Φυσική

Ο μεγαλύτερος επιταχυντής του κόσμου, ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής (LHC) στο CERN, στο ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής κοντά στη Γενεύη, θα τεθεί σε λειτουργία εντός ολίγων μηνών. Για τα επόμενα χρόνια, ωστόσο, θα είναι πολύ δύσκολο να κλέψει την παράσταση από τον επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών Tevatron στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi (Fermilab, Μπατέιβια, Ιλινόις), στον οποίο φαίνεται ότι έχουν παραχθεί μεμονωμένα κουάρκ «κορυφή». Το εύρημα, το οποίο αναφέρθηκε τον προηγούμενο Δεκέμβριο [2006], βοηθά στην καλύτερη «εστίαση» της έρευνας του επί μακρόν περιζήτητου σωματιδίου Higgs και αυξάνει την πιθανότητα να ανακαλυφθεί αυτό στο Fermilab νωρίτερα απ’ ό,τι στο CERN.

Το 1995, παρήχθησαν για πρώτη φορά στο Fermilab κουάρκ «κορυφή», τα βαρύτερα και πιο «φευγαλέα» από τους έξι τύπους κουάρκ, σε συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων και αντιπρωτονίων· σε αυτές παρήχθησαν, αμφότερα, το κουάρκ «κορυφή» και το αντισωματιδιακό του δίδυμο. Αυτά τα ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ «κορυφή» σχηματίζονται μέσω της αποκαλούμενης ισχυρής δύναμης, η οποία είναι υπεύθυνη για την αλληλοσύνδεση των κουάρκ. Σπανίως, σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής [βλ. Gordon Kane, «Πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο», Scientific American - Ελληνική Έκδοση, Νοέμβριος 2003], κουάρκ «κορυφή» δύνανται να αναδυθούν σε συγκρούσεις μέσω της ασθενούς δύναμης, η οποία προκαλεί τη ραδιενεργό διάσπαση και μπορεί να μετατρέψει τη «γεύση» ενός κουάρκ σε μια άλλη. Τα παραγόμενα μέσω της ασθενούς δύναμης κουάρκ «κορυφή», ωστόσο, εμφανίζονται μεμονωμένα, χωρίς τη συντροφιά του «κορυφαίου» αντισωματιδίου τους.

Η παραγωγή μεμονωμένων κουάρκ «κορυφή» είναι όχι μόνο εξαιρετικά σπάνια αλλά και η «υπογραφή» τους δεν διακρίνεται τόσο εύκολα. «Το υπόβαθρο όσων συμβάντων ομοιάζουν με τα συμβάντα που σχετίζονται με τα μεμονωμένα κουάρκ “κορυφή” είναι πολύ θορυβώδες», λέει η Ann Heinson, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Ρίβερσαϊντ και εκ των επί κεφαλής της ομάδας DZero ―μία από τις δύο συνεργαζόμενες ερευνητικές ομάδες οι οποίες χρησιμοποιούν τον Tevatron.

Από τα τρισεκατομμύρια των καταγεγραμμένων συγκρούσεων από το 2002, η DΖero έχει έως τώρα ταυτοποιήσει εξήντα δύο συμβάντα ενδεικτικά μεμονωμένων κουάρκ «κορυφή». Αν και δεν συνιστούν μια πληθώρα αποδεικτικών στοιχείων, τα δεδομένα αυτά αναπτέρωσαν τις ελπίδες των ερευνητών τού Tevatron ότι θα επικρατήσουν επί των συναδέλφων τους του LHC στο κυνήγι του σωματιδίου Higgs. Αυτό το «σωματίδιο του Θεού», το οποίο προβλέπεται από το Καθιερωμένο Μοντέλο, θα εξηγούσε γιατί τα πρωτόνια, τα νετρόνια και άλλα συστατικά της ύλης έχουν μάζα.

Η ανίχνευση μεμονωμένων κουάρκ «κορυφή» χρησιμεύει στον Tevatron ως ένα είδος «πρόβας τζενεράλε» για την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs. «Εάν το Higgs έχει σχετικά μικρή μάζα, θα έχει την ίδια χαρακτηριστική “υπογραφή” διάσπασης με αυτή του μεμονωμένου κουάρκ “κορυφή”: ένα σωματίδιο W, ένα κουάρκ “πυθμένας” και ένα αντικουάρκ “πυθμένας”», αναφέρει ο Gregorio Bernardi του Πανεπιστημίου των Παρισίων, εκ των επί κεφαλής της ερευνητικής ομάδας φυσικών DΖero. Η ομοιότητα αυτή θα τους έδινε τη δυνατότητα να αξιοποιήσουν τις ανεπτυγμένες για την ανίχνευση του μεμονωμένου κουάρκ «κορυφή» προηγμένες τεχνικές ανάλυσης. «Έχουμε βελτιώσει την κατανόησή μας και τα μοντέλα μας που αφορούν το μεμονωμένο κουάρκ “κορυφή”, και αμφότερες οι βελτιώσεις μπορούν να μεταφερθούν απευθείας στην έρευνα του Higgs», προσθέτει η Heinson. Αυτό που δίνει στον Tevatron το προβάδισμα έναντι του LHC είναι ο «θόρυβος» υποβάθρου. Ο Tevatron προκαλεί τη σύγκρουση πρωτονίων με αντιπρωτόνια, έτσι ώστε τα κουάρκ και αντικουάρκ από τα οποία συνίστανται να συγκρούονται άμεσα. Ο LHC, από την άλλη, προκαλεί τη σύγκρουση πρωτονίων με πρωτόνια· τα κουάρκ καταλήγουν να συγκρούονται με μια «εικονική» θάλασσα αντικουάρκ ―τα κουάρκ εμφανίζονται και εξαφανίζονται συνεχώς μέσα στα αντιπρωτόνια. Το γεγονός αυτό περιπλέκει την ανάλυση δεδομένων.

Πριν από ένα μήνα, η σύμπραξη ερευνητικών ομάδων Collider Detector at Fermilab (CDF) ανακοίνωσε τον προσδιορισμό της μάζας του μποζονίου W με ακρίβεια της τάξεως του 0,06% ―τη μεγαλύτερη ακρίβεια που έχει επιτευχθεί έως τώρα. Ο Tommaso Dorigo, του Πανεπιστημίου τής Πάδοβα, μέλος τής CDF, επισημαίνει ότι η νέα μέτρηση της μάζας του μποζονίου W, σε συνδυασμό με τον προσδιορισμό της μάζας τού κουάρκ «κορυφή», επιβεβαιώνει ότι το σωματίδιο Higgs ενδέχεται να είναι πολύ ελαφρό: περίπου 84 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (GeV), με ένα σφάλμα της τάξεως των 30 GeV.

Ακόμη όμως και εάν η μάζα του σωματιδίου Higgs είναι 114 περίπου GeV, πολύ δυσκολότερα θα ανιχνευτεί ένα ελαφρό σωματίδιο Higgs στον LHC απ’ ό,τι στον Tevatron, όπως ισχυρίζεται ο Dorigo. Ο LHC θα πρέπει να ανιχνεύσει τη δημιουργία δύο φωτονίων ακτίνων γ από ένα διασπώμενο σωματίδιο Higgs, τα οποία, λόγω του μεγάλου θορύβου υποβάθρου, είναι πολύ δυσκολότερο να ανιχνευτούν απ’ ό,τι τα κουάρκ και αντικουάρκ «πυθμένας» που θα παράγονταν από ένα αποσυντιθέμενο σωματίδιο Higgs στον Teva-tron.

Ένα ακόμη βαρύτερο σωματίδιο Higgs, πάνω από τα 130 GeV, ίσως να διέφευγε το Fermilab, διότι ο Tevatron αποδίδει μόλις το 1/7 της κρουστικής ισχύος τού LHC. Στην πραγματικότητα, ο LHC θα μπορούσε να ανιχνεύσει ένα τέτοιο βαρύ σωματίδιο Higgs σχετικά γρήγορα, διατείνεται ο David Plane, πειραματικός φυσικός στο CERN. Εν τω μεταξύ, όπως σχολιάζει ο Plane, «ο Tevatron κρατά γερά τα ηνία του χώρου μέχρι το 2010, πιθανόν και πιο πέρα».

Επιστημονικά Νέα - Μάρτιος, 2007