50 χρόνια από την πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης των κουάρκ

25/05/2019

Ενώ θεωρητικά τα πρώτα κουάρκ ανακαλύφθηκαν από τον Murray Gell-Mann το 1964 η πραγματική απόδειξη ότι τα νουκλεόνια είναι φτιαγμένα από κουάρκ, ήρθε αργότερα από τις εργασίες τριών Αμερικανών φυσικών. Οι Jerome Friedman, Henry Kendall και Richard Taylor  αντιλήφθηκαν στο εσωτερικό των νουκλεονίων να υπάρχουν σκληροί ‘κόκκοι’, με την έρευνα τους που ξεκίνησε το 1967 στον γραμμικό επιταχυντή του Stanford (SLAC). Σε αυτή την έρευνα που κορυφώθηκε το 1968 βρήκαν με ποιο τρόπο ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας σκεδάζονταν ανελαστικά πάνω σε πρωτόνια. Έτσι καθιερώθηκε το μοντέλο των κουάρκ καθώς και η κβαντική χρωμοδυναμική στη σωματιδιακή φυσική.

Οι τρεις αμερικανοί, που πήραν Νόμπελ Φυσικής το 1990, ήταν τα βασικά πρόσωπα μιας ερευνητικής ομάδας που με το γνωστό στην ιστορία «πείραμα SLAC-MIT», απέδειξε καθαρά ότι υπάρχει μια εσωτερική δομή στα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα. Το πείραμα αυτό άνοιξε το δρόμο για να συνεχιστούν οι έρευνες στις ενδότατες δομές της ύλης. 

Από την αρχή του 20ου αιώνα πολλοί ερευνητές (Rutherford, Chandwick, Stern, Yukawa, Hofstadter, Gell-Mann) μελέτησαν την εσωτερική δομή των ατόμων. Από το 1910 έως το 1930 βρέθηκε ότι το άτομο έχει πυρήνα με πρωτόνια.  Το 1932 ανακαλύφθηκαν τα νετρόνια. Όμως κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του ’50 παρουσιάστηκε μια θάλασσα αδρονίων, που οι ιδιότητες τους έμοιαζε με τα νουκλεόνια. Για να μειώσουν τον αριθμό τους, εισήχθη η ιδέα των κουάρκ στην αρχή της δεκαετίας του ’60. 

Το 1960 οι Murray Gell-Mann και George Zweig προτείνουν πειραματικά την ιδέα των κουάρκ (quarks). Προτείνουν ότι τα μεσόνια και τα βαρυόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ ή αντικουάρκ που ονομάζονται «up», «down», ή  «strange» (u, d, s) με σπιν  0.5 και ηλεκτρικά φορτία 2/3, -1/3, -1/3, αντίστοιχα (όπως αποδείχθηκε αργότερα αυτή η θεωρία δεν είναι τελείως ακριβής). Επειδή, κλασματικά φορτία δεν είχαν ποτέ παρατηρηθεί στην φύση, η θεωρία των κουάρκ αντιμετωπίσθηκε περισσότερο σαν μία μαθηματική εξήγηση της γενικής εικόνας που παρουσίαζαν οι μάζες των σωματιδίων παρά σαν μια φυσική θεωρία. Αργότερα με την περαιτέρω ανάπτυξη της θεωρίας καθώς και με πειραματικές παρατηρήσεις, μας επετράπη να δούμε τα κουάρκ σαν μία φυσική οντότητα, παρότι δεν μπορούν ποτέ να απομονωθούν έξω από τον πυρήνα.  

Ήταν όμως αδύνατο να δει κάποιος ίχνη των κουάρκ μέσα στα νουκλεόνια μέχρι το ιστορικό πείραμα SLAC-MIT. 

Η ανακάλυψη έγινε όταν πρωτόνια και νετρόνια συγκρούστηκαν με ακτίνες ηλεκτρονίων  – στον επιταχυντή SLAC στην Καλιφόρνια. Τα κουάρκ θεωρήθηκαν σαν οι θεμελιώδες μονάδες των πρωτονίων και νετρονίων. Η ουδέτερη «κόλλα» που συνδέει μαζί τα κουάρκ είναι τα γκλουόνια. Έτσι, βρέθηκε ότι σχεδόν όλη η ύλη στο Σύμπαν αποτελείται από κουάρκ, γκλουόνια, ηλεκτρόνια και νετρίνα. 

Μέχρι τότε το μοντέλο των κουάρκ δεν ήταν το μόνο που υπήρχε. Υπήρχε, παραδείγματος χάριν, ένα άλλο μοντέλο που λεγόταν «πυρηνική δημοκρατία» όπου κανένα σωματίδιο δεν είχε το δικαίωμα να λέγεται στοιχειώδες. Όλα τα σωματίδια ήταν εξίσου θεμελιώδη και αποτελούνταν το ένα από το άλλο. 

Το πείραμα SLAC-MIT
Η ανακάλυψη των κουάρκ πραγματοποιήθηκε το 1968 από ερευνητές του MIT και του SLAC. Η εργασία τους ήταν μια συνέχεια προηγούμενων ερευνών στις οποίες είχε μελετηθεί η δομή των νουκλεονίων με την χρησιμοποίηση του ηλεκτρονίου σαν βλήμα. Όμως, αντίθετα από τις προηγούμενες έρευνες, στους ερευνητές αυτούς ήταν διαθέσιμες ακτίνες ηλεκτρονίων με πολύ υψηλές ενέργειες. Αυτές οι ακτίνες παράγονταν από έναν επιταχυντή μήκους δύο μιλίων στο SLAC. Μάλιστα δεν περίμεναν κανένα νέο φαινόμενο. Το νέο πείραμα είχε θεωρήθηκε ως ρουτίνα. Η διασπορά των ηλεκτρονίων όταν κτυπούσαν νουκλεόνια, ήταν γνωστή στους φυσικούς πολλά χρόνια πριν, αλλά σε χαμηλότερες ενέργειες των ηλεκτρονίων. Μάλιστα πίστευαν ότι η δομή των νουκλεονίων τους ήταν αρκετή γνωστή. Σύντομα όμως το νέο πείραμα έδειξε ότι η άποψή τους ήταν εξ ολοκλήρου ψεύτικη.

Η ουσία του πειράματος SLAG-MIT ήταν να παρατηρήσουν με ποιο τρόπο επηρεάζεται  μια ακτίνα ηλεκτρονίων, με υψηλή ενέργεια από 4 GeV έως 21 GeV, όταν οδηγείται σε ένα στόχο που αποτελείται είτε από υγρό υδρογόνο (πρωτόνια) είτε από δευτέριο (πρωτόνια και νετρόνια). Τα σκεδαζόμενα ηλεκτρόνια καταγράφηκαν χρησιμοποιώντας δύο μεγάλα μαγνητικά φασματόμετρα. Το ένα από αυτά χρησιμοποιήθηκε για την παρατήρηση των ηλεκτρονίων που σκεδάζονταν στις 6 και 10 μοίρες, και το άλλο για τη σκέδαση σε μεγαλύτερες γωνίες (18, 26 και 34 μοίρες). Όπως και η γωνία σκέδασης μετρήθηκε η ενέργεια των ηλεκτρονίων με τα φασματόμετρα. Η διαδικασία ήταν η εξής: ηλεκτρόνιο και πρωτόνιο μας δίνει ηλεκτρόνιο και πρωτόνιο. 

Παρόμοια πειράματα αλλά με χαμηλότερες ενέργειες ηλεκτρονίων είχαν εμφανίσει ότι τα νουκλεόνια συμπεριφέρθηκαν σαν να είχαν μια «εύκαμπτη» δομή, που ήταν ικανή μόνο να σκεδάσουν τα ηλεκτρόνια σε μικρές γωνίες. Τα νέα αποτελέσματα από την ελαστική διασπορά επιβεβαίωσαν τις τότε πρόσφατες μετρήσεις. 

Η πιθανότητα της λήψης μιας μεγάλης γωνίας σκέδασης βρέθηκε ότι είναι πολύ μικρή. Μετά από αυτήν την συμβατική αρχική φάση, αποφασίστηκε να ρίξουν μια ματιά επίσης σε αυτό που ονομάστηκε ανελαστική σκέδαση ηλεκτρονίων, e+p -> e+X, όπου το Χ δεν είναι απαραιτήτως ένα πρωτόνιο όπως πριν. Τέτοιες διαδικασίες ήταν γνωστές από τα πειράματα σε χαμηλότερες ενέργειες, και δεν αναμενόταν τίποτα απολύτως καινούργιο. 

Εντούτοις, οι ερευνητές βρήκαν, με κατάπληξη, ότι η πιθανότητα της βαθιάς ανελαστικής σκέδασης – όπου το προσπίπτων ηλεκτρόνιο χάνει ένα μεγάλο μέρος της αρχικής του ενέργειας και εμφανίζεται με μια μεγάλη γωνία σε σχέση με την αρχική του κατεύθυνση – ήταν αρκετά μεγαλύτερη από όσο αναμενόταν. 

Στην αρχή θεώρησαν ότι το αποτέλεσμα ήταν ανακριβές ή παρερμηνευμένο. Η μια πιθανή πηγή σφάλματος ήταν οι αποκαλούμενες διορθώσεις ακτινοβολίας – το προσπίπτον ή το ανακλώμενο ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να ακτινοβολήσει μέρος της ενέργειας του υπό μορφή ακτινοβολίας, την οποία να μην είχαν παρατηρήσει. Έτσι αυτή η ακτινοβολία θα μπορούσε επομένως, σκέφτηκαν, να έχει προκαλέσει ότι είχε συμβεί. Αλλά μετά από προσεκτική μελέτη εκ μέρους της ερευνητικής ομάδας έγινε σιγά-σιγά σαφές ότι είχε παρατηρηθεί μια εσωτερική πυρηνική δομή, η οποία προκαλούσε τη σκέδαση με τις μεγάλες γωνίες. Σαν να χτυπούσε το ηλεκτρόνιο σε κάτι ‘κόκκους’ στο εσωτερικό των πρωτονίων και νουκλεονίων. 

Εδώ είχαμε μια επανάληψη, αν και σε ένα βαθύτερο επίπεδο, ενός από τα πιο δραματικά γεγονότα στην ιστορία της φυσικής, την ανακάλυψη του πυρήνα του ατόμου από τον Rutherford. 

Τι συμβαίνει στην ανελαστική σύγκρουση
Στη σύγκρουση μεταξύ ενός επιταχυνομένου ηλεκτρονίου και ενός πρωτονίου-στόχου, τα σωματίδια αλληλοεπηρεάζονται (με ελκτική ηλεκτρική δύναμη) μέσω της ανταλλαγής ενός φωτονίου – φορέα της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Το μήκος λ αυτού του φωτονίου καθορίζει την ανάλυση του «ηλεκτρονικού μικροσκοπίου». Σε αυτή τη κατάσταση, οι επιστήμονες μιλούν για «ελαστικές» και για «ανελαστικές» συγκρούσεις*. 

Ένα παράδειγμα ανελαστικής σύγκρουσης μεταξύ ενός ηλεκτρονίου και ενός πρωτονίου φαίνεται στο σχήμα a. 

Όταν το μήκος κύματος λ του φωτονίου είναι μεγάλο, «βλέπει» το φορτίο ολόκληρου του πρωτονίου (ελαστικές ή ελαφρώς ανελαστικές συγκρούσεις), αλλά όταν το μήκος κύματος λ γίνεται αρκετά μικρό, το φωτόνιο «βλέπει» κυρίως κάθε φορτισμένα μικρά συστατικά (τους κόκκους που αναφέραμε πριν) που υπάρχουν μέσα στο πρωτόνιο (βαθιές ανελαστικές συγκρούσεις). 

Η απόδοση του επιταχυντή, ενέργεια 21 GeV, εγγυήθηκε ότι τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να εκπέμψουν μικροκυματικά φωτόνια, αλλά μια συνθήκη για την ανταλλαγή τέτοιων φωτονίων ήταν ότι θα πρέπει να υπάρχουν κάποιοι μικροί «σκληροί» δέκτες – κόκκοι ύλης – μέσα στα πρωτόνια. 

Το αποτέλεσμα του πειράματος εμφάνισε λοιπόν ότι όταν το μήκος κύματος των φωτονίων είναι μικρό, δηλ. η ορμή τους είναι μεγάλη, το πρωτόνιο συνθλίβεται γενικά σε κομμάτια και παράγονται διάφορα σωματίδια (σχήμα a). 

Κατά συνέπεια υπάρχουν κατάλληλοι δέκτες! Αυτό το γεγονός στο σχήμα a, που φαίνεται τόσο σύνθετο οφείλεται εν μέρει στην περίπλοκη δομή του πρωτονίου και εν μέρει στο γεγονός ότι τα κουάρκ του πρέπει να μετατραπούν σε συνηθισμένα σωματίδια.
Η βαθιά ανελαστική σύγκρουση στο σχήμα a είναι βασικά μια απλή ελαστική σύγκρουση μεταξύ του ηλεκτρονίου και ενός κουάρκ (σχήμα b). 

* Ένας τρόπος για να γίνουν κατανοητοί αυτοί οι όροι είναι να γίνει σύγκριση του φαινομένου αυτού με τη σύγκρουση ανάμεσα στις μπάλες του μπιλιάρδου. Μια ελαστική σύγκρουση σημαίνει ότι η σύγκρουση δεν μεταβάλει καμιά από τις μπάλες, ενώ μια ανελαστική σύγκρουση παραμορφώνει τη μία ή και τις δύο μπάλες μόνιμα. 

Τα πρώτα ίχνη των κουάρκ

Τα πειράματα SLAC-MIT έγιναν τα σύγχρονα αντίστοιχα πειράματα των Rutherford, Geiger και Marsden. Εκείνη την εποχή, η διασπορά (σκέδαση) των σωματιδίων άλφα πάνω σε φύλλα χρυσού σε μεγάλες γωνίες εξηγήθηκε από την παρουσία ενός «σκληρού κόκκου» – τον ατομικό πυρήνα – στη μέση του ατόμου. Στη σύγχρονη έκδοση, το ρόλο του Rutherford έπαιξαν κυρίως οι θεωρητικοί φυσικοί James Bjorken και αργότερα οι Richard Feynman. Και στον ρόλο των Geiger και Marsden ήταν οι τρεις αμερικανοί νομπελίστες Jerome Friedman, Henry Kendall και Richard Taylor. 

Αυτή τη φορά, η σκέδαση των ηλεκτρονίων σε μεγάλες γωνίες εξηγήθηκε από την ύπαρξη «σκληρών κόκκων» – κουάρκ – στους πυρήνες. Αλλά τα αποτελέσματα δεν θα μπορούσαν να εξηγηθούν πλήρως χρησιμοποιώντας τα κουάρκ μόνο. Τα πειράματα έδειξαν ότι υπήρχαν επίσης ηλεκτρικά ουδέτερα συστατικά στα νουκλεόνια, και άρχισε να υπάρχει μεγάλη προθυμία για την ανακάλυψη της φύσης τους. Γρήγορα προχώρησε η έρευνα και τα ουδέτερα συστατικά των νουκλεονίων ερμηνεύθηκαν σαν γκλουόνια (από την ελληνική λέξη κόλλα), που αποτελούν τους διαδότες ή μεσάζοντες της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Έτσι μπήκαμε σε μια νέα εποχή στην ιστορία της φυσικής, στην εποχή των κουάρκ. 

Ιστορική αναδρομή
Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του ’50, η δομή των νουκλεονίων ερευνήθηκε συστηματικά χρησιμοποιώντας τη σκέδαση των ηλεκτρονίων. Σε μια σειρά φαινομένων παρατηρήθηκε, μεταξύ των οποίων ότι και τα ηλεκτρόνια, με ενέργειες μέχρι 1 GeV, είδαν τα νουκλεόνια ως μαλακές «σφαίρες», υπονοώντας έτσι ότι η σκέδαση των ηλεκτρονίων σε μεγάλες γωνίες ήταν κάτι απίθανο να συμβεί. Οι μετρήσεις είχαν ληφθεί σαν το φορτίο και ο μαγνητισμός να κατανέμονταν ισότροπα μέσα στα νουκλεόνια. Ο Robert  Hofstadter που διαδραμάτισε έναν καθοδηγητικό ρόλο σε αυτές τις έρευνες ανταμείφθηκε με ένα βραβείο Νόμπελ φυσικής το 1961 για τις πρωτοποριακές μελέτες για τη σκέδαση των ηλεκτρονίων στους πυρήνες και για τις ανακαλύψεις του σχετικά με τη δομή των νουκλεονίων.

Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του ’50 και του ’60 εξετάσθηκε η ειδική θέση του πρωτονίου και του νετρονίου ως δομικοί λίθοι της φύσης. Εκείνη την εποχή ανακαλυπτόταν ένας μεγάλος αριθμός σωματιδίων, τα αδρόνια, που εμφάνισαν ομοιότητες με τα νουκλεόνια. Έγινε τότε ζήτημα, επείγουσας ανάγκης, να ξεκινήσει μια νέα κατάταξη στη φυσική ώστε να βρεθεί πως θα ταξινομηθούν τα αδρόνια. Μετά από πολλές προσπάθειες, το αίνιγμα των αδρονίων λύθηκε επιτυχώς, κυρίως μέσω της εργασίας του Murry Gell-Mann (βραβείο Νόμπελ στη φυσική, 1969). Δηλαδή οι Murray Gell-Mann και George Zweig ήταν αυτοί που προτείνουν πειραματικά την ιδέα των κουάρκ.

Τα διάφορα αδρόνια βρέθηκαν να σχετίζονται και να συμπεριφέρονται ως να ήταν μέλη μιας ειδικής οικογένειας. Αυτή η αφηρημένη μαθηματική περιγραφή έγινε αρκετά ευκολότερη και πιο κατανοητή όταν εισήχθησαν τρεις ομάδες δομικών λίθων, τα κουάρκ. Τώρα όλα τα, τότε γνωστά, αδρόνια θα μπορούσαν να φτιαχτούν με τη βοήθεια των τριών κουάρκ και των αντισωματιδίων τους.

Λόγω της μεγάλης απλοποίησης, η ιδέα των κουάρκ λήφθηκε αμέσως σοβαρά. Τα κουάρκ αναζητήθηκαν στη φύση, π.χ. στο νερό της θάλασσας, στους μετεωρίτες και στις κοσμικές ακτίνες, και στα πειράματα των επιταχυντών υψηλής ενέργειας. Αλλά κανένα δυστυχώς κουάρκ δεν επρόκειτο να βρεθεί. Μετά από έναν χρόνο η δημοφιλέστερη εξήγηση για την απουσία των κουάρκ ήταν ότι ήταν μόνο «μαθηματικές ποσότητες», που συμπεριλήφθηκαν στις εξισώσεις της φυσικής. 

Το 1964 παρατηρώντας την γενική εικόνα των λεπτονίων, προτάθηκε η ύπαρξη ενός τετάρτου κουάρκ ώστε να έχουμε παρόμοια εικόνα και στα κουάρκ που σήμερα είναι γνωστή σαν γενεές της ύλης. Πολύ λίγοι φυσικοί πήραν αυτή την ιδέα στα σοβαρά εκείνη την εποχή. Οι Sheldon Glashow και James Bjorken εισάγουν το όνομα «charm» (χαριτωμένο) για το τέταρτο (c) κουάρκ. 

Οι O. Greenberg, M. Han, και Yoichiro Nambu το 1965 εισήγαγαν το φορτίο χρώματος σαν ιδιότητα των κουάρκ. Όλα τα αδρόνια που έχουν παρατηρηθεί έχουν ουδέτερο χρώμα. 

Και φτάνουμε το 1966 που το μοντέλο των κουάρκ γίνεται αποδεκτό αλλά τα κουάρκ δεν έχουν ακόμα παρατηρηθεί. 

Τελικά, το 1968 αποδείχθηκε πειραματικά η παρουσία των κουάρκ μέσα στα νουκλεόνια με την ανελαστική σκέδαση των ηλεκτρονίων.

ΠΗΓΗ: physics4u