Otkrice top kvarka

U posljednja dva desetljeca ustalila se u fizici slika prirode, poznata pod nazivom Standardni model, prema kojoj je materija izgradjena od sest leptona (elektron, mion, tau i tri odgovarajuca neutrina) te sest kvarkova (up(u), down(d), strange(s), charm(c), bottom(b) i top(t)). Ovih 12 elementarnih cestica djeluju jedna na drugu preko cetiri osnovne sile od kojih su tri (elektromagnetska, slaba i jaka) prenosene tzv. bazdarnim bozonima (fotonom, W i Z cesticama te gluonima) dok cetvrta, gravitacija, nije opisana ovim modelom. Na kraju, pored svih ovih, Standardni model predvidja jos jednu, vrlo specificnu, cesticu koja se naziva Higgsov bozon i uz pomoc koje leptoni i kvarkovi dobivaju svoju masu.

Zbog specificnih svojstava jake sile kvarkovi se ne nalaze u prirodi slobodni vec samo u vezanim stanjima dva ili tri kvarka koje nazivamo hadroni i medju koje spadaju proton, neutron, pion, kaon itd. Tek u vrlo snaznim sudarima hadrona nedvojbeno se manifestira njihova kvarkovska struktura.

Uz izuzetne napore u godinama nakon formulacije Standardnog modela dokazana je egzistencija skoro svih gore navedenih cestica. Jedino su t-kvark i Higgsov bozon dugo vremena izmicali eksperimentalnim fizicarima. Posebno je nedostatak t-kvarka izazivao krizu u zajednici fizicara koji rade u ovom podrucju. Predlagani su raznorazni "topless" modeli, medjutim svi su oni bili kratkog vijeka i s vremenom je postalo jasno da je t-kvark tu negdje iza ugla.

Vise je razloga zbog kojih su fizicari bili prilicno uvjereni da je otkrice t-kvarka samo pitanje vremena. Kao prvo, cinjenica da kvarkova ima u Standardnom modelu isto koliko i leptona nije samo stvar ljepote i simetrije modela vec ima i duboke teorijske razloge. Naime, u suprotnom slucaju, citav bi model bio neizljecivo zatrovan beskonacnim velicinama i besmislen.

S druge strane vec dugo vremena postoji izvjesna indirektna potvrda postojanja t-kvarka. Radi se o tome da se odredjeni procesi koje primjecujemo u prirodi (npr. raspadi nekih cestica) mogu odvijati tako da se u nekim medjustanjima pojavljuje i t-kvark. Svojstva takvih procesa onda ovise o postojanju ovog kvarka i njihovom preciznom analizom moguce je dokazati ne samo njegovo postojanje vec i odrediti priblizno njegovu masu. Tako je npr. analizom svojstava Z-bozona u elektronsko-pozitronskom sudaracu LEP u CERN-u odredjeno da se masa t-kvarka mora nalaziti negdje izmedju otprilike 150 i 200 GeV-a.

Tako ovogodisnje vijesti iz Fermilaba o detektiranju t-kvarka u njihovom proton-antiproton sudaracu Tevatronu nisu dosle sasvim neocekivano.

Najprije, potrebno je naglasiti da je i ova detekcija t-kvarka na izvjestan nacin indirektna. On je toliko nestabilan da se raspadne prakticki odmah nakon nastanka tako da ne stigne ostaviti nikakav trag u detektorima cestica koji okruzuju mjesto sudaranja protonskog i antiprotonskog snopa. Ono sto fizicari vide u svojim detektorima su tragovi cestica koje nastanu raspadom t-kvarka. Medjutim, te cestice mogu nastati i nekim drugim procesima koji nemaju veze s t-kvarkom.(Tzv. "background" signali.) Vazno je da fizicari uzmu u obzir sve moguce nacine na koje priroda moze "simulirati" potpis t-kvarka u detektoru i da ih onda statistickim metodama eliminiraju.

Analiza signala iz detektora vrsi se elektronickim putem. Ovdje prikazujemo jedan tipican signal koji predstavlja "potpis" t-kvarka i t-antikvarka nastalih u sudaru protona i antiprotona. t-kvarkovi se odmah raspadaju u dva W bozona i dva b-kvarka. Jedan W-bozon se onda raspada u mion i neutrino, a drugi u u- i d-kvark. Ovi se kvarkovi odmah raspadaju u mlazeve (tzv. "jets") cestica. Dva b-kvarka se takodjer raspadaju u dva mlaza. Dakle, konacni rezultat raspada su mion, neutrino i cetiri odvojena mlaza cestica. "Lego" graf kojeg generira racunar spojen sa detektorom identificira mion i cetiri mlaza. Neutrino ne ostavlja nikakav trag. On se manifestira preko manjka energije u procesu.

Potrebno je sakupiti mnogo ovakvih slika da bi fizicar mogao nedvojbeno dokazati postojanje t-kvarka. Tek svaki milijunti dogadjaj racunar ocijeni kao zanimljiv, a tek svaki milijarditi predstavlja "potpis" t-kvarka. "Top kvark nismo otkrili odjednom, vec kroz dugi vremenski period, dogadjaj po dogadjaj," kaze Nick Hadley, jedan od suradnika na eksperimentu. "Nema tog jednog jedinog dokaza, ma kako snazan bio, koji bi nam sam po sebi omogucio da objavimo otkrice. Nismo mogli biti sigurni da smo pronasli top kvark dok nismo vidjeli toliko mnogo dogadjaja da vise nije bilo skoro nikakve sanse da nas statistika prevari i navede na laznu objavu."

Koliko je analiza eksperimenta teska vidi se i po tome da nakon dva paralelna eksperimenta na Fermilabu (CDF i D0, svaki po 450 ljudi) ne znamo zapravo nista vise o t-kvarku nego prije. Eksperimenti su masu t-a odredili jednako neprecizno kao i gore spomenute indirektne analize u CERN-u. Dakle, znamo da je t-kvark otprilike 200 puta tezi od protona i dvostruko tezi od dosad najteze poznate elementarne cestice, Z bozona. No, bit ce potrebno jos mnogo mjerenja da se njegova masa precizno odredi. Ipak, pred lovcima na nove elementarne cestice stoji sada jedan drugi, mnogo veci izazov: otkrice Higgsovog bozona.

Kresimir Kumericki

(slike i informacije su sa Fermilaba)