بوزون‌های برداری واسط

بوزون‌های برداری واسط که حامل نیروی هسته‌ای ضعیف فرض می‌شدند، بالاخره در شتاب ‌دهندة سِرن در ژنو، سوئیس، مشاهده شدند و بهترین تأیید برای نظریه‌های وحدت برهم‌کنش‌های ذرات را به دست دادند. کارلو روبیا از هاروارد، رهبر 126 فیزیک‌دان گروه UA1 (آنیسون)، و پیردوریولا از سِرن، رهبر 51 فیزیک‌دان گروه UA2 (بانر)، ابتدا تنها از مشاهدة تعداد انگشت‌شماری رویداد که در آن‌ها بوزون‌های واسط باردار، W^+ و W^-، آفریده شده بودند خبر دادند. چند ماه بعد، وقتی داده‌های بیش‌تری جمع آوری شد، نمونة رویدادهای ذرة Wی مشاهده شده به حدود 90 افزایش یافت و هم¬چنین Z^°، برادرزادة خنثای W، نیز مشاهده شد (آنیسون).
در سرن پرتوهای پروتون و پادپروتون در انرژی کل 540GeV (540 میلیارد الکترون ولت) برخورد رو در رو داده شدند. این انرژی برخورد می‌تواند به ذرات غریب کوته عمری تبدیل شود که به طور عادی در مادة معمولی دیده نمی‌شوند. ذرة Wیی که به این ترتیب تولید می‌شود نقشی تعیین کننده در نظریه‌ای که نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی را در یک چارچوب ریاضی وحدت می‌بخشد به عهده دارد. گرچه اکنون این دو نیرو خواص بسیار متفاوتی دارند ـ نیروی الکترومغناطیسی اتم‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد و مسئول پدیده‌های الکترونی است، در حالی که نیروی ضعیف سبب انواع معینی از پرتوزایی است و هم‌چنین در ‌برخی واکنش‌های احتراقی خورشید دخالت دارد ـ تصور می‌رود که در جهان داغ‌تر اولیه این دو تجلی یک نیروی واحد «الکتروضعیف» بوده‌اند، و درست همان طور که فوتون نیروی الکترومغناطیسی را انتشار می‌دهد، گمان می‌رفت که نیروی ضعیف نیز باید کار خود را با استفاده از ذرات قاصد انجام دهد. در عمل سه ذره لازم می‌نمود: مزون‌های W^+، W^-،و Z^°، که بوزون‌های برداری واسط نیز خوانده می‌شوند.‌
نظریۀ الکترو ضعیف نه تنها وجود این ذرات را پیش‌بینی می‌کند، بلکه جرم‌شان را هم معین می‌کند: تقریباً 80GeV، یا حدود 80 برابر جرم پروتون، و همین امر دلیل ضعیف بودن برهم‌کنش‌های ضعیف است: جرم زیاد W تولید آن را مشکل و بردش را کوتاه می‌کند. آ‌‌ن‌ چه آزمایش‌های انجام شده در سِرن در لحظۀ برخورد سربه‌سر پروتون و پاد پروتون در 540GeV آفریدند، در عمل، قسمت بسیار کوچکی از جهان اولیه بود؛ شرایطی که در نقطۀ برخورد به وجود آمد به شرایطی می‌مانست که در کم‌تر از یک ثانیه بعد از مِه‌بانگ بر جهان مستولی شده بود، در آن هنگام ذرات W می‌توانستند به آسانی تولید شوند و نیروی ضعیف با نیروی الکترومغناطیسی قابل مقایسه می‌شد.
شتاب دهندۀ سِرن مخصوصاً برای جست‌وجوی ذراتی مانند W ترتیب داده شده بود (کلاین و دیگر). طی یک دورۀ کار 30 روزه، دو گروه آشکارساز مستقل UA1 و UA2 (مخفف نواحی زیرزمینی 1 و 2) هر یک حدود یک میلیارد برخورد پروتون‌ـ پادپروتون را مشاهده کردند. از این میان، حدود یک میلیون رویداد برگزیده ثبت شد و از میان آن‌ها تنها تعداد کمی توانستند از تحلیل موشکافانۀ داده‌ها، که برای حذف قسمت عمدۀ رویدادها و انتخاب نوع بسیار ویژه‌ای از آن‌ها طرح شده بود، جان سالم به در برند؛ این نوع بسیار ویژه، رویدادهایی هستند که در آن‌ها پروتون و پادپروتون از بین می‌روند و یک ذرۀ W (به اضافۀ هادرون‌های مختلف) درست می‌شود که آن هم تقریباً بلافاصله به یک الکترون و یک نوترینو وامی‌پاشد. مهم‌ترین معیارهایی که در انتخاب چنین رویدادی مؤثر بوده‌اند عبارتند از این که (1) الکترون از ناحیۀ واپاشی W با اندازه حرکت بزرگی در امتداد عمود بر محور پرتو خارج می‌شود، (2) مقدار اندازه حرکت عرضی که توسط هادرون‌ها حمل می‌شود نسبتاً کوچک است، (3) و بالاخره در مورد ذراتی که در خلاف جهت الکترون حرکت می‌کنند کمبود قابل توجهی در اندازه حرکت عرضی دیده می‌شود. اندازه حرکت نایافته احتمالاً توسط نوترینو، که محصول دیگر واپاشی W است، حمل می‌شود. این نوترینو مستقیماً مشاهده نمی‌شود، اما خصوصیات آن را می‌توان از عدم توازن انرژی بقیۀ ذرات نتیجه گرفت.
در رویدادهای Z^° یک الکترون و یک پوزیترون با انرژی بالا (محصول واپاشی Z^°) با زاویۀ 180° نسبت به هم و عمود بر محور پرتو پدید می‌آمدند. جفت میون‌ـ پادمیون نیز می‌تواند از واپاشی Z^° به وجود آید.
سیاهۀ رویدادها و جرم‌هایی که به طور تجربی توسط دو گروه مشاهده شده‌اند به قرار زیر است: برای ذرۀ W، گروه UA1 (55 رویداد) و UA2 (35 رویداد)، هر دو گروه جرم را 81GeV تعیین کرده‌اند که به برآورد نظری (مدل واینبرگ‌ـ سلام‌ـ گلاشو) 83GeV بسیار نزدیک است. برای Z^°، گروه UA1 (6 رویداد) جرم 95/2GeV و گروه UA2 (4 رویداد) جرم 91/2GeV را به دست آورده‌اند؛ نظریه جرم 93/8GeV را پیش‌گویی می‌کند. داده‌های بیش‌تر مآلا به تعیین دقیق‌تر جرم‌ها خواهد انجامید.