Odtisi top kvarka v Fermilab

    V 152 strani dolgem znanstvenem članku, ki so ga 22. aprila 1995 poslali v objavo ugledni reviji Physical Review D, 440 raziskovalcev skupine CDF (Collider Detector at Fermilab) oznanja odkritje 12 dogodkov, za katere lahko z veliko gotovostjo trdijo, da so posledica razpada do sedaj še neodkritega top kvarka. Novica, ki so jo predstavili 26. aprila na tiskovni konferenci v največjem ameriškem središču za fiziko delcev Fermilab National Laboratory blizu Chicaga, predstavlja uspešen konec najdaljšega, pa tudi najdražjega iskanja v zgodovini visokoenergijske fizike. Hkrati dodaja zadnji manjkajoči člen k do sedaj odkritim delcem snovi.

    Zakaj top kvark ?

    Svet, kot ga razumemo danes, sestavljajo osnovni delci snovi (fermioni) in delci polja (bozoni), ki posredujejo sile med delci snovi. Poznamo štiri osnovne sile: močno, elektromagnetno, šibko in gravitacijsko. Slednja deluje na vse osnovne delce, vendar je tako šibka, da lahko njen vpliv med osnovnimi delci zanemarimo. Močna sila deluje med osnovnimi delci, ki sestavljajo protone in nevtrone – kvarki, posreduje jo brezmasni delec polja – gluon. Njena lastnost je, da narašča z razdaljo, tako da kvarkov v naravi ne najdemo prostih, temveč le vezane po tri skupaj kot v protonu ali pa v parih kvark-antikvark. Delce snovi, na katere močna sila ne deluje, imenujemo leptoni. Primer leptona v vsakdanjem svetu je elektron. Elektromagnetna sila deluje na delce z električnim nabojem, njen posrednik je foton. Elektroni nosijo negativni osnovni naboj, kvarki pa dve tretjini pozitivnega ali eno tretjino negativnega osnovnega naboja. Proton, ki ima pozitivni osnovni naboj tako sestavljata dva kvarka s po dvema tretjinama (up kvark ali kvark u) in en kvark z eno tretjino (down kvark ali kvark d) osnovnega naboja, pri električno nevtralnem nevtronu pa je ravno obratno.

    Nevtron izven jedra ni obstojen, v kakih 10 minutah razpade v proton, elektron in nevtrino. Nevtrino je brezmasni nevtralni lepton in nanj deluje le sila, ki povzroča omenjeni razpad – šibka sila. če pogledamo razpad nevtrona pobliže, ugotovimo, da se je v njem eden izmed kvarkov d spremenil v kvark u. Proces poteka tako, da d kvark izseva posrednika šibke sile – šibki bozon z imenom W. Zaradi spremembe naboja kvarka z – 1/3 na 2/3 mora bozon W nositi negativni osnovni naboj – W. Pri obratnem procesu, spremembi kvarka u v kvark d pa se izseva šibki bozon W s pozitivnim osnovnim nabojem – W+. Masa bozonov W je zelo velika, znaša kar 85 mas protona ali toliko kot tehta atom rubidija. Ker tolikšne mase v nevtronu ni na razpolago, se bozon W zato lahko izseva le zelo poredko in še to za zelo kratek čas, potem pa razpade v par elektron-nevtrino. šibka sila tako omogoča prehode med kvarkoma u in d ter med leptonoma – kvark u je partner kvarku d ter elektron partner nevtrinu.

    Za svet, ki nas obdaja, zadoščajo omenjeni štirje osnovni gradniki: kvarka u in d ter leptona elektron in nevtrino.  Pri visokih energijah pa se slika ponovi, pojavi se nov par kvarkov – kvark s (strange – čuden) z negativnim enotretjinskim in kvark c (charm – čaroben) s pozitivnim dvotretjinskim osnovnim nabojem ter nov par leptonov – mion in nova vrsta nevtrina – mionski nevtrino. Lastnosti te nove četverice so na moč podobne tisti osnovni, le njihove mase so večje: mion tehta 200 krat toliko kot elektron, kvark s približno sedmino ter kvark c 1,5 protona, le nevtrino je brez mase. Kot bi se narava hotela poigrati z nami, se je tej drugi četverici pridružila še tretja, ki pa do sedaj ni bila popolna. Leta 1977 so namreč odkrili peti kvark b (bottom – spodnji) z negativnim enotretjinskim osnovnim nabojem ter kmalu nato lepton tau in njegovega nevtrinskega partnerja. Masa b kvarka znaša okoli 5 protonskih mas in tudi lepton tau je dvakrat težji od protona ali 3500 krat težji od elektrona.

    V 17 letih po odkritju kvarka b so fiziki natančno preučili lastnosti tega delca. Izkazalo se je, da se njegovo obnašanje povsem ujema s sorodnima lažjima kvarkoma s in d. Torej mora tudi kvark b imeti partnerja z dvotretjinskim nabojem. Nadeli so mu ime kvark t (top – zgornji) ter se podali v lov nanj.

    Lov na top kvark

    Delce, ki jih v naravi ne najdemo, ustvarimo s pomočjo trkov med delci, predvsem elektroni in protoni, ki smo jih pospešili v velikih pospeševalnikih. Po znameniti Einsteinovi enačbi se energija lahko pretvori v maso in tako lahko pri trkih visokoenergijskih projektilov ustvarimo nove, težje delce. Za tvorbo delcev z zelo veliko maso so zgradili posebne pospeševalnike – trkalnike. V njih krožijo projektili, elektroni ali protoni, z enakimi energijami v nasprotnih smereh ter na izbranih mestih čelno trkajo. Pri trku je vsa energija, ki jo nosita projektila, na voljo za tvorbo novih delcev.

    V naravi ima vsak delec svojega dvojčka, ki ga imenujemo antidelec. Lastnosti obeh sta enaki, razlikujeta se le po predznaku naboja. Značilnost tvorbe osnovnih delcev pri trkih je, da se rodijo vedno v paru s svojim antidelcem. Tako se rodi vedno par elektron-pozitron, mion-antimion, kvark-antikvark. Ker so mase delcev in njihovih antidelcev enake, je tako za rojstvo novega delca potrebna najmanj energija, ki je ekvivalentna njegovi dvakratni masi.

    Omenili smo že, da se kvarki lahko spremenijo v svojega partnerja tako, da izsevajo šibki bozon W. Ker je top kvark težak, je verjetnost za izsevanje bozona W veliko večja kot pri razpadu nevtrona. Zato živi top kvark le zelo kratek čas in ga neposredno ne moremo zaznati, temveč z meritvijo delcev, ki nastanejo pri njegovem razpadu sklepamo na njegovo prisotnost.

    Po prvih ocenah naj bi znašala massa top kvarka okoli 15 protonskih mas. To je bilo ravno še v dosegu leta 1978 zgrajenega trkalnika elektronov in pozitronov PETRA v mednarodnem raziskovalnem središču DESY v Hamburgu, katerega skupna energija je znašala okoli 50 protonskih mas. Prisotnost top kvarka je na takih trkalnikih sorazmerno preprosto ugotoviti, saj bi verjetnost za trke elektronov in protonov ob njegovem pojavu narasla za skoraj 40%. Toda povečane pogostosti trkov pri poskusih niso opazili. Zgodba se je ponovila na 1987 leta zgrajenem trkalniku TRISTAN v središču KEK v Tsukubi na Japonskem, katerega energija dosega 70-kratno maso protona ter na največjih danes delujočih trkalnikih elektronov in pozitronov LEP v CERNu v Ženevi ter SLAC v Stanfordu v Kaliforniji, ki se ponašata z energijo, ekvivalentno stotim protonskim masam. Top kvark je torej vsaj petdesetkrat težji od protona.

    Večje energije so na razpolago na trkalnikih protonov in antiprotonov. Leta 1981 dokončani SPS v CERNu je imel na razpolago energijo ekvivalentno 580 in kasneje tudi 680 protonskim masam. Na njem so leta 1982 tudi odkrili šibke bozone in zato prejeli Nobelovo nagrado. Toda pri teh trkalnikih trkajo po trije kvarki v protonu s tremi antikvarki v antiprotonu. Večina teh trkov poteka pri veliko manjših energijah, kot so energije projektilov in le zelo poredko se zgodi, da je energija dovolj velika za rojstvo para top kvarkov. Signal prisotnosti top kvarka je torej šibak in se kaj lahko izgubi v ozadju trkov, pri katerih top kvark ni nastal. Še huje, nezadostno poznavanje procesov ozadja nas lahko pripelje do napačnih zaključkov. Tako se ne smemo čuditi, da je v zgodnjih osemdesetih letih sicer izjemno uspešna skupina UA1 v CERNu, katere sodelavca  Carlo Rubbia in Simon van der Meer sta si delila Nobelovo nagrado za odkritje šibkih bozonov, predstavila rezultate, ki so kazali na obstoj top kvarka z maso okoli 55 protonskih mas. Kasneje se je izkazalo, da so podcenili ozadje in top kvark je spet ušel odkritju. Po tem dogodku so fiziki postali izjemno previdni pri trditvah o odkritju top kvarka na trkalnikih protonov in antiprotonov.

    Past se zapira

    Zvedeli smo že, da energija trka kvarka in antikvarka na trkalnikih ni vedno enaka in da le zelo poredko doseže velike vrednosti. Toda če zaznamo večje število trkov, bo verjetnost, da bo med njimi tudi kakšen z zelo veliko energijo, znatna. Fiziki poznajo lastnosti protona dovolj dobro, da znajo pogostosti trkov kvarkov pri določeni energiji napovedati. Hkrati teoretične napovedi podajajo verjetnost za nastanek top kvarka v odvisnosti od njegove mase in energije, ki je ob trku kvarkov na razpolago. Ta verjetnost se seveda manjša z večanjem mase top kvarka. Tako lahko iz dejstva, da pri meritvi nismo opazili dogodkov, ki kažejo na prisotnost top kvarka, sklepamo, da je njegova masa večja od neke mejne vrednosti. Ker je nastanek delcev statistični proces, te meje ne moremo postaviti z absolutno gotovostjo. Ponavadi postavimo tako mejo, da se lahko le s 5% verjetnostjo zgodi, da je masa top kvarka manjša od postavljene meje.

    Leta 1987 so v v Fermi National Laboratory (Fermilab ali FNAL) blizu Chicaga dogradili trkalnik protonov in antiprotonov TEVATRON, katerega energija presega ekvivalent 2000 protonskih mas. Na njem dva mogočna eksperimenta CDF in D0 noč in dan merita dogodke in skušata zaznati sled top kvarka. Po večletnih meritvah brez zaznanega signala se je meja za maso top kvarka do letošnjega leta dvignila že na 140 protonskih mas.

    Hkrati so na trkalnikih elektronov in pozitronov LEP in SLD potekale izjemno natančne meritve lastnosti nevtralnega partnerja šibkim bozonom W – šibkega bozona Z0. Te meritve so posredno kazale na prisotnost top kvarka in sicer so napovedale, da mora znašati njegova masa 180 protonskih mas z napako okoli 20 protonskih mas.

    Napoved mase top kvarka iz lastnosti šibkega bozona Z0 je sicer tako natančna, da bi jo skorajda lahko poimenovali odkritje, pa vendar ima dve pomanjklivosti. Prva je, da je dobljena s pomočjo teoretičnega modela, ki je sicer s poskusi dodobra potrjen, pa vendar ni povsem gotovo, da velja. Hkrati top kvark pri teh procesih nastopa le posredno, nekako tako kot šibki bozon W pri razpadu nevtrona. Masa bozona Z0 znaša namreč okoli 100 protonskih, kar je za nastanek pravega top kvarka premalo.

    Top kvark je ujet ?

    Masa top kvarka je tako velika, da z lahkoto razpade v veliko lažja kvark b in šibki bozon W, ki odletita v nasprotnih smereh z veliko hitrostjo. Ker kvark b ne more obstajati prost, ima pa veliko energijo, na svoji poti tvori pare lažjih kvarkov. Po nekaj pikosekundah (1 ps = 10-12 s = tisočinka milijardinke sekunde) končno tudi kvark b razpade v lažje kvarke, ki na svoji poti spet tvorijo pare kvark-antikvark. Vsi produkti kvarka b letijo približno v smeri prvotnega kvarka, tako da v detektorju zaznamo pljusk delcev v tej smeri. Po določenih lastnostih lahko v nekaterih primerih pljusk, ki ga je povzročil kvark b ločimo od pljuska, ki ga povzročijo lažji kvarki. Vemo, da šibki bozon W skoraj v trenutku razpade v par kvarkov ali par leptonov. Verjetnost za razpad v pare elektron – nevtrino, mion – mionski nevtrino ter tau – tau nevtrino so enake in znašajo okoli 10%, preostanek razpade v kvarke. Elektron in mion je v detektorju lahko spoznati, saj imata zelo veliko energijo, nevtrini odletijo iz detektoja, ne da bi jih zaznali, medtem ko tako tau lepton kot tudi kvarki tvorijo vsak svoj plusk. Pri nastanku in razpadu para top – antitop imamo torej naslednje možnosti, pri katerih je v oklepaju navedena relativna pogostost: 2 elektrona + 2 pljuska (1,2%), 2 miona + 2 pljuska (1,2%), elektron, mion + 2 pljuska (2,4%), elektron ali mion + 4 pljuske (30%), ter 6 pljuskov (65%). Dva pljuska vedno pripadata prvotnemu kvarku b.

    Veliko večino dogodkov pri na trkalniku protonov in antiprotonov predstavljajo trki med kvarki, kjer nastane več parov kvark-antikvark, ki jih potem zaznamo kot pljuske v detektorju. Zato je za detekcijo signala, ki pripada top kvarku, največ ozadja v primeru, ko oba šibka bozona razpadeta v para kvarkov. Ta razpadni način, čeprav je najbolj pogost, za meritev torej ni primeren. Najmanj ozadja pa pričakujemo v primeru, ko imamo v dogodku dva hitra nabita leptona, vendar pa je takih le slabih 5% primerov. Nekje vmes so dogodki z enim hitrim nabitim leptonom in 4 pljuski. Ozadja je sicer več, vendar je tudi signal več kot šestkrat večji.

    Raziskovalci kolaboracije CDF so uspeli med 1400 milijardami trkov protona z antiprotonom izbrati 12 dogodkov, za katere sumijo, da se v njih skriva top kvark. Dva izmed dogodkov vsebujeta elektron, mion in dva pljuska, šest hitri lepton (3 elektron, 3 mion) in tri pljuske, ter štirje hitri lepton (2 elektron, 2 mion) ter štiri pljuske. Pri dogodkih s po enim hitrim leptonom so pri enem izmed pljuskov ugotovili, da ga je povzročil prvotni kvark b. Pri vseh dogodkih manjka znaten delež energije, ki jo je odnesel nevtrino, ki je nastal z nabitim leptonom. Za vse pljuske v dogodkih zahtevajo energijo večjo od ekvivalenta 10 protonskih mas, zato tudi ne zaznajo vedno pričakovanih štirih pljuskov.

    Posebno pozornost so raziskovalci skupine CDF namenili študiju števila dogodkov v signalu, ki ga pričakujejo iz procesov, v katerih top kvarkni prisoten. Pri tem so uporabili ocene, ki temeljijo na podatkih samih ter računalniški simulaciji dogodkov ozadja. Po skrbnih študijah vseh vrst ozadja so ugotovili, da bi ozadje v povprečju prispevalo malo manj kot 6 dogodkov. S statistično metodo so tudi ocenili, da verjetnost, da vseh 12 dogodkov izvira iz procesov brez top kvarka, znaša le 0,26%.

    Z malce omiljenim kriterijem pri energiji četrtega pljuska, so pridobili še tri dodatne take dogodke. Ker so pri teh dogodkih izmerili energije vseh prvotnih razpadnih delcev, lahko energijo nevtrina izračunajo iz ohranitve celotne energije, nato pa iz energije kombinacij produktov določijo maso obeh top kvarkov, ki sta nastala. Izmerili so, da znaša masa top kvarka 187 protonskih mas z napako 17.

    Kako naprej ?

    Kljub majhni možnosti, da je njihov signal posledica ozadja ter lepem skladanju izmerjene mase z napovedmi, raziskovalci skupine CDF ne trdijo, da so odkrili top kvark. Zgovoren je naslov članka, dolgega kar 152 strani, ki so ga poslali v objavo ugledni reviji Physical Review D. Glasi se “Dokazi za tvorbo top kvarka v trkih protonov in antiprotonov…”.
    Z besedami vodje 440-članske skupine profesorja Melvyna Shocheta s čikaške univerze: “Nismo še našli dovolj primerov tvorbe top kvarka, da bi ugotovili njegov obstoj brez vsakega dvoma.” Hkrati pa dodaja: “Vseeno pa ti novi podatki močno kažejo na obstoj šestega in zadnjega kvarka, ki smo ga tako dolgo iskali”.

    Meritve na TEVATRONu v Fermilabu potekajo brez prestanka. Zaradi izboljšav na trkalniku pričakujejo, da bodo letos izmerili štirikrat več trkov, kot so jih v vseh dosedanjih letih. Na začetku prihodnjega leta lahko torej pričakujemo članek skupine CDF, katerega naslov se bo začel z “Odkritje top kvarka…”.

    avtor: MM
    opremil: TM