Μια ιστορία για το γοητευτικό κουάρκ

Η ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ Κ – ΜΕΣΟΝΙΟΥ Ή ΟΥΔΕΤΕΡΟΥ ΚΑΟΝΙΟΥ
Το ουδέτερο καόνιο είναι ένα σωματίδιο που παράγεται στους επιταχυντές σωματιδίων και διασπάται ταχύτατα σε άλλου είδους σωματίδια σε άλλου είδους σωματίδια, σε χρόνο που δεν υπερβαίνει το εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Διαπιστώθηκε ότι το ουδέτερο καόνιο διασπάται σε πολλούς συνδυασμούς άλλων σωματιδίων όπως ορθά προέβλεπε η θεωρία.
Εντούτοις η έκπληξη προέκυπτε από κάτι που δεν παρατηρούνταν. Δεν παρατηρούνταν η διάσπαση του ουδέτερου καονίου σε ζεύγος ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου, παρότι η διάσπαση αυτή προβλεπόταν από τη θεωρία των κουάρκ. Η μη παρατήρηση αυτής της διάσπασης μπορούσε να εκληφθεί ως ένδειξη ότι η θεωρία δεν «δουλεύει» σωστά».
Το ουδέτερο καόνιο αποτελείται σύμφωνα με τη θεωρία από ένα κάτω κουάρκ και ένα παράδοξο αντικουάρκ. Η διάσπαση του καονίου σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου αναμένονταν να συντελεστεί σε μια διαδικασία τεσσάρων βημάτων.

Στα ενδιάμεσα βήματα εμπλέκονται το αντινετρίνο και τα διανυσματικά μποζόνια W+ και W-. Στο δεύτερο βήμα, το πάνω κουάρκ συνδυάζεται με το παράδοξο αντικουάρκ από το ουδέτερο καόνιο, με αποτέλεσμα να σχηματιστεί ένα σωματίδιο W+. Στο τρίτο βήμα, τοW- διασπάται σε ένα αντινετρίνο και ένα ηλεκτρόνιο, και τέλος, στο τέταρτο βήμα το αντινετρίνο συνδυάζεται με το W+, οπότε και σχηματίζεται ένα ποζιτρόνιο. Παρά την επισταμένη μελέτη αυτού του διαγράμματος, οι επιστήμονες αδυνατούσαν να βρουν κάποιο λόγο που να απαγορεύει αυτή τη διαδικασία. Διάφορες ιδιότητες του ουδέτερου καονίου δεν επέτρεπαν την παραμικρή αμφιβολία σχετικά με τη σύστασή του, ότι δηλ. πρέπει να αποτελείται από ένα κάτω κουάρκ και ένα παράδοξο αντικουάρκ. Επιπλέον θεωρούνταν βέβαιο ότι και τα 4 βήματα της διαδικασίας περιγράφουν πραγματικές αλληλεπιδράσεις, παρότι αυτές δεν είχαν παρατηρηθεί άμεσα....
Πράγματι, τα ενδιάμεσα διανυσματικά μποζόνια W+ και W- δεν παρατηρήθηκαν παρά μόνο το 1983. Ωστόσο, αυτά βήματα παρουσιάζονται και σε διαφορετικές αντιδράσεις, οι οποίες είχε διαπιστωθεί ότι συμβαίνουν. Αν λοιπόν κάποιο από αυτά τα βήματα ήταν αδύνατο, τότε πως θα μπορούσαν να συντελούνται όλες εκείνες οι διαφορετικές αντιδράσεις; Αν πάλι όλα τα βήματα ήταν δυνατά, τι θα τα εμπόδιζε να συντελεστούν με τη σειρά που δείξαμε παραπάνω, προκαλώντας τη διάσπαση ενός ουδέτερου καονίου σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου;
Το 1970 οι Glashow, Ηλιόπουλος και Maiani πρότειναν μια λύση αυτού του γρίφου. Υπέθεσαν ότι πέραν των τριών τύπων κουάρκ που ήδη περιελάμβανε η θεωρία, υπάρχει και ένας τέταρτος. Την ύπαρξη αυτού του τέταρτου κουάρκ την είχαν ήδη εισηγηθεί ο Glashow και ο James Bjorken, εκκινώντας από ορισμένες θεωρήσεις που αφορούσαν τις συμμετρίες του πίνακα των γνωστών σωματιδίων. Το είχαν μάλιστα αποκαλέσει γοητευτικό και ίδιο όνομα επανεμφανίστηκε στην πολύ συγκεκριμένη πρόταση των Glashow, Ηλιόπουλου και Maiani. Μετά την προσθήκη του γοητευτικού κουάρκ, το ουδέτερο καόνιο θα μπορούσε να διασπαστεί σε ζεύγος ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου μέσω δυο ξεχωριστών διαδικασιών. Ήδη παρουσιάσαμε την πρώτη. Η δεύτερη θα ήταν μια εναλλακτική διαδικασία επίσης 4 βημάτων, στην οποία το πάνω κουάρκ που παράγεται στο 1ο βήμα και απορροφάται στο 2ο βήμα της πρώτης διαδικασίας αντικαθίσταται από ένα γοητευτικό κουάρκ.
Η θεωρία λοιπόν που περιλαμβάνει το νέο κουάρκ επιτρέπει δυο ακολουθίες γεγονότων: και οι δυο ξεκινούν με ένα ουδέτερο καόνιο και καταλήγουν σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου. Στην πρώτη ακολουθία εμφανίζεται στα βήματα 1 και 2 ένα πάνω κουάρκ, που στη δεύτερη ακολουθία παραχωρεί τη θέση του σε ένα γοητευτικό κουάρκ. Σύμφωνα με τους κανόνες του κοινού νου, η ολική πιθανότητα διάσπασης του ουδέτερου καονίου σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου θα έπρεπε να ισούται με το άθροισμα των πιθανοτήτων των δυο ακολουθιών. Ωστόσο οι κανόνες της κβαντικής λογικής είναι πολύ διαφορετικοί από τους κανόνες του κοινού νου.
Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, αν δυο διαφορετικές ακολουθίες γεγονότων έχουν την ίδια αρχή και κατάληξη, για κάθε ακολουθία υπολογίζουμε μια ποσότητα που ονομάζεται πλάτος πιθανότητας. Αυτή η ποσότητα και η έννοια της πιθανότητας συνδέονται άμεσα, αλλά διαφέρουν ως προς τη μαθηματική μορφή. Η πιθανότητα είναι εξορισμού ένας αριθμός ανάμεσα στο μηδέν και το ένα. Το πλάτος πιθανότητας από την άλλη, περιγράφεται από ένα διάνυσμα. Το μήκος του είναι πάντα ένας αριθμός ανάμεσα στο μηδέν και το ένα. Αν μια συγκεκριμένη κατάληξη είναι δυνατόν να προκύψει από μια μόνο ακολουθία τότε η πιθανότητα ισούται με το τετράγωνο του μήκους του διανύσματος που περιγράφει το πλάτος πιθανότητας, ενώ η κατεύθυνση του διανύσματος μας είναι παντελώς αδιάφορη. Προκειμένου, όμως, για τη διάσπαση του ουδέτερου καονίου σε ζεύγος ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου, υπάρχουν δυο ακολουθίες που οδηγούν στο ίδιο αποτέλεσμα. Σ’ αυτή την περίπτωση, οι κανόνες της κβαντικής θεωρίας ορίζουν διανυσματικό άθροισμα των δυο πλατών πιθανότητας. Η ολική πιθανότητα του αποτελέσματος ισούται με το τετράγωνο του μήκους του νέου διανύσματος.

Μολονότι είναι αδύνατο να ανακαλυφθεί έστω και η ελάχιστη ομοιότητα ανάμεσα σε αυτό τον κανόνα και τον κοινό νου, υπάρχουν χιλιάδες πειράματα που έχουν δείξει ότι έτσι ακριβώς συμπεριφέρεται η φύση.
Οι Glashow, Ηλιόπουλος και Maiani πρότειναν ένα συγκεκριμένο σύνολο κανόνων για τον υπολογισμό του πλάτους πιθανότητας που αντιστοιχεί στις αντιδράσεις του γοητευτικού κουάρκ με τα άλλα σωματίδια. Βάσει αυτών των κανόνων, το πλάτος πιθανότητας για τη δεύτερη ακολουθία έχει το ίδιο μήκος με το διάνυσμα της πρώτης, αλλά αντίθετη κατεύθυνση. Οπότε το νέο διάνυσμα έχει μηδενικό μήκος, δηλαδή αντιστοιχεί σε μηδενική πιθανότητα. Έτσι, με την εισαγωγή ενός εναλλακτικού μηχανισμού μέσω του οποίου θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί η διάσπαση σε ζεύγος ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου, επετεύχθη η εξήγηση του λόγου για τον οποίο η διάσπαση ουδόλως πραγματοποιείται!
Μολονότι από μόνη της η εν λόγω εξήγηση πιθανόν να μην αρκούσε για να πειστεί η επιστημονική κοινότητα, η διάσπαση που εξετάσαμε εδώ αποτελούσε μια μόνο περίπτωση ανάμεσα σε 6 περίπου διαδικασίες οι οποίες αναμένονταν μεν, πλην όμως δεν παρατηρούνταν, Οι Glashow, Ηλιόπουλος και Maiani έδειξαν ότι η ύπαρξη του γοητευτικού κουάρκ μπορούσε να εξηγήσει το λόγο για τον οποίο δεν παρατηρούνταν η καθεμιά από αυτές τις διαδικασίες. Η προτεινόμενη θεωρία αντιμετώπιζε μια μόνο δυσκολία: κανένα από τα μέχρι τότε σωματίδια δεν φαινόταν να περιέχει γοητευτικά κουάρκ. Συνεπώς, έπρεπε κανείς να δεχτεί ότι το γοητευτικό κουάρκ είναι πολύ βαρύτερο από τα υπόλοιπα κουάρκ, οπότε κάθε σωματίδιο που περιέχει ένα γοητευτικό κουάρκ θα είχε τόσο μεγάλη μάζα ώστε να μην είναι δυνατή η παραγωγή του στα πειράματα τα οποία είχαν διεξαχθεί ως τότε στους επιταχυντές σωματιδίων.
Το Νοέμβριο του 1974, ένα νέο σωματίδιο, με μάζα που υπερέβαινε κατά τρεις φορές και πλέον την μάζα του πρωτονίου, ανακαλύφθηκε ταυτόχρονα στο Εθνικό Εργαστήριο του Μπρουκχέϊβεν και στο Κέντρο Γραμμικού Επιταχυντού του Στανφοντ. Το νέο σωματίδιο ονομάστηκε J στην ανατολική ακτή και Ψ στην δυτική. Το σημερινό του όνομα J/Ψ, φέρει εμφανή τα σημεία του συμβιβασμού. Οι ιδιότητες αυτού του σωματιδίου δείχνουν ότι αποτελείται από ένα γοητευτικό κουάρκ και ένα γοητευτικό αντικουάρκ. Ο Glashow και οι επικεφαλείς των δυο ομάδων που ανακάλυψαν το σωματίδιο J/Ψ τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ.
ΠΗΓΗ: «Γνωρίζοντας το ον εκ του μη όντος», Alan H. Guth,
Quantum, Σεπτέμβριος/Οκτώβριος 1999
Περισσότερες λεπτομέρειες: Quantum Field Theory, Claude Itzykson, Jean – Bernard Zuber, p. 628