Ασθενής αλληλεπίδραση

Η ασθενής αλληλεπίδραση (συχνά αναφέρεται και ως ασθενής δύναμη ή ασθενής πυρηνική δύναμη) είναι μία από τις τέσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις της φύσης. Στο καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, γίνεται μέσω της ανταλλαγής των W και Z μποζονίων. Το πιο οικείο αποτέλεσμα της ασθενούς αλληλεπίδρασης είναι η διάσπαση βήτα (των νετρονίων στον ατομικό πυρήνα) και η σχετιζόμενη με αυτήν ραδιενέργεια. Η λέξη ασθενής προέρχεται από το γεγονός ότι η έντασή της είναι περίπου 10¹³ φορές μικρότερη από την αντίστοιχη της ισχυρής αλληλεπίδρασης.

Παραβίαση της συμμετρίας

Οι νόμοι της φύσης θεωρούνταν για πολύ καιρό ότι παραμένουν αναλλοίωτοι κάτω από κατοπτρική ανάκλαση, την αντιστροφή δηλαδή όλων των αξόνων αναφοράς. Τα αποτελέσματα ενός πειράματος ειδωμένα μέσω ενός καθρέφτη, αναμένονταν να είναι ταυτόσημα με τα αποτελέσματα μιας κατοπτρικά αντίθετης πειραματικής συσκευής. Ήταν γνωστό πως αυτός ο νόμος διατήρησης της αρτιότητας ίσχυε στην κλασική βαρύτητα και στον ηλεκτρομαγνητισμό, ώστε οι επιστήμονες υπέθεσαν πως επρόκειτο για παγκόσμιο νόμο. Παρ' όλα αυτά, στα μέσα της δεκαετίας του 1950, οι Τσεν Νινγκ Γιανγκ και Τσουνγκ Ντάο Λι πρότειναν πως η ασθενής αλληλεπίδραση μπορεί να παραβιάζει αυτόν τον νόμο. Ο Τ.Σ. Γου και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν το 1957 πως η ασθενής αλληλεπίδραση πράγματι παραβιάζει την αρτιότητα, κάτι που έδωσε στους Γιανγκ και Λι το βραβείο Νόμπελ Φυσικής.
Αν και συνηθιζόταν η ασθενής αλληλεπίδραση να περιγράφεται από τη θεωρία του Φερμί ως η αλληλεπίδραση τεσσάρων φερμιονίων, η ανακάλυψη της παραβίασης της αρτιότητας σήμαινε πως χρειαζόταν μια νέα προσέγγιση. το 1957, οι Robert Marshak και George Sudarshan και λίγο αργότερα οι Ρίτσαρντ Φάινμαν και Μάρεϊ Γκελ-Μαν, πρότειναν μια V−A Λαγκρανζιανή για τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Σε αυτή τη θεωρία, η ασθενής αλληλεπίδραση δρα μόνο σε αριστερόστροφα σωματίδια (και δεξιόστροφα αντισωματίδια). Από τη στιγμή που η κατοπτρική εικόνα ενός αριστερόστροφου σωματιδίου είναι ένα δεξιόστροφο, εξηγείται και η παραβίαση της αρτιότητας.
Όμως, η θεωρία αυτή επέτρεπε τη διατήρηση μιας άλλης συμμετρίας (της CP). Η συμμετρία CP συνδυάζει την αρτιότητα P (αλλάζοντας τα αριστερά σε δεξιά) και του υπερφορτίου C (αλλάζοντας τα σωματίδια σε αντισωματίδια). Οι φυσικοί ξαφνιάστηκαν πάλι όμως όταν το 1964, οι Τζέημς Κρόνιν και Βαλ Φιτς απέδειξαν ότι σε διασπάσεις καονίων η συμμετρία CP παραβιάζεται κι αυτή, κάτι που τους έδωσε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1980.

Ηλεκτρασθενής θεωρία

Το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής περιγράφει την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή αλληλεπίδραση ως δύο διαφορετικές εκφάνσεις μίας και μοναδικής ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης, η θεωρία της οποίας αναπτύχθηκε το 1968 από τους Σέλντον Γλάσοου , Άμπντους Σαλάμ και Στίβεν Γουάινμπεργκ. Για την εργασία τους αυτή, οι τρεις φυσικοί πήραν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1970.
Σύμφωνα με την ηλεκτρασθενή θεωρία, σε πολύ υψηλές ενέργειες, το σύμπαν έχει τέσσερα ταυτόσημα άμαζα μποζόνια βαθμίδας παρόμοια με το φωτόνιο, καθώς και ένα βαθμωτό πεδίο Χιγκς. Βέβαια, σε χαμηλές ενέργειες η συμμετρία του πεδίου Χιγκς σπάει αυθόρμητα από τον μηχανισμό Χιγκς. Αυτό το σπάσιμο της συμμετρίας παράγει τρία άμαζα μποζόνια τα οποία καταναλώνονται από τρία πεδία, δίνοντάς τους μάζα. Αυτά τα τρία πεδία μετατρέπονται στα W και Ζ μποζόνια της ασθενούς αλληλεπίδρασης, ενώ το τέταρτο πεδίο παραμένει άμαζο και είναι το γνωστό φωτόνιο του ηλεκτρομαγνητισμού.
Αν και αυτή η θεωρία πέτυχε μια σειρά από εντυπωσιακές προβλέψεις, συμπεριλαμβανομένης και της πρόβλεψης της μάζας του Ζ μποζονίου, το μποζόνιο Χιγκς δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ. Η παραγωγή μποζονίων Χιγκς ήταν ένας σημαντικός στόχος του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) που λειτουργεί στο CERN. Στις 4 Ιουλίου του 2012 ανακοινώθηκε από τους επιστήμονες του CERN η ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου, που πιθανότατα είναι το μποζόνιο Χιγκς. Στις 14 Μαρτίου 2013 επιβεβαιώθηκε ότι το νέο σωματίδιο είναι το μποζόνιο Χιγκς. Μένει να φανεί αν θα επαληθεύει το καθιερωμένο μοντέλο ή αν θα το ανατρέψει ως ένα βαθμό.