وحدت میدان‌های الكترومغناطیسی و ضعیف

در سال 1979 گلاشو، عبدالسلام و واینبرگ به خاطر ارائه نظریه‌ای برای وحدت برهم‌كنش‌های ضعیف و الكترومغناطیسی جایزه نوبل دریافت كردند. بنا بر نظریه الكتروضعیف (نظریه وحدت بین برهم‌كنش‌های ضعیف و الكترومغناطیسی) به نظر می‌رسد كه ذره W جرمی در حدود 80 برابر جرم پروتون (یا GeV 80) داشته باشد. در اواسط دهه 1980 شتاب‌دهنده‌هایی در آزمایشگاه‌های فرمی و سرن ساخته شد كه می‌توانست پروتون‌هایی با انرژی GeV450 تولید كند كه این انرژی برای تولید چند ذره W ی (آزاد) كافی به نظر می‌رسید. پروتون تولید شده در این شتاب‌دهنده‌ها به پروتونی كه در هدف ساكن و دارای انرژی كمی بود تابیده شد. در عمل بیشتر انرژی ذره تابیده شده صرف انرژی جنبشی دادن به ذرات نسبتاً سبكی كه در برخورد ایجاد می‌شوند – پروتون‌ها، مزون‌ها و غیره – می‌شد. و انرژی كل باقیمانده برابر GeV30 بود كه برای تولید حتی یك ذره W هم كافی نبود. برای حل این مسئله می‌توان دو ذره را با انرژی‌های برابر ولی در جهت‌های مخالف به طرف هم حركت دارد و از برخورد شاخ به شاخ آن‌ها انرژی مورد نیاز برای تولید ذره W را به دست آورد. كارلوروبیا از سرن، همراه با دیویدكلاین از دانشگاه ویسكانسین و پیتر مك اینتایر یك راه خارق العاده پیشنهاد كردند كه بتوان شتاب‌دهنده‌های موجود، مثل ابر پروتون سینكروترون (SPS) موجود در سرن را طوری تغییر دهند كه بتوان ذرات را به طور شاخ به شاخ با یكدیگر برخورد دهد. ایده آن‌ها این بود كه پادپروتون را در داخل میدان مغناطیسی اصلی به اندازه پروتون شتاب‌دهند. پادپروتون دقیقاً مسیر پروتون را طی خواهد كرد، ولی در جهت مخالف آن. در یك زمان معین می‌توان هر دو ذره را به یكدیگر برخورد داد.
فعالیت و پا فشاری روبیا باعث شد كه در سال 1978 طرح استفاده از SPS برای ایجاد برخورد شاخ به شاخ پروتون – پادپروتون مورد موافقت سرن قرار گیرد. بالاخره وسایل آزمایش را در دو نقطه‌ای كه پروتون‌ها و پادپروتون‌های در حال دوران در میدان مغناطیسی شتاب‌دهنده باید به هم برخورد كنند، نصب كردند. آزمایش اصلی تحت نظر و طراحی و كنترل روبیا در نقطه‌ای با نام AU1 انجام می‌شود كه در حدود 120 فیزیك‌دان از اتریش، فرانسه، آلمان، انگلستان، ایتالیا، آمریكا و سرن همكاری دارند. در نقطه دیگر AU2 آزمایش مقدماتی به وسیله 50 نفر محقق فرانسوی، دانماركی، ایتالیایی، سویسی و افرادی از سرن تحت سرپرستی پیرداریولا انجام می‌شود. برای هر دو گروه AU1 و AU2 وسایل آزمایش طوری طراحی شده است كه بتوانند ذرات W و Z را آشكار سازند. این دو مجموعه مكمل یكدیگرند و می‌توانند نتایج به دست آمده را با هم مقایسه كنند. به علاوه رقابت دوستانه‌ای نیز بین آن‌ها وجود دارد.
در ژوئیه 1981 فیزیك‌دان‌ها و مهندسان موفق به درست كردن یك منبع پادپروتون در سرن شدند كه بتواند پادپروتون‌ها را وارد SPS كند و در همان زمان بود كه اولین برخورد بین پروتون و پادپروتون با انرژی GeV270 برای هر ذره انجام شد. انرژی تولید شده در این برخورد معادل انرژی تولید شده در برخوردی است كه در آن یكی از پروتون‌ها با انرژی GeV155000 در حال حركت و پروتون دیگر در هدف ساكن باشد. حال می‌توان كاملاً مطمئن بود كه اگر ذرات W و Z وجود داشته باشند قابل مشاهده می‌شوند. پس از یك سال بالاخره در مرداد ماه (اوت) سال گذشته عملیات نهایی روی UA1 و UA2 انجام گرفت. در همین زمان فیزیك‌دان‌ها سعی كردند تعداد زیادی از این برخوردها را تولید كنند. از ذرات رانده شده به داخل SPS تنها چند ذره به هم برخورد می‌كردند و بقیه از كنار یكدیگر می‌گذشتند. از طرف دیگر نظریه پیش‌گویی می‌كند كه فقط درصد كمی از برخوردها به تولید ذره W منجر می‌شود. اشكالات دیگری نیز برای دستگاه‌ها به وجود آمد كه با برطرف كردن آن‌ها توانست در دسامبر سال گذشته تعداد زیادی از پروتون‌ها و پادپروتون‌ها را در آزمایش به هم برخورد دهند.
سرانجام انتظار به پایان رسید. در سمینارهای در بیست و هفتم دی ماه روبیا پنج رویداد را گزارش داد كه در آن‌ها ذرات خارج شده همان چیزهایی بودند كه انتظار می‌رفت. روز بعد داریولا چهار رویداد را كه در UA2 دیده شده بود گزارش داد.
جواب‌های آزمایش را چگونه باید تحلیل كرد؟ وجود ذره W را می‌توان به وسیله كوارك‌ها توضیح داد. پروتون از سه كوارك و پادپروتون از سه پادكوارك تشكیل شده است. در هنگام برخورد پروتون به یك پادپروتون یكی از كوارك‌ها و یكی از پادكوارك‌ها به هم برخورد می‌كنند و نابود می‌شوند و ذره W ایجاد می‌شود. سپس این ذره به یك الكترون با انرژی عرضی (عمود بر جهت برحورد) زیاد و یك نوترینو با انرژی عرضی زیاد واپاشیده می‌شود. از آنجا كه خواص فیزیكی نوترینو طوری است كه وسایل آزمایش موجود در سرن نمی‌تواند آن را آشكار سازد، پس وجود یك الكترون با انرژی عرضی زیاد به دنیا آمدن W را مژده می‌دهد. باقیمانده كوارك‌ها، به وسیله نیروی هسته‌ای قوی كه توسط مزون‌ها حمل می‌شود، یك گروه از ذرات با انرژی كم را تولید می‌كنند.
گروه UA1 تا آخر سال 1982 از یك میلیارد برخوردی كه عملاً اتفاق افتاده بود، 850000 برخورد را ثبت كرد كه از بین آن‌ها فقط در پنج رویداد الكترون‌هایی با انرژی عرضی زیاد تولید شده بود. گروه UA2 نیز تعداد مشابهی از برخوردها را تحلیل كرد و از میان آن‌ها چهار رویداد از این نوع را ثبت كرد. آیا این رویدادها همان ذره W هستند كه مدت‌ها منتظر آن بودیم؟ در جواب می‌توان گفت كه تمام خواص فیزیكی مورد نظر را دارند.
از نتایج آزمایش چنین بر می‌آید كه از هر 200000 برخورد پروتون و پادپروتون فقط یك ذره W تولید می‌شود كه به الكترون و نوترینو وامی‌پاشد. به نظر می‌رسد رویداد كمیابی را جستجو می‌كنیم. به‌علاوه باید مطمئن شویم كه رویدادهای بسیار زیاد دیگری كه در محیط آزمایش تولید می‌شوند باعث به وجود آمدن علایم مورد نظر ما در دستگاه آزمایش نباشند. آزمایش‌های انجام شده در سرن هنوز چیزی به نام ذره W را آشكار نساخته است، و تنها توانسته است الكترون (یا پوزیترون) با انرژی زیاد را كه به نظر می‌رسد از واپاشی W- (یا W+) تولید می‌شود آشكار سازد. (با داشتن یك الكترون (یا پوزیترون) به تنهایی نمی‌توان W- را از W+ تمیز داد). برای اثبات وجود W احتیاج به تعداد بیشتری آزمایش نیست ولی احتیاج به ربط دادن داده‌های آزمایش است. اگر نظریه الكتروضعیف صحیح باشد باید ذره Z^° نیز تولید شود. نظریه پیش‌گویی می‌كند كه در انرژی SPS باید در مقابل هر ذره W یك ذره Z تولید شود. به عبارت دیگر تحلیل داده‌های آزمایش در مراحلی است كه باید انتظار داشت وجود یك ذره Z^° گزارش شود. ولی تاكنون هیچ كدام از دو گروه وجود چنین ذره‌ای را اعلام نكرده‌اند. آشكار سازی ذره Z^° بسیار ساده‌تر از ذره W است. این ذره به یك زوج الكترون و پوزیترون واپاشیده می‌شود كه دو رد بسیار مشخص در دستگاه به جای می‌گذارند. در صورت تأیید كشف ذره W، می‌توان از وحدت بین برهم‌كنش‌های ضعیف و الكترومغناطیسی مطمئن شد.