Odkrycie kwarka top

Odkrycie kwarka top, EDUKACYJNE, Swiat nauki

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Odkrycie kwarka top
Znalezienie szstego kwarka wymaga¸o zderzeÄ czstek
o najwyýszej energii oraz pracy tysi«cy ludzi
Tony M. Liss i Paul L. Tipton
GWAüTOWNE ZDERZENIE protonu z anty-
protonem
(poærodku)
powoduje powstanie kwar-
ka top
(czerwony)
i antytop
(niebieski)
. Kwarki
rozpadaj si« na inne czstki, czemu zwykle to-
warzysz dýety oraz elektron lub pozyton.
36 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1997
zgromadzeni na pospiesznie
zwo¸anym zebraniu w Fermi-
labie (Fermi National Accelerator Labo-
ratory) w Batavii ko¸o Chicago (Illinois)
byli æwiadkami historycznego wydarze-
nia. Oto fizycy z rywalizujcych ze so-
b zespo¸w doæwiadczalnych przedsta-
wiali wyniki æwiadczce o odkryciu
nowej czstki Ð kwarka top
(t)
, czyli
szczytowego. Trwajce od dziesi«ciole-
ci poszukiwania ostatniej brakujcej ce-
gie¸ki w Modelu Standardowym fizyki
czstek dobieg¸y koÄca.
Kwark top jest szstym i prawdopo-
dobnie ostatnim z kwarkw. Kwarki
wraz z leptonami, do ktrych zaliczamy
elektron i czstki mu pokrewne, stano-
wi podstawowe sk¸adniki budowy ma-
terii. Najlýejsze kwarki Ð grny, ozna-
czany
u
(up), i dolny
d
(down) Ð to
sk¸adniki znanych nam protonw i neu-
tronw. Wraz z elektronami tworz one
wszystkie pierwiastki uk¸adu okresowe-
go. Ci«ýsze kwarki Ð dziwny
s
(strange),
powabny
c
(charm) i denny albo pi«kny
b
(bottom lub beauty) Ð oraz leptony,
cho wyst«pujce w obfitoæci w pierw-
szych chwilach po Wielkim Wybuchu,
dziæ produkowane s na wi«ksz skal«
jedynie w akceleratorach. Oddzia¸ywa-
nia mi«dzy tymi podstawowymi sk¸ad-
nikami materii opisuje Model Standar-
dowy. Wynika z niego, ýe leptony
i kwarki wyst«puj w parach, zwanych
cz«sto generacjami.
O istnieniu kwarka top fizycy byli
przekonani od roku 1977, kiedy to wy-
kryto jego partnera Ð kwarka dennego
b
. Jednakýe kwark top okaza¸ si« niezwy-
kle trudny do znalezienia. Jest czstk
elementarn pozbawion struktury, ale
jego masa wynosi aý 175 GeV, czyli wa-
ýy on tyle co atom z¸ota i znacznie wi«-
cej, niý pocztkowo przewidywali teo-
retycy. Proton, zbudowany z dwch
kwarkw
u
i jednego
d
, ma mas« poniýej
1 GeV (elektronowolt to jednostka ener-
gii; jej przeliczenie na mas« wynika ze
wzoru
E = mc
2
).
Utworzenie kwarka top wymaga¸o za-
tem skoncentrowania ogromnej energii
w niezwykle ma¸ym obszarze przestrze-
ni. Fizycy osigaj ten cel, przyspiesza-
jc czstki i doprowadzajc do ich zde-
rzenia. Eksperymentatorzy liczyli na to,
ýe spoærd kilku bilionw zderzeÄ trafi
si« par« takich, w ktrych wytworzony
zostanie z energii zderzenia kwark top.
Nie wiedzieliæmy jednak, jakiej dok¸ad-
nie potrzeba do tego energii. Model Stan-
dardowy przewidywa¸ wiele w¸asnoæci
kwarka top, takich jak jego ¸adunek
czy spin (wewn«trzny moment p«du),
ale jego masa pozostawa¸a niestety nie-
okreælona.
Czstki mog by produkowane ãz ni-
czegoÓ, czyli z energii. Jednak pewne
wielkoæci, takie jak na przyk¸ad ¸adunek
elektryczny, musz by przy tym zacho-
wane. Kwark top nie moýe powsta sam.
Najproæciej wyprodukowa go wesp¸
z jego antyczstk Ð kwarkiem antytop,
o identycznej masie, lecz przeciwnym
znaku innych wielkoæci fizycznych, tak
by wielkoæci, ktre musz by zachowa-
ne, niwelowa¸y si« wzajemnie.
Kiedy w 1985 roku w Fermilabie uru-
chomiono akcelerator przeciwbieýnych
wizek (collider), poszukiwania kwar-
ka top trwa¸y juý od oæmiu lat. Pierw-
sze ¸owy w Stanford Linear Accelerator
Center w Palo Alto (Kalifornia) i w
oærodku DESY w Hamburgu zakoÄczy-
¸y si« niepowodzeniem. Budowano no-
we akceleratory o coraz wyýszej ener-
gii i na nich rwnieý prowadzono
poszukiwania. Na pocztku lat osiem-
SKüADNIKI MATERII
üADUNEK
u
GîRNY
c
POWABNY
t
TOP
MASA
(GeV)
0.3
1.5
175
+
2
/
3
d
DOLNY
s
DZIWNY
b
DENNY
MASA
(GeV)
0.3
0.5
4.5
Ð
1
/
3
e
-
ELEKTRON
m
-
MION
t
-
TAU
MASA
(GeV)
0.0005
0.106
1.7
Ð1
n
e
NEUTRINO
ELEKTRONOWE
n
m
NEUTRINO
MIONOWE
n
t
NEUTRINO
TAUONOWE
MASA
(GeV)
0?
0?
0?
0
RODZAJE ODDZIAüYWAÁ
BOZONY WEKTOROWE
FOTON
GLUON
W
+
W
Ð
Z
0
g
g
MASA
(GeV)
80
80
91
0
0
üADUNEK
+1
Ð1
0
0
0
ODDZIAüYWANIE
SüABE
SüABE
SüABE
ELEKTRO-
MAGNE-
TYCZNE
SILNE
Model Standardowy
j si« one w tzw. generacje. Kwarki grny
u
i dolny
d
wyst«puj wraz
z elektronami w atomach; s to przedstawiciele pierwszej generacji. Ci«ýsze
kwarki, jak top
t
i denny
b
wytwarzane s jedynie w akceleratorach. Kaýdemu
kwarkowi i leptonowi odpowiadaj antykwark i antylepton o przeciwnym ¸a-
dunku
(nie figuruj powyýej)
.
Oddzia¸ywania przenoszone s za poærednictwem innego rodzaju czstek:
W, Z
, fotonw i gluonw.
W
i
Z
przenosz oddzia¸ywania s¸abe, odpowiadaj-
ce za niektre rozpady promieniotwrcze. Na przyk¸ad kwark
u
moýe przejæ
w kwark
d
, emitujc czstk«
W
, ktra nast«pnie rozpada si« na kwark lub pa-
r« leptonow. Foton przenosi oddzia¸ywania elektromagnetyczne. Przy wyso-
kich energiach oddzia¸ywania s¸abe i elektromagnetyczne doznaj unifikacji.
Gluony s noænikami oddzia¸ywaÄ silnych, odpowiedzialnych za wizanie kwar-
kw
u
i
d
w protonach i neutronach. Nie znaleziono jeszcze dodatkowej czst-
ki, ktrej istnienie przewiduje teoria: Higgsa.
å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1997
37
W
marcu 1995 roku naukowcy
t
-
-
m
t
n
e
n
m
W
+
Z
0
M
ateria sk¸ada si« z dwch rodzajw czstek: kwarkw i leptonw. Grupu-
a
b
DûET
W
DûET
W
DûET
KWARKîW
b
/ANTY-
b
POZYTON
DûET
KWARKîW
b
/ANTY-
b
3 METRY
dziesitych w CERN-ie, Europejskim
Laboratorium Fizyki Czstek pod Ge-
new, zderzenia wizek protonw i an-
typrotonw przy energii do 315 GeV
doprowadzi¸y do wykrycia dwch no-
wych czstek Ð
W
i
Z
.
Podczas gdy kwarki i leptony tworz
materi«, czstki takie jak
W
i
Z
s noæni-
kami oddzia¸ywaÄ: przenosz oddzia¸y-
wania s¸abe, odpowiadajce za rozpa-
dy niektrych jder promieniotwr-
czych. Odkrycie
W
i
Z
by¸o kolejnym
potwierdzeniem skutecznoæci Modelu
Standardowego, w ramach ktrego do-
k¸adnie przewidziano masy nowo od-
krytych czstek. Uwaýano wwczas po-
wszechnie, ýe odkrycie kwarka top w
CERN-ie nastpi lada moment.
ýe jego masa musi przewyýsza 41 GeV.
W tym czasie rozpoczyna¸ dzia¸alnoæ
akcelerator przeciwbieýnych wizek
w Fermilabie i zbudowany przy nim no-
wy detektor CDF (Collider Detector at
Fermilab Ð Detektor przy Zderzaczu
w Fermilabie). Zaýarta rywalizacja mi«-
dzy fizykami z CERN-u i Fermilabu do
koÄca dekady nie doprowadzi¸a jednak
do wykrycia kwarka top, przesun«¸a tyl-
ko doln granic« jego masy do 77 GeV.
W tym czasie CERN osign¸ kres
swoich moýliwoæci. Przy stosunkowo
niýszej efektywnej energii zderzeÄ w je-
go akceleratorze szanse na wytworzenie
kwarka o masie powyýej 77 GeV by¸y
znikome. Teraz rywalizowa¸y ze sob
dwa zespo¸y w Fermilabie Ð zesp¸ de-
tektora CDF i nowego detektora D/ (na-
zwa pochodzi od lokalizacji punktu prze-
ci«cia wizek w pieræcieniu akceleratora).
Autorem tego pomys¸u by¸ Leon M.
Lederman, ktry b«dc we wczesnych
latach osiemdziesitych dyrektorem Fer-
milabu, zadecydowa¸, ýe detektorowi
CDF i jego zespo¸owi przyda si« lokal-
na konkurencja. I tak dorobiliæmy si«
w domu rywala: z pocztkiem roku
1992 detektor D/ zacz¸ zbiera dane.
Oprcz zmuszenia nas do dodatkowe-
go wysi¸ku wykorzystanie dwch kom-
plementarnych uk¸adw, badajcych za-
sadniczo ten sam problem fizyczny,
mia¸o jeszcze jedn waýn zalet«. Mi-
mo usilnych prac eksperymentatorw
zdarzaj si« przecieý wyniki mylce.
Rwnoleg¸y eksperyment pozwala na
ich niezaleýne sprawdzenie.
D/ jak i CDF s zespo¸ami mi«dzy-
narodowymi, liczcymi ponad 400 fizy-
kw kaýdy. Wspomagaj ich liczni
inýynierowie, technicy i personel pomoc-
niczy. Konkurujc dzia¸aj oczywiæcie
niezaleýnie i nigdy nie prowadz wspl-
nej analizy danych. Jest to jednak rywali-
zacja przyjazna, w sto¸wce zasiadamy
przy wsplnych sto¸ach i prowadzimy
zarwno powaýne dysputy naukowe,
jak i zwyk¸e pogaduszki.
Niepisane regu¸y przestrzegane w
obu eksperymentach stanowi, ýe wyni-
ki ýadnej analizy fizycznej nie s udo-
st«pniane na zewntrz przed jej ukoÄ-
czeniem. Utrzymywanie tajemnicy
podczas poszukiwaÄ kwarka top by¸o
jednak niezwykle trudne. Nie mwic
juý o innych problemach, co najmniej
troje fizykw mia¸o wsp¸ma¸ýonkw
w zespole konkurencyjnym. Aby za-
pobiec nie kontrolowanym pog¸oskom,
umwiliæmy si« z ludmi z D/, ýe je-
ýeli jeden z zespo¸w b«dzie mia¸ og¸o-
si jakiæ istotny komunikat, to drugi
dowie si« o tym z tygodniowym wy-
przedzeniem.
Decydujcym elementem ekspery-
mentu w fizyce wysokich energii jest de-
tektor rejestrujcy produkty zderzenia.
Opierajc si« na najlepszych obliczeniach
teoretycznych, spodziewaliæmy si«, ýe
kwark top wyprodukowany zostanie
w jednym na 10 mld zderzeÄ. Ca¸a resz-
ta, cho ciekawa z punktu widzenia in-
nych projektw, jest dla nas uciýliwym
t¸em, z ktrego trzeba wy¸owi w¸aæci-
wy sygna¸.
Rywal w domu
Nie zmienia to faktu, ýe poszukiwa-
nia by¸y trudnym zadaniem. Przy wyso-
kich energiach zderzenia protonw z an-
typrotonami zachodz w istocie po-
mi«dzy kwarkami i gluonami. Kaýdy
kwark czy gluon niesie zaledwie cz«æ
ca¸kowitej energii protonu albo anty-
protonu, ktrego jest sk¸adnikiem. Tym-
czasem, by wytworzy kwarki top,
zderzenie musi by odpowiednio wy-
sokoenergetyczne, a tego rodzaju zde-
rzenia s rzadkie; tym rzadsze, im wyý-
sza wymagana energia Ð a wi«c masa
kwarka top.
Aý do roku 1988 nie udawa¸o si« za-
obserwowa w CERN-ie kwarka top;
eksperymentatorzy doszli do wniosku,
38 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1997
c
DûET KWARKîW
b
/ANTY-
b
POZYTON
NIE OBSERWOWANE
NEUTRINO
DûET
W
DûET
W
DûET KWARKîW
b
/ANTY-
b
Klasyczne zdarzenie
z kwarkiem top
ENERGIA
akceleratora (kierunek lotu prostopad¸y do p¸aszczyzny rysunku) zderzaj si«
we wn«trzu detektora CDF w Fermilabie
(a)
. W zderzeniu tym powstaj cztery dýety
(b)
i kilka innych czstek. Dwa dýety, zidentyfikowane w krzemowym detektorze wierzcho¸ka, po-
chodz z rozpadu kwarka
b
i antyÐ
b
, natomiast dwa pozosta¸e Ð z rozpadu
W
na kwark i antykwark. In-
ny bozon
W
rozpada si« na wysokoenergetyczny pozyton oraz niewidzialne neutrino
(czerwona strza¸ka)
. Po-
jawienie si« wielu dýetw oraz pozytonu jest dla badaczy sygna¸em, ýe by moýe powsta¸ w zdarzeniu kwark top.
Pole magnetyczne, zorientowane wzd¸uý kierunku wizki, zakrzywia tory czstek na¸adowanych. Znak krzywizny
okreæla znak ¸adunku czstki, promieÄ zaæ krzywizny toru pozwala wyznaczy jej p«d. Dalej wok¸ toru wizki zain-
stalowano kalorymetr
(rýowy)
, ktry pozwala zmierzy energi« powstajcych czstek. Na rysunku kalorymetr zosta¸
ãrozwini«tyÓ
(c)
. Wysokoæ s¸upka odpowiada energii wydzielonej przez czstki w odpowiednim segmencie kaloryme-
tru. Po¸czenie tych informacji pozwala fizykom z duý doz prawdopodobieÄstwa zrekonstruowa pierwotny prze-
bieg procesu
(przedstawionego na stronie 36)
.
W cigu 10 lat zespo¸y CDF i D/
zbudowa¸y niezwykle skomplikowane
uk¸ady instrumentw z setkami tysi«-
cy kana¸w elektroniki w celu wyod-
r«bnienia ãsygnaturyÓ kwarka top, czy-
li rodzaju æladu, jaki mia¸ on pozostawi
w detektorach. W konstrukcji detektora
CDF nacisk po¸oýony zosta¸ na precy-
zyjne przeæledzenie torw poszczegl-
nych czstek w polu magnetycznym
w celu wyznaczenia ich p«du. Detektor
D/ zawiera bardzo dok¸adny segmen-
towany kalorymetr, ktry mierzy ener-
gi« kaýdego zderzenia.
Uk¸ad topÐantytop rozpada si« nie-
mal natychmiast po powstaniu. W od-
rýnieniu od kwarkw
u
i
d
, ktre s
trwa¸e, top ma czas ýycia jedynie oko-
¸o 10
Ð24
s. Model Standardowy przewi-
duje, ýe kwark top, jeæli jest dostatecznie
ci«ýki, rozpada si« w przewaýajcej
wi«kszoæci przypadkw na bozon
W
i kwark
b
. Tak wi«c para topÐantytop
spowoduje pojawienie si« dwch cz-
stek
W
oraz kwarka i antykwarka
b
.
Niestety ani bozonw
W,
ani kwar-
kw
b
nie da si« bezpoærednio obserwo-
wa. Czas ýycia bozonu
W
zbliýony jest
do czasu ýycia kwarka top. Rwnieý
kwark
b
jest nietrwa¸y, cho ýyje znacz-
nie d¸uýej niý top. A poza tym indywi-
dualnych, czyli Ð jak mwimy Ð ãgo-
¸ychÓ kwarkw nigdy si« nie obserwuje.
Silne oddzia¸ywania wiýce je ze sob
powoduj, ýe czstki te wyst«puj za-
wsze w po¸czeniu z innymi kwarkami
i antykwarkami. Pary kwarkÐantykwark
tworz mezony, a trjki kwarkw Ð ba-
riony. (Przyk¸adem barionw s proton
i neutron.) Kiedy w wyniku zderzenia
powstaje kwark, zostaje natychmiast
ãubranyÓ w chmur« innych kwarkw
i antykwarkw. Obserwujemy wtedy
dýet Ð zorientowany p«k czstek, kt-
rego kierunek jest w przybliýeniu zgod-
ny z kierunkiem ruchu pierwotnego
kwarka.
Z chwil gromadzenia danych w
sierpniu 1992 roku granic« na mas«
kwarka top przesun«liæmy do 91 GeV.
By¸ to krok milowy. Czstka
W
poæred-
niczy w oddzia¸ywaniach pomi«dzy
kwarkami tej samej generacji, w tym
rwnieý mi«dzy kwarkami top i
b
. Gdy-
by top nie by¸ bardzo ci«ýki i jego masa
wypada¸a poniýej oko¸o 75 GeV,
W
mg¸by wyprodukowa top rozpadajc
si« naÄ wraz z antykwarkiem
b
. Teraz
jednak wiedzieliæmy, ýe jedynym sposo-
bem wytworzenia kwarka top by¸o wy-
produkowanie pary topÐantytop.
Najbardziej charakterystyczn cech
zdarzeÄ z kwarkiem top s dýety wy-
tworzone przez kwarki
b
. Kwark
b
wy-
st«puje w dýecie jako cz«æ sk¸adowa
mezonu lub barionu, a nast«pnie roz-
pada si« w odleg¸oæci oko¸o p¸ milime-
tra od miejsca powstania. W roku 1992
zacz«liæmy bardzo dok¸adnie æledzi
czstki w dýetach za pomoc detektora
umieszczonego nad obszarem, gdzie
zderzaj si« wizki czstek z akcelera-
tora [patrz: Alan M. Litke i Andreas S.
Schwarz, ãMikropaskowe detektory
krzemoweÓ;
åwiat Nauki
, lipiec 1995].
Krzemowy detektor wierzcho¸ka po-
zwala zlokalizowa ælad czstki z do-
k¸adnoæci do 15
Lawina dýetw
Czstka
W
moýe rozpada si« na
kwark i antykwark z tej samej generacji,
jak na przyk¸ad
u
i anty-
d
. W takim
przypadku kwark i antykwark pojawia-
j si« w detektorze jako dwa dýety.
W
moýe jednak rwnieý rozpada si«
ãleptonowoÓ Ð na oboj«tny i na¸adowa-
ny lepton z tej samej generacji, na przy-
k¸ad elektron i neutrino.
Jeýeli leptonem na¸adowanym jest
elektron lub mion (ci«ýszy krewniak
elektronu), czstka ta moýe zosta bez-
poærednio zaobserwowana w detekto-
rze. Jeýeli jednak jest to lepton tau (jesz-
cze ci«ýszy kuzyn elektronu), on sam
rozpada si« szybko, co powoduje, ýe
bardzo trudno go zidentyfikowa. Neu-
trino (ktre jest czstk o zerowej lub
bardzo ma¸ej masie) przechodzi przez
detektor niezauwaýalnie. Na szcz«æcie
jego obecnoæ moýna wykry na pod-
stawie unoszonego p«du. Kiedy sumu-
jemy p«dy wszystkich czstek zareje-
strowanych w detektorze i do pe¸nego
bilansu brakuje pewnej wartoæci p«du,
to uwaýamy, ýe unios¸o j neutrino.
m. Mierzc ælady
wi«kszoæci czstek z dýetu i ekstra-
polujc je wstecz, liczyliæmy na wyzna-
czenie punktu, w ktrym nast«powa¸
rozpad kwarka
b
, a zatem zidentyfiko-
wanie dýetu
b
.
Technologia detektorw krzemowych
by¸a wwczas jeszcze m¸oda i obawiali-
H
å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1997
39
P
roton i antyproton biegnce w przeciwnych kierunkach w pieræcieniu
æmy si« skutkw przejæcia przez uk¸ad
bilionw czstek. Wiedzieliæmy, ýe je-
ýeli przypadkiem ca¸a wizka z akcele-
ratora padnie na detektor, moýe on zo-
sta w u¸amku sekundy zniszczony.
Zbudowaliæmy zatem specjalny system
zabezpieczajcy, ktry w razie potrze-
by mia¸ odchyli wizk« od uk¸a-
du detektora. W czasie gdy uczy-
liæmy si« zasad stosowania nowe-
go detektora wierzcho¸ka, kon-
kurencja z D/ zamawia¸a swj
nowy detektor, ktry mia¸ by
umieszczony na przeciwleg¸ym
brzegu pieræcienia akceleratora.
Trzy miesice pniej, w pa-
dzierniku 1992 roku, zaobserwo-
waliæmy pierwsz wskazwk«
æwiadczc o istnieniu kwarka
top Ð by¸o to zdarzenie z wyso-
koenergetycznym mionem i elek-
tronem, duý wartoæci brakuj-
cego p«du i co najmniej dwoma
dýetami. Analizowaliæmy ten
przypadek w najdrobniejszych
szczeg¸ach i doszliæmy do wniosku, ýe
zapewne by¸ to prawdziwy sygna¸. Ze-
sp¸ D/ rwnieý zaobserwowa¸ podob-
ne zdarzenie, ktrego najbardziej praw-
dopodobna interpretacja wskazywa¸a
na istnienie kwarka top. Ale jeden przy-
padek to za ma¸o. Naleýa¸o zaobserwo-
wa top na wiele sposobw, aby by
pewnym, ýe nie zmyli¸ nas jakiæ fa¸szy-
wy sygna¸, b«dcy wynikiem przypad-
kowej konfiguracji t¸a imitujcej sygna¸
tego kwarka. Zacz«liæmy wi«c analizo-
wa dane jeszcze gorliwiej, a gdy wciý
nie znajdowaliæmy niczego szczeglne-
go, zrozumieliæmy, ýe sprawa potrwa
d¸uýej.
Analiz danych z detektora CDF zaj-
mowa¸y si« trzy grupy. Pierwszy kan-
dydat na kwarka top zosta¸ znaleziony
przez grup« poszukujc sygna¸u wærd
zdarzeÄ z dwoma leptonami (z dwch
rozpadw
W
) i co najmniej dwoma dýe-
tami (ktre mog¸y pochodzi od kwar-
kw
b
). Dwie inne grupy zajmowa¸y si«
przypadkami z leptonem (z jednego roz-
padu
W
) oraz dýetami (z innych rozpa-
dw
W
oraz kwarkw
b
). Obie stosowa-
¸y odmienne strategie poszukiwawcze.
Jedna grupa wykorzystywa¸a sygna¸y
z krzemowej komory wierzcho¸kowej,
identyfikujcej dýety
b
. Druga Ð poszu-
kiwa¸a niskoenergetycznych leptonw,
ktre mia¸y wskazywa na wystpienie
rozpadu kwarka dennego.
Po prawie roku naæwietleÄ zesp¸
CDF przesun¸ doln granic« masy
kwarka top do wartoæci 108 GeV, a
wkrtce potem zesp¸ D/ Ð do wartoæci
131 GeV. Poszukiwania trwa¸y. W lip-
cu 1993 roku na zebraniu wszystkich
uczestnikw eksperymentu CDF trzy
grupy przedstawi¸y rezultaty swoich
analiz. Wprawdzie wyniki kaýdej z nich
same w sobie nie by¸y jednoznaczne, ale
zgromadzone razem stanowi¸y istotn
wskazwk« istnienia kwarka top. Jeden
z nas (Tipton) mia¸ w¸aænie jecha na
konferencj« i zaprezentowa nasze naj-
Wærd oko¸o biliona zanalizowanych
w CDF zderzeÄ wydzieliliæmy 12, ktre
zdawa¸y si« æwiadczy o powstaniu pa-
ry topÐantytop. Istniej inne procesy
fizyczne, ktre mog imitowa podobne
zdarzenia, wi«c musieliæmy obliczy
prawdopodobieÄstwo takiej sytuacji. Po
paru miesicach pracy oceniliæmy,
ýe moýna si« spodziewa 5.7 przy-
padkw t¸a. PrawdopodobieÄ-
stwo, ýe wszystkie dwanaæcie
pochodzi¸o od t¸a, wynosi¸o w
przybliýeniu 1 na 400, co pozosta-
wia¸o jednak pewn niewielk
moýliwoæ, ýe nie zaobserwowa-
liæmy kwarka top.
Naszych 12 przypadkw pod-
daliæmy teraz wyczerpujcej ana-
lizie. Jednym z najistotniejszych
elementw tych badaÄ by¸a prba
ãzrekonstruowaniaÓ masy kwar-
ka top. Mogliæmy j oszacowa,
dodajc energie dýetw i lepto-
nw pochodzcych z domniema-
nej pary topÐantytop. Jeýeli przy-
padki rzeczywiæcie pochodzi¸y od takich
par, wyznaczone wartoæci masy powin-
ny by zbliýone do jednej wartoæci Ð
w¸aænie masy kwarka top. Natomiast
przypadki t¸a dawa¸yby znacznie szer-
szy rozk¸ad tej wartoæci. Wyznaczone
masy rzeczywiæcie grupowa¸y si« w w-
skim przedziale, co sugerowa¸o, ýe ma-
sa kwarka top wynosi oko¸o 175 GeV.
Dla wielu z nas by¸ to przekonujcy ar-
gument, ýe mamy do czynienia z kwar-
kiem top, a nie t¸em przypadkowym.
Pocztkowo zamierzaliæmy przygo-
towa cztery publikacje, po jednej dla
kaýdej metody analizy i jedn podsu-
mowujc rezultaty. Na spotkaniu ca-
¸ego zespo¸u (ktre utkwi¸o potem w
naszej pami«ci jako ãPadziernikowa
RzeÓ) cztery grupy przygotowujce te
artyku¸y przedstawi¸y je ca¸emu gre-
mium. Zostaliæmy g¸oæno i s¸usznie
skrytykowani, poniewaý publikacje by-
¸y niedopracowane i nie przedstawia¸y
spjnego obrazu pracy. Porzuciliæmy
zamiar pisania czterech oddzielnych
prac i ma¸a grupa (wærd jej cz¸onkw
znaleliæmy si« obaj) zabra¸a si« do pi-
sania jednej wsplnej publikacji.
By¸a to wyczerpujca robota. Kaýdy
cz¸onek zespo¸u mia¸ inne zdanie na te-
mat tego, jak mocne powinny by na-
sze wnioski. Trudno jest zadowoli 400
redaktorw. Co wi«cej, gdy par« mie-
si«cy pniej finiszowaliæmy, zacz«li-
æmy otrzymywa sugestie poprawek od
fizykw spoza naszego zespo¸u, ktrzy
teoretycznie w ogle nie powinni zna
projektu tego tekstu. Po licznych deba-
tach zdecydowaliæmy si« przedstawi
nasz wynik nie jako odkrycie, lecz ar-
gument æwiadczcy o istnieniu kwar-
2
KANDYDACI
NA ZDARZENIA
Z KWARKIEM TOP
1.5
PRZEWIDYWANE TüO
PRZY MASIE
KWARKA TOP
175 GeV
1
0.5
PRZEWIDYWANE
TüO BEZ
KWARKA TOP
0
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280
MASA KWARKA TOP (GeV)
81
80.8
80.6
80.4
åWIATOWA
åREDNIA
WARTOå
BOZONU
W
80.2
MASA
KWARKA TOP
WYZNACZONA
W FERMILABIE
140 160 180 200 220
MASA KWARKA TOP (GeV)
MASA KWARKA TOP zosta¸a wyznaczo-
na na podstawie 12 pierwotnie zaobserwo-
wanych przypadkw w detektorze CDF
(rysunek grny)
. Wartoæci masy grupuj
si« wok¸ 175 GeV. Jednakýe dok¸adnoæ,
z jak znamy mas« tego kwarka i mas«
czstki
W
, nie jest wystarczajca
(rysunek
dolny)
, by przewidzie wartoæci masy czst-
ki Higgsa. Moýe ona zawiera si« w prze-
dziale od 100Ð1000 GeV.
æwieýsze rezultaty. Po zebraniu zdali-
æmy sobie spraw«, ýe jeýeli przedstawi-
my nasze wyniki, s¸uchacze dojd do
wniosku, iý mamy istotne wskazwki
æwiadczce o zaobserwowaniu kwarka
top. Nie byliæmy jeszcze gotowi do pod-
dania naszej pracy szczeg¸owej ocenie.
Tak wi«c Tipton wyg¸osi¸ referat na te-
mat naszych metod i rozlicznych trud-
noæci przy poszukiwaniu kwarka top,
ale nie ujawni¸ najæwieýszych danych.
Wkrtce pojawi¸a si« fala plotek, niekie-
dy doæ bliskich prawdy, niekiedy ab-
surdalnie dalekich. Nie t¸umiliæmy jej,
kiedy wiosn 1994 roku na duýej kon-
ferencji odwo¸aliæmy swj referat.
40 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1997
80
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl