο είτε ένα κουάρκ εκπέμπουν ή απορροφούν ένα Z μποζόνιο.

6. Η Ηλεκτροασθενής θεωρία: Μια ενοποιημένη θεωρία του ΗΜ και των ασθενών αλληλεπιδράσεων από τους Glashow,Salam,Weinberg(1968). Σε πολύ υψηλές ενέργειες, το σύμπαν έχει τέσσερα ταυτόσημα άμαζα μποζόνια βαθμίδας, καθώς και ένα βαθμωτό πεδίο Higgs. Tα τέσσερα αυτά μποζόνια περιγράφονται από την ομάδα των συμμετριών: SU(2) × U(1) Βέβαια, σε χαμηλές ενέργειες η συμμετρία SU(2) σπάει αυθόρμητα από τον μηχανισμό Higgs. Αυτό το σπάσιμο της συμμετρίας παράγει τρία άμαζα μποζόνια τα οποία καταλαμβάνονται από τρία πεδία, δίνοντας τους μάζα. Αυτά τα τρία πεδία μετατρέπονται στα W και Ζ μποζόνια της ασθενούς αλληλεπίδρασης, ενώ το τέταρτο πεδίο παραμένει άμαζο και είναι το γνωστό φωτόνιο του ηλεκτρομαγνητισμού.

7. Όλοι οι φορείς είναι μποζόνια: φέρουν ακέραιο σπιν υπόκεινται στην στατιστική Bose-Einstein. δεν υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli ισχύει η αρχήαπροσδιοριστίας του Heisenberg: ΔΕ Δt = h/2π Οι φορείς αλληλεπίδρασης: Ένα Feymann διάγραμμα για βήτα διάσπαση ενός νετρονίου σε ένα πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο, και ένα αντινετρίνο ηλεκτρονίου μέσω ενός ενδιάμεσου W μποζονίου.

8. W Μποζόνιο: Το μποζόνιο W: • ονομάστηκε έτσι από την ασθενή (weak) πυρηνική δύναμη • Υπάρχουν δύο είδη μποζονίων W με ηλεκτρικό φορτίο +1 και −1 • Το W+ είναι το αντισωματίδιο του W− • έχει μάζα 80.4  GeV/c2 • έχει σπιν μονάδα • και χρόνο ζωής γύρω στα 3 × 10−25sec.

9. Συνέχεια … Η εκπομπή ενός W+ ή W– μποζονίου μπορεί να αυξήσει ή να μειώσει το ηλεκτρικό φορτίο του σωματιδίου που το εκπέμπει κατά 1μονάδα (σε ηλεκτρικές μονάδες) και να αλλάξει το σπιν επίσης κατά 1 μονάδα. Ταυτόχρονα, ένα W μποζόνιο μπορεί να αλλάξει τη γενιά ενός σωματιδίου, να αλλάξει για παράδειγμα ένα u κουάρκ σε ένα d κουάρκ.

10. ΖΜποζόνιο: Το μποζόνιο Z (ή Zο) : • Πήρε το όνομά του με χιουμοριστικό τρόπο, καθώς θεωρούνταν το τελευταίο σωματίδιο που έμενε να ανακαλυφθεί • είναι ηλεκτρικά ουδέτερο • και ταυτίζεται με το αντι-σωματίδιο του • έχει μάζα 91.2 GeV/c2 • έχει σπιν μονάδα • και χρόνο ζωής γύρω στα 3 × 10−25sec.

11. Συνέχεια … Το Zo μποζόνιο μπορεί να αλλάξει μόνο το σπιν και την ορμή, επομένως δεν αλλάζει ποτέ τη γενιά ή τη γεύση του σωματιδίου που το εκπέμπει. Oι διασπάσεις του Ζ σε δύο φορτισμένα σωματίδια είναι πιο εύκολο να ανιχ-νευθούν γιατί μπορούν να μετρηθούν ταυτόχρονα οι ορμές και των δύο λεπτονίων

12. Η πρώτη πειστική ένδειξη... Το 1973, στο CERN, παρατηρήθηκαν ουδέτερες αλληλεπιδράσεις. Στον τεράστιο θάλαμο φυσαλίδων, Gargamelle ,φωτογραφήθηκαν μερικά ηλεκτρόνια τα οποία άρχισαν ξαφνικά να κινούνται. Αυτό ερμηνεύθηκε ως ένα νετρίνο, που αλληλεπιδρά με το ηλεκτρόνιο μέσω ανταλλαγής ενός αόρατου μποζονίου Ζ. Στη φωτογραφία, ένα neutrino υψηλής ενέργειας έχει περάσει μέσα από τον θάλαμο φυσαλίδων Gargamelle, το ίδιο απαρατήρητο, αλλά στο πέρασμά τουκαθορίζει την κίνηση των άλλων σωματιδίων.

13. Η θεωρητική πρόβλεψη: Η θεωρητική πρόβλεψη για τις μάζες: MW=38.5/sinθWκαι MΖ=MW/cosθW Marciano & Parsa (Nucl. Phys.1982): sin2θW=0.215 ±0.014 Άρα: MW = 83.0 ± 3.0 GeV/c2 MZ = 93.8 ± 2.5 GeV/c2 90 φορές ημάζα πρωτονίου

14. ...διάσπαση…

15. Στην πράξη όμως… Ο φυσικός Carlo Rubbia ξεκίνησε τη μελέτη των αντιπρωτωνίων το 1976 με τη συμμετοχή, βέβαια, περίπου 130 φυσικών από 13 ερευνητικά κέντρα, μέχρι τις ανακαλύψεις των W και Ζ. Για την επίτευξη ενεργειών αρκετά υψηλών για την παραγωγή αυτών των σωμάτιων, ο Rubbia πρότεινεστο CERN, ένα ριζικά διαφορετικό σχεδιασμό επιταχυντή, τον δακτύλιο συγκρούσεων πρωτονίων – αντιπρωτονίων.

16. Κατά τη σύγκρουση των δύο δεσμών η συνολική ενέργεια στο κέντρο μάζας είναι μεγάλη ενώ η ορμή του συστήματος μηδέν. Επομένως όλη η ενέργεια είναι διαθέσιμη να μετατραπεί σε μάζα. • Στα υπάρχοντα σύγχροτρα πρωτονίων μπορούν να επιταχυνθούν ταυτόχρονα αντι-πρωτόνια με πρωτόνιακαι να κινηθούν σε πολύ κοντινές αποστάσεις, αλλά με αντίθετες τροχιές. Επειδή όμως τα quarksκαι τα γλουόνια που συμμετέχουν φέρουν ένα τμήμα της ενέργειας του πρωτονίου χρειαζόμαστε μιασύγκρουση πρωτονίου 270 GeVμε αντιπρωτόνιο 270 GeV, ώστε η διαθέσιμη ενέργεια όταν ένα quarkαπό το πρωτόνιο εξαϋλώνει ένα antiquarkαπό το αντιπρωτόνιο να είναι αρκετή για την παραγωγή σωμα-τιδίων περίπου 80 – 90 GeV.

17. Όμως τα αντιπρωτόνια έχουν ευρύ φάσμα σχετικιστικής ορμής και θα χαθούν αν οδηγηθούν απευθείας στο σύγχροτρο. • Όμως ήταν απαραίτητη η παραγωγή και η αποθήκευση υψηλής ενέρ-γειας δεσμών αντι-πρωτονίων. • Μια δέσμη πρωτονίων 28GeVαπό ένα μικρότερο σύγχροτρο PS σε στόχο βολφραμίου μας έδινε1 αντιπρωτόνιο κάθε ένα εκατομμύριο γεγονότα. • Οδηγούνται σε ένα δακτύλιο από μαγνήτες (Antiproton Accumulator) στα 3,5 GeV. • Μετά από 10hέχουμε περίπου 1011 αντι-πρωτόνια. Εικόνα σύγκρουσης πρωτονίων – αντιπρωτονίων ενέργειας 540 GeV.

18. Ο μηχανισμός στοχαστικής ψύξης... Η τεχνική της ψύξης παίρνει το όνομά της από τη σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας και της ενέργειας των σωματιδίων. Ωστόσο η πορεία της ψύξης δεν αναφέρεται σε μια διαδικασία με την οποία μειώνονται όλες τις ενέργειες των σωματιδίων σε μια ακτίνα (έτσι ώστε η δέσμη να γίνεται «κρύα»), αλλά για μια διαδικασία η οποία μειώνει (ή «δροσίζει»), τη διάδοση της ενέργειας των σωματιδίων γύρω από μια επιθυμητή τιμή. Simon van der Meer, αρχιτέκτονας της πορείας της στοχαστικής «ψύξης», που άνοιξε τον δρόμο για το έργο antiproton CERN.

19. Η σημασία μιας τέτοιας ψύξης είναι ότι ένα δαχτυλίδι αποθήκευσης θα δεχθεί και θα διατηρήσει μόνο ένα μικρό φάσμα της ενεργειακής αξίας γύρω από την επιθυμητή τιμή. Αν τα αντιπρωτόνια με αρχικά ευρύ φάσμα των πηγών ενέργειας μπορεί να ψυχθούν μέσα στο μικρό διάστημα του δακτυλίου αποθήκευσης, με αποτέλεσμα τη μείωση της τυχαίας κίνησης των σωματιδίων της δέσμης, τότε έντονες δέσμες αντιπρωτονίων μπορούν να καταστούν εφικτές.

20. Η διαδικασία… • Τα πρωτόνια επι-ταχύνονται στο PS στα 28GeVκαι μεταφέρονται στο SPS • Τα αντιπρωτόνια μετα-φέρονται από το AA στο PS, όπου επιταχύνονται από τα 3,5 στα 28GeVκαι μεταφέρονται στο SPS • Στο SPS οι δύο δέσμες που περιστρέφονται αντίθετα επι-ταχύνονται από τα 28 στα 270GeV

21. Η διαδικασία… • Οι δύο δέσμες οδη-γούνται σε σύγκρουση σε συγκεκριμένα σημεία όπου υπάρχουν ανιχνευτές, κάτω από την επιφάνεια της γης (underground areas,UA) • Οι συγκρούσεις με μόρια αερίου που έχουν ξεμείνει στον αγωγό και άλλες διεργασίες οδηγούν στην εξασθένιση της δέσμης μετά από περίπου 24 ώρες.

22. Αφού τα μποζόνιαW, Z παράγονται σε ηρεμία, τα λεπτόνια που παράγονται από τη διάσπασή τους θα έχουν ίσες και αντίθετες ορμές. Οι μάζες τους είναι μικρές άρα έχουμε σχετικιστική κινηματική: Ε=pc=(1/2)Mc2 αναμενόταν περίπου 40GeV Έτσι η πειραματική μεταβλητή που μετριέται είναι η συνιστώσα της ενέργειας που είναι εγκάρσια στον άξονα της δέσμης, όπου τα τυχαίαγεγονότα υποστρώματος (background) είναι πολύ λίγα: Ετ = Εsinθ Άλλα λεπτόνια που προέρχονται, για παράδειγμα από διασπάσεις αδρονίων, έχουν πολύ μικρότερες τιμές της Ετ ≈ 40GeV . Η υπογραφή ενός σωματιδίου W, όπως καταγράφεται στο UA2 ανιχνευτή. Ένας μοναδικός υψηλός εγκάρσιος πύργος ηλεκτρονίων με ορμή πάνω από ένα άγονο τοπίο.

23. Ο Ανιχνευτής... Ο ανιχνευτής, λοιπόν έπρεπε να έχει τα εξής στοιχεία: • Ανιχνευτές ίχνους στο κέντρο για να παρατηρηθούν τα φορτισμένα σωμάτια μέσα σε μαγνητικό πεδίο. • ΗΜθερμιδόμετρα καταιγισμού για να μετρήσουν τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια. • Ανιχνευτές αδρονίων, (αδρονικά θερμιδόμετρα), για να μετρηθούν οι αδρονικοί πίδακες • Ειδικούς ανιχνευτές για την αναγνώριση των μιονίων, τα οποία βγαίνουν προς τα έξω.

24. Ο Ανιχνευτής... • Τα φορτισμένα σωμα-τίδια που διασχίζουν το αέριο ιονίζουν τα μόρια και αυτά τα ιόντα οδηγούνται στα σύρματα. Διαβάζουμε τους παλμούς από τα 6000 καθοδικά καλώδια (με ηλεκτρονική ενίσχυση) • Γύρω από τον αγωγό της δέσμης υπάρχει ο κεντρικός ανιχνευτής που αποτελείται από drift chambersσε ημικυλινδρικά τμήματα • Μέσα σε κάθε θάλαμο υπάρχουν επίπεδα με καλώδια σε διαστήματα 0,2 m σε δυναμικό 30kV. Το ενδιάμεσο αέριο είναι αιθάνιο/αργό σε 1atm.

25. Ο Ανιχνευτής... • Ένα πηνίο Helmholtz αλουμινίου γύρω από τον κεντρικό ανιχνευτή παρέχει μαγνητικό πεδίο 0,7 Τ. • Από τις καμπύλες τροχιές των φορτισμένων σωματιδίων λόγω του μαγνητικού πεδίου, μπο-ρούμε να υπολογίσουμε την ορμή (και την ενέργεια) των σωματιδίων. • Γύρω από τον κεντρικό ανιχνευτή υπάρ-χουν διάφορα στρώματα που ξεχωρίζουν κάθε είδος σωματιδίου…

26. Τo πείραμα UA1... • Το πείραμα UA1με συντονιστή τον Carlo Rubbiaκαι με σχεδόν 130 συνεργάτες ξεκίνησε τον Ιανουάριο 1979 στοCERN. • Ο UA1 κεντρικός ανιχνευτής ήταν ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της πολύπλοκης τοπολογίας των γεγονότων πρωτονίων-αντιπρωτονίων. Έπαιξε ένα πολύ σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό των W και Z μεταξύ των δισεκατομμυρίων των συγκρούσεων. Στις 25 Ιανουαρίου 1983, στο CERN πραγματοποιείται η συνέντευξη τύπου για την ανακοίνωση της ανακάλυψης των σωματιδίων W.

27. Τo πείραμα UA1... Ο ανιχνευτής αποτελείται από 6 κυλινδρικούς θαλάμους συνολικού μήκους 5,8 m και διαμέτρου 2,3 m, η μεγαλύτερη απεικόνιση drift chamberεκείνης της εποχής. Καταγράφει τις τροχιές των φορτισμένων σωματιδίων, αφού πρώτα καμφθούν σε μαγνητικό πεδίο 0,7 Tesla. Ακόμη μετρείται η ορμή τους, το πρόσημο του ηλεκτρικού φορτίου τους και το ποσοστό τους απωλειών ενέργειας (dE / dx). Ο UA1 Ανιχνευτής ήταν ένας τεράστιος και πολύπλοκος ανι-χνευτής. Είχε σχεδιαστεί ως ανιχνευτής γενικής και πολλαπλής χρήσης.

28. Τo πείραμα UA1... Carlo Rubbia στον UA1 ανιχνευτή Η πλήρωση των θαλάμων γίνεται από ένα μείγμα αερίων αργού – αιθάνιου, των οποίων τα άτομα ιονίζονται από το πέρασμα των φορτισμένων σωματιδίων. Τα ηλεκτρόνια που παρήχθησαν δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο που διαμορφώνεται από τα επίπεδα σύρματα και συγκεν-τρώνεται στα ευαίσθητα σύρματα. Η γεωμετρική διάταξη των 17000 επίπεδων καλωδίων κα των 6125 ευαίσθητων καλωδίων επέτρεψε μια θεαματική 3-D απεικόνιση των ανακατασκευασμένων φυσικών γεγονότων που παρήχθησαν.

29. Τo πείραμα UA2... Το πείραμα UA2με συντονιστή τον Pierre Darriulat και με σχεδόν 60 συνεργάτες ξεκίνησε τον Ιούλιο 1979 στοCERN. Στο κεντρικό θερμιδόμετρο του UA2 μετριέται η ενέργεια των μεμονωμένων σωματιδίων που δημιουργήθηκαν σε συγκρούσεις πρωτονίων-αντιπρωτονίων. Απαιτείται ακριβής βαθμονόμηση, έτσι ώστε να επιτρέπεται να μετρηθούν οι W και Ζ μάζες που πρέπει να έχουν ακρίβεια της τάξης του 1%. Pierre Darriulat, εκπρό-σωπος του UA2 πειράματος.

30. Τo πείραμα UA2... Το θερμιδόμετρο έχει 24 κομμάτια, κάθε ένα από αυτά ζυγίζει 4 τόνους. Τα κομμάτια αυτά οργανώθηκαν σαν τμήματα από πορτοκάλι γύρω από το σημείο σύγκρουσης. Εισερχόμενα σωμα-τίδια παράγουν καταιγισμούς δευτερογενών σωματιδίων στα στρώματα βαρέων υλικών. Αυτοί οι καταιγισμοί περνούν από τα στρώματα πλαστικού σπινθηριστή, δημιουργώντας φως, το οποίο λαμβάνεται και καθοδηγείται στην ηλεκτρονική συλλογή των δεδομένων. Το ποσό του φωτός είναι ανάλογο με την ενέργεια του αρχικού σωματιδίου. Ο UA2 ανιχνευτής, ο οποίος είχε έναν πιο εστιασμένο σχεδιασμό, και ήταν πιο συμπαγής από τον UA1 ανιχνευτή.

31. Τo πείραμα UA2... Το εσωτερικό του αποτελείται από 23 εκατοστά μόλυβδου και πλαστικού σε μορφή σάντουιτς για την μέτρηση των ηλεκτρονίων και φωτονίων. Το εξωτερικό του αποτελείται από 80 εκατοστά σιδήρου και πλαστικού σε μορφή σάντουιτς όπου μετρούνται τα αδρόνια, που αλληλεπιδρούν έντονα. Ο UA2 ανιχνευτής, δείχνει τα τέλεια διαστήματα σπινθηριστών στον κεντρικό ανιχνευτή και τα μεγάλα μαγνητικά φασματόμετρα και στις δύο πλευρές.

32. Μεγάλη επιτυχία στην Φυσική Υψηλών Ενεργειών !!!! • Σωστές μάζες • Ασυμμετρία W διάσπασης • Σωστοί ρυθμοί παραγωγής. • Τεχνολογικός Θρίαμβος • Επιβεβαίωση του Standard Model Ανοίγει ο δρόμος για την ενοποίηση όλων των δυνάμεων !!!!!!

33. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ: • I.Δ. ΒΕΡΓΑΔΟΣ, Η ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΠΟΥΛΟΣ, Εισαγωγή στα στοιχειώδη σωματίδια και την κοσμολογία • D. Η. PEPKINS, Εισαγωγή στη φυσική υψηλών ενεργειών • W.N. COTTINGHAM &D. A. GREENWOOD Εισαγωγή στην πυρηνική φυσική • http://nobelprize.org/nobel_ prizes/physics/laureates/1984/ • http://cerncourier.com/cws/article/cem/29053 • public. web. cern. ch/public/ • cern-discoveries. web. cern. Ch/cern-discoveries/Story/UΑ1. html • www.hep.phy.cam.ac.uk/history/ua2/ • http://cern-discoveries.web.cern.ch/cern-discoveries/Courier/HeavyLight/Heavylight.html • http:/ /www.physics4u.gr/articles/2002/weak.html • http://www.symmetrymagazine.org/cms/ • http://www.everything2.com/index.pl?node=Z%20particle • http://www.livepedia.gr • http://el.wikipedia.orgr • http://cern-discoveries.web.cern.ch/cern-discoveries/