به دنبال ذره دبلیو

ایجاد وحدت میان پدیده‌های ظاهراً متفاوت فیزیكی همواره نمایانگر پیشرفت بزرگی بوده است. نمونه كلاسیك آن را می‌توان ایجاد وحدت میان الكتریسیته، مغناطیس و نور دانست كه در سال 1205/1826 توسط جیمز كلارك ماكسول انجام شد. در فیزیك هسته‌ای نیز فرآیندهایی وجود دارند كه ظاهراً نقاط مشترك كمی با یكدیگر دارند ولی انتظار می‌رود كه بتوان میان آن‌ها نیز وحدت برقرار كرد. كشف ذره W، كه در ماه‌های اخیر در مجامع علمی جنجال برانگیز‌ترین خبر بوده است، در صورت تأیید، گام قاطعی در وحدت میان برهم‌كنش‌های الكترومغناطیسی و ضعیف خواهد بود. اصل این ماجرا در سال 1314/1935 شروع شد كه هیده‌كی یو‌كاوا، فیزیك‌دان ژاپنی، پیشنهاد كرد به نیروی بین ذره‌های تشكیل دهنده هسته (نوكلئون‌ها) باید ذره‌های (مبادله‌ای) خاصی وابسته كرد. در آن زمان دقیقاً می‌دانستند كه نیروی الكترومغناطیسی میان ذرات باردار توسط فوتون‌ها (بسته‌های نور) مبادله می‌شود. بنابراین یوكاوا پیشنهاد كرد نیروهای هسته‌ای قوی كه پروتون‌ها و نوترون‌ها را كنار هم نگه می‌دارند باید توسط ذراتی كه آن‌ها را (مزون) نامید مبادله شوند. وجود این مزون‌ها در سال 1326/1947 در پرتوهای كیهانی كشف شد. یوكاوا همچنین پیشنهاد كرد كه نیروهای هسته‌ای ضعیف نیز باید توسط ذره‌هایی مبادله شوند.
گرچه پدیده‌های الكترومغناطیسی و هسته‌ای ظاهر كاملاً متفاوتی دارند ولی شباهت میان آن‌ها نیز از نظرها دور نمانده است. مثلاً هسته اتم می‌تواند در شرایط معین و مناسب پرتو گاما، یا فوتون با انرژی زیاد گسیل كند. این فرایند را گاماواپاشی می‌نامند، كه یك پدیده الكترومغناطیسی است. نوكلئون می‌تواند در شرایط دیگری الكترون گسیل كند؛ این پدیده كه از طریق بر‌هم‌كنش ضعیف انجام می‌شود، بتاواپاشی خوانده می‌شود. این دوواپاشی كاملاً متفاوت به نظر می‌رسند. قدرت بر‌هم‌كنش و برد نیروی الكترومغناطیسی خیلی بیشتر از بر‌هم‌نش ضعیف است. احتمال بتاواپاشی نوترون به یك الكترون و یك پادنوترینو توسط ثابت جفت شدگی ضعیف فرمی G_v، به دست می‌آید. از طرف دیگر برهم‌كنش الكترومغناطیسی میان الكترون و پروتون، كه در نتیجه تبادل یك فوتون انجام می‌شود، با حاصل ضرب بار الكتریكی آن‌ها، e^2، متناسب است. مقدار عددی e^2، 105 برابر G_v است. از جمله تفاوت‌های دیگر می‌توان نقص پاریته در بتاواپاشی و پایستگی پاریته در برهم‌كنش‌های الكترومغناطیسی را نام برد. اما، در همان دهه 1950 شباهت‌هایی میان برهم‌كنش‌های الكترومغناطیسی و ضعیف دیده می‌شد: هر دو میان ذره‌های زیر اتمی (از جمله پروتون، نوترون، الكترون، نوترینو، .....م) رخ می‌دهند. به‌علاوه، قدرت جفت شدگی ذره میون، G_μ، در یك وتپتشی مشابه برابر است. میون ذره‌ای است مثل الكترون، ولی 210 بار سنگین‌تر از آن، این ذره به یك الكترون و یك نوترینو و یك پادنوترینو واپاشیده می‌شود. توجه كنید كه این نوع واپاشی‌ها پروتون را در بر نمی‌گیرند. به عبارت دیگر می‌توان گفت قدرت جفت شدگی ضعیف مانند بار الكتریكی e یك كمیت (جهانی) است. جهانی بودن بار الكتریكی از آن‌جا ناشی می‌شود كه این كمیت باید در پدیده‌های الكترومغناطیسی پایسته باشد. در سال 1334/1955 زلدوویچ فیزیك‌دان روسی مساوی بودن G_v و G_μ را با استفاده از خاصیت جهانی بودن بار الكتریكی و پایستگی بار در پدیده‌های الكترومغناطیسی بیان كرد: چنین پایستگی در بتا واپاشی و واپاشی میون نیز باید وجود داشته باشد. این امر باعث شد یك ذره جدید معرفی كنند كه نوترون با بار خنثی را به پروتون با بار مثبت تبدیل می‌كند؛ پس این ذره باید دارای بار الكتریكی باشد. از طرف دیگر چون برد بر‌هم‌كنش ضعیف كوتاه است این ذره باید سنگین باشد. چند سال بعد شلدن گلاشو، كه در آن زمان مشغول نوشتن تز دكترای خود در دانشگاه هاروارد بود، و عبدالسلام وجان وارد در دانشگاه لندن هر كدام مستقلاً این تشابه را جدی گرفتند و سعی كردند قدرت جفت شدگی، برد و خواص پاریته را برای دو بر‌هم‌نش ضعیف و الكترومغناطیسی وفق دهند و در نهایت سعی كردند بین این دو نظریه وحدت برقرار كنند. آن‌ها كه می‌دانستند در برهم‌كنش الكترومغناطیسی فوتون نیروی الكترومغناطیسی را حمل می‌كند در جستجوی ذره دیگری بودند كه نیروی ضعیف را در بر‌هم‌كنش‌های ضعیف حمل كند. در نتیجه دو ذره جدید به نام W+ و W- معرفی كردند كه می‌توانند به جریان‌های ضعیف جفت شوند. آن‌ها همچنین توانستند با استفاده از قوانین استاندارد كوانتومی نشان دهند كه G_v=G_μ=g^2⁄(8M_w^2 ) كه در آن g بار جدیدی است كه با بار الكتریكی e قابل مقایسه است و M_w جرم ذره W است. بالاخره در سال 1959 گلاشو، عبدالسلام ووارد مقدار g را با بارالكتریكی e مساوی فرض كردند و جرم ذره W را بر حسب ثابت‌های e و G_v محاسبه كردند. نظریه آن‌ها برد و قدرت جفت شدگی را برای بر‌هم‌كنش‌های ضعیف و الكترومغناطیسی توضیح می‌داد. (به علت برابر گرفتن g و e، M_w باید بزرگ باشد تا بردی كوتاه برای بر‌هم‌كنش‌های ضعیف داشته باشیم). همچنین گلاشو در سال 1961 مجبور شد ذره بدون باری به نام W^° معرفی كند تا بتواند خواص پاریته را برای بر‌هم‌كنش‌های ضعیف و الكترومغناطیسی در یك قالب بیان كند. این ذره به خودی خود وجود ندارد ولی همیشه مخلوطی از یك W^° و فوتون وجود دارد كه آن را Z^° نامید. سپس او توانست وجود برهم‌كنش خنثای ضعیف را برای حالتی كه بین دو ذره خنثی ذره Z^° مبادله می‌شود، پیش‌گویی كند.