Μετρήσεις για το top κουάρκ δίνουν νέες ελπίδες να υπάρχει το σωματίδιο Higgs

Από το Πανεπιστήμιο Ρότσεστερ και το PhysicsWeb, 10 Ιουνίου 2004 

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ βοήθησαν να μετρηθεί το κορυφαίο ή αλλιώς top κουάρκ με μια ασύγκριτη ακρίβεια και τα εκπληκτικά αποτελέσματα τους μπορεί να έχουν επιπτώσεις σε πολλά γεγονότα. Από τα μποζόνια Higgs, που το ονομάζουν και το "σωματίδιο του Θεού", έως τη σύνθεση της σκοτεινής ύλης, που περιλαμβάνει το 90% του σύμπαντος.

Οι επιστήμονες αυτοί ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για να αναλύσουν τα στοιχεία από τις συγκρούσεις σωματιδίων σε επιταχυντές στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermilab, με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από τις προηγούμενες μεθόδους ενώ υπάρχει πιθανότητα να αλλάξει τη δυναμική του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής. Οι λεπτομέρειες της έρευνας αναφέρονται στο Nature.

"Είναι ένα αξιόλογο επίτευγμα στη μέτρηση του κορυφαίου κουάρκ", αναφέρει ο Thomas Ferbel, καθηγητής της φυσικής και της αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ, και κύριος συντάκτης της εργασίας.

"Η βελτίωση της μέτρησης προκάλεσε μια αναταραχή επειδή έχει μεταβάλει την αποδεκτή μάζα του top κουάρκ κατά τέτοιο τρόπο ώστε το μποζόνιο Higgs να βρίσκεται τώρα σε μια τέτοια ενεργειακή περιοχή, που μπορούμε να το εξερευνήσουμε ακόμα. Είναι σαν έχουμε σκάψει μια τρύπα για το Higgs, και ξαφνικά συνειδητοποιούμε ότι διαβάζουμε το χάρτη λάθος και είναι πραγματικά κάπου αλλού".

Οι μάζες του top κουάρκ και του μποζονίου Higgs είναι κρίσιμες για να κατανοήσουμε σωστά πώς λειτουργεί ο κβαντικός κόσμος, συμπεριλαμβανομένης και της απάντησης σε ένα από τα μεγάλα αινίγματα της επιστήμης -- τι είναι αυτό που δίνει μάζα, στη μάζα;

Η νέα μάζα του top κουάρκ

Η αναθεώρηση της μάζας του top κουάρκ άρχισε ως πρόγραμμα διατριβής του Juan Estrada, έναν υποψήφιο διδάκτορα κάτω από την καθοδήγηση του Ferbel. Αυτός αποφάσισε να δει εάν υπήρχε ένας καλύτερος τρόπος για να υπολογιστεί η μάζα του top από τις μετρήσεις που ήδη είχαν συγκεντρωθεί στον επιταχυντή του Fermilab. Ο Ferbel στην αρχή ήταν δύσπιστος καθώς οι επιστήμονες, που το υπολόγισαν,  είχαν αναλύσει κάθε πληροφορία από τα στοιχεία που συλλέχθηκαν κατά την ανακάλυψη του κουάρκ top το 1995.

To top κουάρκ ανακαλύφθηκε στον επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών πρωτονίου-αντιπρωτονίου Tevatron,  στο Fermilab και είναι το βαρύτερο στοιχειώδες σωματίδιο που έχει ανακαλυφθεί.

Αλλά ο Estrada, μαζί με τον Gaston Gutierrez του Fermilab, ανέπτυξε μια μέθοδο βασισμένη στις πιθανότητες, που φάνηκαν να δίνουν πολύ μεγάλη ακρίβεια. Ο Ferbel συνεργάστηκε και με τη σπουδάστρια Florencia Canelli, για να τον βοηθήσει να επεκτείνει τη μέθοδο του ώστε να υπολογίσει τις ιδιότητες του σπιν του top κουάρκ καθώς επίσης και τη μάζα του.

Όταν αναλύθηκαν τα δεδομένα, η μέθοδος έδωσε μια αύξηση σχεδόν 40% στην ακρίβεια. Λιγότερη από ότι προέβλεπαν, αλλά με ένα τεράστιο όφελος για τους φυσικούς. Η βελτιωμένη μέθοδος επιτρέπει στους ερευνητές να συλλέξουν πάρα πολλές πληροφορίες από τα διαθέσιμα στοιχεία.

Έτσι, η νέα μάζα του top quark προσδιορίζεται σε 178 GeV/c² συν ή πλην 4.3 GeV.

Μεγαλύτερη μάζα για το μποζόνιο Giggs

Το δεύτερο σημαντικό εύρημα από τις νέες μετρήσεις είναι ότι το μποζόνιο Higgs -- το σωματίδιο που πιστεύεται ότι δίνει τη μάζα στα σωματίδια  -- προφανώς υπάρχει σε πιο υψηλά ενεργειακά επίπεδα, από αυτά όπου οι επιστήμονες έψαχναν μέχρι τώρα.

Δεδομένου ότι όλα τα υποατομικά σωματίδια συσχετίζονται το ένα με το άλλο, αλλαγές στα χαρακτηριστικά γνωρίσματα σε ένα σωματίδιο μεταφέρονται και στα άλλα σωματίδια. Και καθώς το κορυφαίο ή top κουάρκ έχει ιδιαίτερα μεγάλη μάζα, οι αλλαγές πάνω σε αυτό αντανακλούν μεγαλύτερες αλλαγές σε άλλα σωματίδια -- ειδικά το σωματίδιο Higgs.

Με βάση την παλαιά αποδεκτή τιμή της μάζας του top κουάρκ, οι φυσικοί ανέμειναν να βρουν το μποζόνιο Higgs περίπου στα 96 GeV/c², αλλά οι νέες μετρήσεις απέκλεισαν ότι υπάρχει πραγματικά εκεί. Το γεγονός αυτό έφερε ένα δίλημμα για ολόκληρο το Καθιερωμένο Μοντέλο. Η νέα μέτρηση για την μάζα του top κουάρκ, εντούτοις, τοποθετεί τώρα το σωματίδιο Higgs περίπου στα 117 GeV/c², μια ενεργειακή περιοχή όπου δεν είχαν ψάξει στους επιταχυντές. Έτσι έβαλαν και πάλι το άπιαστο και αθέατο Higgs πίσω στο παιχνίδι.

"Ανεξάρτητα από το πόσο σκληρά προσπαθούμε να καταστρέψουμε το Καθιερωμένο Μοντέλο, αυτό δεν φαίνεται να λυγίζει ποτέ και να λειτουργεί ακόμα", λέει ο Ferbel. "Υπάρχει μπλέξιμο, επειδή ξέρουμε ότι μακροπρόθεσμα το μοντέλο δεν θα είναι αρκετά σωστό, αλλά δεν θα απορριφθεί και πλήρως. Κάθε φορά που το πιέζουμε, παρουσιάζεται ότι είναι ακόμα ζωντανό και αναπνέει".

Η νέα τεχνική υιοθέτησε μια πιθανολογική μέθοδο στις μετρήσεις που είχαν συγκεντρωθεί από τα πειράματα στον επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών του Fermilab. Όταν στον επιταχυντή συνθλίβονται μαζί ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ, δημιουργούνται περιστασιακά ένα top κουάρκ και ένα αντι-top κουάρκ. Αυτά διασπώνται γρήγορα σε άλλους τύπους σωματιδίων, οι οποίοι πάλι αποσυντίθενται σε περισσότερα ακόμα σωματίδια,  προτού καν αρχίσουν οι ανιχνευτές του Fermilab να τα μελετούν. Αυτό σημαίνει ότι οι ερευνητές πρέπει να εργαστούν προς τα πίσω, εξετάζοντας τα σωματίδια τρίτης γενεάς και να βγάλουν συμπεράσματα για το τι έγινε στο παρελθόν.

Παραδοσιακά, οι ερευνητές θα αντιστοιχούσαν μια μάζα στα αρχικά top και αντι-top κουάρκ και θα υπολόγιζαν σε ποια σωματίδια θα μπορούσαν να διασπαστούν, κάνοντας σύγκριση των θεωρητικών αποτελεσμάτων με ό,τι είδαν πραγματικά οι ανιχνευτές. Η νέα τεχνική λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο, αλλά ορίζει πιθανότητες για μια σειρά αρχικών μαζών, δίνοντας περισσότερη σημασία στις ακριβέστερες αναγνώσεις. Το αποτέλεσμα, όταν εξετάζονται πολλές συγκρούσεις, είναι μια πιο ακριβής μέτρηση.

Το σωματίδιο Higgs

Στο Καθιερωμένο Μοντέλο οι μάζες των σωματιδίων παράγονται ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεών τους με το πεδίο Higgs. Πρέπει, επίσης, να είναι δυνατό να ανιχνευθούν οι διεγέρσεις αυτού του πεδίου υπό τη μορφή σωματιδίου, γνωστού ως μποζόνιο Higgs.

Η ανίχνευση του Higgs -- το μόνο σωματίδιο στο Καθιερωμένο Μοντέλο που δεν έχει ανιχνευθεί πειραματικά -- είναι επομένως μία από τις σημαντικές προκλήσεις στη φυσική σωματιδίων. Εντούτοις, οι προσεκτικές μετρήσεις των μαζών του κουάρκ top και των μποζονίων W⁺ , W^- -- δύο από τα σωματίδια που είναι υπεύθυνα για τη μεταβίβαση των ηλεκτρασθενών δυνάμεων (λέγονται και φορείς των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων) -- επέτρεψαν στους φυσικούς σωματιδίων να τοποθετήσουν ένα ανώτερο και ένα χαμηλότερο όριο στην πιθανή μάζα του Higgs.

Η νέα τιμή για τη μάζα του top κουάρκ είναι περίπου 5,3 GeV μεγαλύτερη από την προηγούμενη τιμή και έτσι οι φυσικοί πιστεύουν ότι η μάζα του μποζονίου Higgs να αυξηθεί από 96 σε 117 GeV/c². Επιπλέον, το ανώτερο όριο στην αναμενόμενη μάζα του Higgs αυξάνεται από 219 σε 251 GeV/c², τοποθετώντας ενδεχομένως το Higgs πάνω από τα προσιτά όρια της σημερινής γενιάς των επιταχυντών.

Η ανίχνευση του Higgs θα επέτρεπε στους φυσικούς σωματιδίων να ψάξουν για μια νέα φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο, όπως η υπερσυμμετρία. Οι υπερσυμμετρικές επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου προβλέπουν ότι όλα τα θεμελιώδη σωματίδια -- όπως τα κουάρκ, τα φωτόνια και τα ηλεκτρόνια -- έχουν τους υπερσυνεργάτες (superpartners).

Σύμφωνα με τον Greg Landsberg μέλος της ομάδας DØ των επιστημόνων που δούλεψαν στο πρόγραμμα, η νέα τεχνική ανάλυσης είναι ισοδύναμη με τη λειτουργία του Tevatron για άλλα τρία χρόνια.