Misiunea zero în fizica particulelor este în prezent găsirea răspunsului la întrebarea „există sau nu bosonul Higgs”, ultima particulă elementară încă nedescoperită dar prezisă de teoria oficială, care va explica misterul originei masei la nivel fundamental.
Dar cum este un boson Higgs produs şi cum este el căutat la acceleratoare de particule? Vom exemplifica pentru cazul experimentului CDF, de la acceleratorul Tevatron (laboratorul american Fermilab).
Căutarea bosonului Higgs este pe bună dreptate „Sfântul Graal” al fizicii particulelor elementare, domeniul ştiinţei care studiază legile fundamentale ale Universului Mic (lumea cuantică). Dacă se va dovedi că există, bosonul Higgs va confirma teoria curentă, Modelul Standard al fizicii particulelor, care de peste trei decenii explică corect toate rezultatele experimentale înregistrate la acceleratoarele de particule. Dar dacă se va descoperi că bosonul Higgs nu există deloc, teoria curentă va fi dată peste cap, iar o altă teorie va trebui creată, care să explice aceleaşi fapte experimentale de până acum, dar într-un mod complet diferit.
Bosonul Higgs, confirmarea unui model sau revoluţia în fizică
Aceasta ar duce la o revoluţie în fizică. Întrebarea existenţei bosonului Higgs este veche de cam 45 de ani, dar cercetătorii sunt siguri că în următorii 5-6 se va răspunde ferm la această întrebare odată pentru totdeauna. Aceasta datorită excelentei funcţionări a mai vechiului accelerator Tevatron de la laboratorul american Fermilab de lângă Chicago, SUA, şi datorită recentei intrări în funcţiune a acceleratorului Large Hadron Collider (LHC) de la laboratorul european CERN de la Geneva, Elveţia.
În alte articole la EvZ.ro am povestit pe larg despre bosonul Higgs şi despre acceleratorul LHC de la Geneva. În acest articol vom povesti despre cum este produs efectiv un boson Higgs şi cum este căutat el. Vom lua ca exemplu experimentul Collider Detector at Fermilab (CDF) de la acceleratorul Tevatron, căci îmi este cel mai familiar, fiind experimentul la care am făcut cercetare în ultimii 5 ani şi de la care voi primi doctoratul în curând. Dar trebuie menţionat că în mod identic bosonul Higgs este căutat şi la experimentul Dzero de la acceleratorul Tevatron, iar într-un mod asemănător, de experimentele ATLAS şi CMS de la acceleratorul LHC.
Să începem cu începutul. La Fermilab există un complex de acceleratoare de unde se pleacă de la o butelie micuţă cu hidrogen gazos (sub formă de molecule) şi se ajunge la protoni şi antiprotoni învârtindu-se în sensuri contrare în acceleratorul circular Tevatron la viteze de doar 150 de metri pe secundă mai mici decât viteza luminii în vid. În două locuri pe acest cerc imens ei se ciconesc frontal, iar din aceste coliziuni apar tot felul de particule noi, între care şi bosonul Higgs, dacă teoria din prezent este corectă.
În jurul acestor locuri în care au loc coliziunile, cercetătorii au construit câte un imens detector de particule, pe care vi-l puteţi imagina ca pe o imensă cameră digitală tridimensională care înregistrează tot ce se întâmplă în interiorul său.
Obţinerea antiprotonilor
Cercetătorii, cam câte 600 la fiecare din cele două experimente, CDF şi Dzero, analizează apoi pe calculator urmele lăsate de diversele particule în detectoare, căutând urmele lăsate de un eventual boson Higgs.
Să facem acum un zoom pe partea de accelerare. Esenţial este de înţeles că din moleculele de hidrogen sunt extrase nucleele de hidrogen, adică protonii. Aceştia sunt acceleraţi cu câteva acceleratoare succesive până când ajung la energii de cam 120 de ori masa lor de repaus. Atunci, o parte din protoni sunt ciocniţi de un alt material în repaus (aşadar de alţi protoni), iar din aceste coliziuni se produc multe alte particule subatomice, între care şi antiprotoni, particulele de antimaterie a protonilor.
Antiprotonii au aceeaşi masă cu protonii, dar sunt negativi din punct de vedere electric. Antiprotonii sunt captaţi cu ajutorul unor magneţi (în general o particulă încărcată electric este deviată într-un câmp magnetic şi acelaşi principiu este folosit pentru a ţine protonii şi antiprotonii în mişcare circulară în acceleratoare).
Ciocniri între protoni şi antiprotoni
Protoni şi antiprotoni sunt apoi introduşi în acceleratorul final, Tevatronul, unde sunt acceleraţi până la energii de cam o mie de ori mai mari decât energia lor de repaus. Ei sunt organiazaţi în grupuri. Un grup de protoni cuprinde cam 100 de miliarde. Un grup de antiprotoni cuprinde doar circa 10 miliarde. De ce de zece ori mai puţini?
Antiprotonii sunt antimaterie, aşadar se anihilează cu materia imediat ce o întâlnesc. Prin urmare, sunt mai greu de produs şi păstrat. Dar cum reuşesc aceşti antiprotoni să nu se anihileze cu materia? Simplu, ei nu se întâlnesc cu nici o particulă de materie! Sunt puşi direct în mişcare într-un tub în care s-a făcut în prealabil vid. Tubul are o rază de cam un centimetru, dar cu ajutorul magneţilor foarte puternici de la Tevatron, fasciculul de antiprotoni nu are raza mai mare de cea a unui fir de păr. Astfel circulă într-un sens grupuri câte 10 miliarde de antiprotoni, la viteze apropiate de viteza luminii. Şi tot astfel circulă, dar din sens contrar, grupuri de câte 100 de miliarde de protoni, la aceeaşi viteză.
În fiecare secundă au loc aproape 2,5 milioane de coliziuni între un grup de protoni şi unul de antiprotoni. V-aţi aştepta poate ca fiecare antiproton să fie anihilat de un proton, dar nu este aşa. Deşi toate aceste particule intră într-un diametru mic, cel al unui fir de păr, protonii şi antiprotonii au o rază aşa de mică (o milionime de miliardime de metru) încât practic protonii şi antiprotonii sunt foarte distantaţi între ei. Aceasta face la fiecare din aceste coliziuni, doar cam două perechi de proton-antiproton să se ciocnească. Fiecare din aceste coliziuni poate produce un boson Higgs, sau alte particule elementare deja descoperite şi studiate (bosoni W, bosoni Z, muoni, particule tau, cuarci, gluoni).
100 de evenimente fotografiate, din 2,5 milioane produse
Totuşi, două milioane jumătate de coliziuni pe secundă este un număr foarte mare! Fiecare „fotografie” în detector al unei coliziuni ocupă cam 1 MB de memorie. Aşadar, am avea nevoie de o memorie de circa 2,5 TB pentru fiecare secundă! În plus, nu există aparatură electronică capabilă să transmită în fiecare secundă atâtea informaţii. Profitând de faptul că cele mai multe din aceste 2,5 milioane de coliziuni sunt produceri de particule deja cunoscute şi studiate şi că pe fizicieni îi interesează mai ales producerea de fenomene rare, prezise de teorie, precum bosonul Higgs, fizicienii ajung la un compromis.
Ei aleg şi păstrează în fiecare secundă doar circa 100 de evenimente dintre cele 2,5 milioane! Această selecţie este realizată de super calculatoare precum cele din imaginea 1.
Secundă de secundă, câte o sută de evenimente noi sunt adăugate pe hard disk şi apoi sunt studiate detaliat, în cele mai mici amănunte, de cercetători. Bosonul Higgs poate fi produs în multe moduri, dar vom exemplifica doar unul dintre ele, anume acela pe care l-am căutat eu în cadrul tezei mele de doctorat.
Acest proces este descris de imaginea 2, pe care o vom comenta pas cu pas. Imaginea reprezintă o diagramă a lui Feynman, de la numele unui mare fizician care a descoperit acest mod simplu şi elegant de a vizualiza şi calcula procesele subatomice. Diagrama trebuie interpretată de la stânga la dreapta.
Astfel, vedem cum un proton şi un antiproton se ciocnesc. Atunci, de fapt un cuarc din proton şi un anticuarc din antiproton se ciocnesc, iar ceilalţi doi cuarci şi doi anticuarci merg mai departe nedeviaţi. Cuarcul şi anticuarcul ce se ciocnesc se anihilează şi în locul lor apare o particulă nouă, bosonul W, a cărei masă este de cam 80 de ori masa unui proton.
Iată de ce este nevoie ca protonii şi antiprotonii să fie acceleraţi la energii mari, pentru ca o parte din energia lor de mişcare să se tranforme conform celebrei E=mc2 în masa unor particule noi, foarte interesante. Acest boson W radiază un boson Higgs, într-un proces similar prin care un electron poate radia un foton. Mai departe, bosonul W se dezintegrează într-un electron şi un neutrino electronic (ori într-un muon şi neutrino muonic, ori într-un lepton tau şi un neutrino taonic – ştim deja că muonii şi leptonii tau sunt un fel de „fraţi” mai mari ai electronilor şi că fiecăruia îi corespunde câte un tip propriu de neutrini). În schimb, bosonul Higgs se dezintegrează într-un cuarc bottom şi un anticuarc bottom.
Cercetătorii caută aşadar un fenomen care produce în detector un electron sau muon, un neutrino şi doi cuarci. Întâi, ei identifică toate aceste evenimente. Apoi se uită atent care din acestea provin de fapt dintr-un boson W şi boson Higgs produşi împreună.
Căutarea unui ac în miliarde de miliarde de care cu fân
Deocamdată, un astfel de fenomen nu a fost observat, iar bosonul Higgs rămâne nedescoperit. Dar pe măsură ce cercetătorii colectează mai multe coliziuni şi cu cât tehnicile lor de analiză statistică se îmbunătăţesc, cu atât creşte şansa de a fi descoperit bosonul Higgs, care, dacă există, este un fenomen foarte rar.
Căutarea lui este ca şi căutarea unui ac în miliarde de miliarde de care cu fân! Cel mai recent rezultat în căutarea bosonul Higgs a fost comentat într-un articol amplu publicat anterior pe evz.ro şi a venit de la combinarea rezultatelor experimentelor CDF şi DZero de la Fermilab. Astfel, s-a exclus o mare parte din teritoriul unde s-ar putea ascunde bosonul Higgs. Vom reveni cu alte completări despre cum este realizată efectiv analiza evenimentelor de tip boson Higgs.
Sursa evz.ro
Blackjack's Blog 