English

Contact us

نظر دهید

تماس با ما

فارسی

Welcome to CPH Theory Siteبه سایت نظریه سی پی اچ خوش آمدید

 

 

نظریه سی پی اچ بر اساس تعمیم سرعت نور از انرژی به ماده بنا شده است.

اخبار

آرشیو مقالات

 

سی پی اچ در ژورنالها

   

 

كشف كوارك سر

 

 

 



يافتن ششمين كوارك نيازمند پرانرژى ترين برخوردها و صرف هزينه هاى هنگفتى بود
 

كشف كوارك سر

 

 

تونى ليس- پال تيپتون

ترجمه: ذوالفقار دانشى

 

 

 

 

مارس سال ۱۹۹۵ (اسفندماه ۱۳۷۳) فيزيكدانان بسيارى از سراسر جهان در نشست اضطرارى آزمايشگاه شتاب دهنده ملى فرمى در ايالات متحده (فرمى لب) شركت كردند تا رويدادى تاريخى را جشن بگيرند. سمينار پشت سمينار، پژوهشگران عملكرد و نتايج آزمايش هاى فراوان خود را ارائه  كردند و در نهايت اعلام كردند ذره جديدى را به نام كوارك سر كشف كرده اند. بدين سان ده ها سال جست وجوى فيزيكدانان براى يافتن يكى از آخرين قطعات گمشده مدل استاندارد فيزيك ذرات به نتيجه رسيد.

كوارك سر، ششمين و به احتمال قريب به يقين آخرين كوارك است. كوارك ها همراه با لپتون ها (الكترون و هم خانواده هايش) واحدهاى سازنده ماده هستند. سبك ترين كوارك ها كه بالا و پايين نام دارند، پروتون و نوترون معمولى را به وجود مى آورند و اين دو همراه الكترون، تمام عناصر جدول تناوبى را مى سازند. كوارك هاى سنگين تر (شگفت، افسون، سر و ته) و ديگر لپتون ها هم تنها در شتاب دهنده ها توليد مى شوند؛ البته اين بدان معنى نيست كه اين ذرات هيچ گاه در طبيعت به وفور وجود نداشته اند، چرا كه در نخستين لحظات پس از مهبانگ، عالم مملو از اين ذرات بنيادى بود. مدل استاندارد ذرات بنيادى مى تواند تعامل بين اين واحدهاى سازنده ماده را به خوبى توضيح دهد، اما لازمه اش اين است كه هر يك از لپتون ها و كوارك ها به صورت جفت ذره وجود داشته  باشند كه معمولاً آنها را نسل  ذرات مى نامند.

فيزيكدانان از سال ۱۹۷۷ (۱۳۵۶) مى دانستند كه كوارك سر بايد وجود داشته باشد؛ چرا كه جفت آن، كوارك ته، كشف شده  بود. اما آزمايش هاى مختلف نشان داد كه كوارك سر ذره اى بسياربسيار دردسرساز است كه حاضر نيست خود را نشان دهد. درست  است كه براى كوارك سر هيچ ساختار مشخصى تعريف نشده  است، اما آزمايش ها نشان مى دهد سنگينى اين ذره ۱۷۵گيگاالكترون ولت (GeV ۱۷۵) است كه معادل سنگينى يك اتم طلا و بسيار سنگين تر از آنى است كه بسيارى از نظريه پردازان پيش بينى كرده  بودند. پروتون كه از دو كوارك بالا و يك كوارك پايين تشكيل شده است، جرمى كمتر از ۱GeV دارد. الكترون ولت يكى از واحدهاى انرژى است و با معادله مشهور E=mc2  به جرم تبديل مى شود. بدين ترتيب هر يك ميليارد الكترون ولت معادل ۲۶-۱۰*۷۷/۱ كيلوگرم است كه تقريباً يك ميليارد ميليارد ميليارد بار سبك تر از يك وزنه يك كيلوگرمى است.

 

 

مشخص  است كه براى خلق  كردن ذره اى مانند كوارك سر بايد مقدار بسيار زيادى انرژى را در حجم بسيار كوچكى از فضا متمركز كرد. فيزيكدانان براى اين كار، دو ذره را در شتاب دهنده هاى بزرگ شتاب مى دهند و سپس آنها را به سوى برخوردى رودررو با يكديگر هدايت مى كنند. آنها اميدوارند درميان هزاران ميليارد آزمايش برخورد، انرژى حاصل از برخورد در تعداد قابل قبولى از آنها منجر به توليد كوارك سر شود. اما آنها تا مدت ها نمى دانستند كه براى توليد چنين ذره اى به چه مقدار انرژى نياز دارند و همين عامل بود كه كشف كوارك سر را اين قدر به تاخير انداخت. مدل استاندارد مى توانست برخى از خواص اين ذره را مانند بار الكتريكى و اسپين (تكانه زاويه اى ذاتى ذره) مشخص كند، اما در مورد جرم آن نمى توانست هيچ حدى تعيين كند.

درست است كه ماده را مى توان فقط با استفاده از انرژى توليد كرد، اما برخى خواص ماده را مانند بارالكتريكى نمى توان با انرژى توليدكرد، زيرا اين خواص در طبيعت ثابت هستند. يك كوارك سر هم خودبه خود توليد نمى شود. ساده ترين راه براى توليد يك كوارك سر اين است كه آن را همراه با پادذره اش (پادكوارك سر) توليد كنيم. پادذره همان جرم ذره را دارد، اما ديگر خواصش قرينه خواص ذره است و در صورت برهمكنش با ذره، خواص ثابت يكديگر را خنثى مى كنند. 

در سال ۱۹۸۵ (۱۳۶۴) كه برخورددهنده فرمى لب آغاز به كار كرد، هشت سال از آغاز جست وجوى دانشمندان براى يافتن كوارك سر گذشته  بود. آزمايش هاى انجام شده در مركز شتاب دهنده خطى استانفورد در كاليفرنيا و آزمايشگاه DESY  در  هامبورگ آلمان به نتيجه اى نرسيده بود. به تدريج، شتاب دهنده هاى پرانرژى تر ديگر آغاز به كار كردند و تلاش براى شكار اين ذره گسترده تر شد. 

در اوايل دهه ،۱۹۸۰ در سرن (آزمايشگاه اروپايى فيزيك ذرات در ژنو) جريانى از پروتون ها و پادپروتون ها در انرژى ۳۱۵Gev  با هم برخورد كردند و دو ذره جديد را به نام هاى W و Z  خلق كردند. كوارك ها و لپتون ها ساختار داخلى ماده را تشكيل مى دهند، اما ذراتى مانند W و Z  نيروهاى بين ذرات را منتقل مى كنند. اين دو ذره نيروى ضعيف را انتقال مى دهند كه عامل برخى واپاشى هاى راديواكتيو است. كشف اين ذرات اعتبار مدل استاندارد ذرات را بيشتر كرد، چرا كه جرم اين دو ذره را به دقت پيش بينى كرده بود. همه انتظار داشتند كه سرن به زودى كوارك سر را نيز كشف كند.

اما يافتن اين ذره هنوز مشكل بود. وقتى پروتون ها و پادپروتون ها در انرژى هاى زياد باهم برخورد مى كنند، برخورد واقعى بين كوارك ها و گلوئون هاى درونشان روى مى دهد. هر كوارك يا گلوئون تنها كسرى از انرژى بالاى پروتون يا پادپروتون ميزبانش را حمل مى كند. از سوى ديگر انرژى برخورد بايد آن قدر زياد باشد كه بتواند كوارك سر را خلق كند. چنين واكنش هايى بسيار نادرند و هرچه انرژى لازم بيشتر باشد، يعنى كوارك سر سنگين تر باشد، احتمال وقوعش هم كمتر است.

چند سال گذشت و تا سال ۱۹۸۸ (۱۳۶۷) اين ذره در سرن مشاهده نشد. پژوهشگران اروپايى تنها توانستند به  اين نتيجه برسند كه جرم كوارك سر بيش از ۴۱ GeV  است. در اين  زمان، برخورددهنده فرمى لب در ايالات متحده در حال راه اندازى آشكارساز جديد خود به نام CDF  بود. رقابت نزديك و حساسى بين سرن و فرمى لب آغاز شد. دهه ۱۹۸۰ به پايان رسيد و كوارك سر خود را نشان نداد، اما دانشمندان توانستند بفهمند كه جرم اين ذره كمتر از ۷۷ GeV  نيست!

سرن به حد بالاى انرژى خود رسيده  بود. باريكه ذرات اين شتاب دهنده نمى توانست كوارك هاى سنگين تر از ۷۷ GeV  را توليد كند؛ در نتيجه رقابت به آزمايشگاه ملى فرمى محدود شد، آن هم بين CDF  و يك آزمايش جديد در حلقه شتاب دهنده كه به دليل موقعيتش در مسير شتاب دهنده، D0 (دى صفر) نام گرفت. در اوايل دهه ،۱۹۸۰ لئون  لدرمن (Leon Lederman) كه مديريت فرمى لب را برعهده داشت، تصميم گرفت كه CDF  بايد رقيبى داخلى نيز داشته  باشد. اين  شد كه در فرمى لب گروه جديدى تشكيل شد كه D0  را بسازد. در سال ۱۳۷۱/ ،۱۹۹۲ آزمايش D0  آغازشد و نخستين داده ها را توليد كرد. جدا از رقابت ايجاد شده بين دو گروه تحقيقاتى فرمى لب كه تلاش ها را دوچندان مى كرد، داشتن دو آزمايش كامل كه يك موضوع را بررسى مى كردند، اين مزيت را داشت كه مى شد از صحت نتيجه هاى به دست  آمده اطمينان حاصل  كرد. هميشه ممكن است اشتباهى در يك آزمايش پيش بيايد و سازگار نبودن نتايج اين دو آزمايش مى توانست اين اشتباه ها را نشان دهد.

 

آزمايش 

CDF  و هم اعضاى D0  از گروه هايى بين المللى تشكيل شده  بودند كه بيش از چهارصد فيزيكدان در آنها عضويت داشتند. علاوه بر اينها تعداد زيادى مهندس، تكنسين و پرسنل خدمات نيز مشغول به كار بودند. گروه هاى رقيب مستقل از يكديگرند؛ هيچ گاه در تحليل هاى علمى ديگران مشاركت نمى كنند و هريك در تلاش است ديگرى را از دور حذف كند. اما اين رقابتى دوستانه است و اگر در زمان هاى صرف غذا يا استراحت به رستوران و كافه سرى مى زديد، اعضاى گروه هاى مختلف را مى ديديد كه پشت يك ميز نشسته اند و باهم گپ مى زنند!

اين يك قانون نانوشته در هر برنامه تحقيقاتى است كه نتايج هر تحليل فيزيكى تا وقتى كه تحليل داده ها به پايان نرسيده است، به بيرون از گروه درز پيدا نكند. اما از همان آغاز هم معلوم بود كه رازدارى در مورد موضوعى به اهميت كشف كوارك سر كارى بسيار دشوار است. در هر گروه تحقيقاتى، حداقل سه نفر پيدا مى شد كه همسرشان عضو گروه رقيب بود! براى آنكه از پخش  مهارنشدنى شايعات جلوگيرى شود، دو گروه باهم قرار گذاشتند اگر در تحليل هاى خود به نتايجى رسيدند كه ارزش خبرى داشت، گروه ديگر را با اعلانى يك هفته اى خبردار كنند.

حساس ترين بخش هر آزمايش انرژى زياد، آشكارساز است كه بقاياى برخوردها را ثبت مى كند. دانشمندان بر اساس بهترين محاسبه هاى نظرى، انتظار داشتند از بين هر ده ميليارد برخورد پروتون و پادپروتون، يك برخورد منجر به توليد كوارك سر شود. بقيه برخوردها براى مقاصد ديگرى مناسب بود و دشوارى كار اينجا بود كه از بين اين همه برخورد به دردنخور، برخوردى بايد پيدا مى شد كه كوارك سر را توليد مى كرد.

دانشمندان هر دو گروه CDF و D0  در طول يك دهه ابزارهاى پيچيده و غول آسايى را ساخته بودند كه هريك از آنها داراى صدهاهزار مدار الكترونيكى بود و همه آنها تنها براى يك هدف طراحى شده بودند: يافتن ردپاى كوارك سر. آشكارساز CDF  اين توانايى را دارد كه مسير هر ذره اى را در ميدان مغناطيسى به دقت مشخص كند و از اين راه تكانه آن ذرات را تعيين كند؛ اما دستگاه D0  به يك گرماسنج بسيار حساس و دقيق مجهزاست كه مى تواند انرژى هر برخورد را اندازه گيرى كند. در صورتى كه كوارك و پادكوارك سر خلق شوند، تقريباً در همان لحظه واپاشى مى كنند. اين ذره برخلاف كوارك هاى بالا و پايين كه ذرات پايدارى هستند، بسيار ناپايدارند و نيمه عمرشان تنها 10 -24  ثانيه است، يعنى پس از اين مدت نيمى از كوارك ها و پادكوارك هاى سر واپاشيده مى شوند و به ذرات ديگرى تبديل مى شوند. مدل استاندارد پيش بينى مى كند اگر كوارك سر به اندازه كافى سنگين باشد، تقريباً هميشه به يك ذره W  و يك كوارك ته واپاشيده مى شود. بنابراين اگر يك زوج كوارك و پادكوارك سر تشكيل شوند، بايد دو ذره   يك كوارك ته و يك پادكوارك ته توليد كنند.

متاسفانه نمى توان هيچ يك از ذرات  W  و كوارك ته را مستقيماً ديد. نيمه عمر ذره W  تقريباً برابر نيمه عمر كوارك سر است. كوارك ته هم ناپايدار است، اما خيلى بيشتر از كوارك سر عمر مى كند. از سوى ديگر، تاكنون هيچ كواركى به تنهايى ديده نشده است. (دانشمندان اصطلاحاً مى گويند كه كوارك ها هيچ وقت برهنه نمى شوند). نيروى هسته اى قوى كه كوارك ها را در كنار هم نگه مى دارد، آنها را ملزم مى كند كه هميشه در كنار ديگر كوارك ها و پادكوارك ها ظاهر شوند؛ اگر كوارك ها دوتادوتا باشند ذره حاصل مزون نام دارد و اگر كوارك ها سه تايى باشند، آن ذره باريون ناميده مى شود (پروتون ها و نوترون ها باريون هستند). وقتى كواركى در يك برخورد آزاد مى شود، ابرى از ديگر كوارك ها و پادكوارك ها آن را مى پوشانند و نمى گذارند برهنه بماند. آنچه ديده مى شود، يك جت است، باريكه اى  جهت دار از ذرات كه در همان مسير كوارك اوليه حركت مى كند.

 

 بمبارانى از جت ها

ذرهW مى تواند به يك كوارك و پادكوارك هم نسل تبديل شود، مانند يك كوارك بالا و يك پادكوارك  پايين كه در آشكارساز به صورت دو جت ذرات ديده مى شوند. اما اين ذره مى تواند واپاشى لپتونى نيز داشته باشد، يعنى به يك لپتون باردار و يك لپتون خنثاى هم نسل واپاشيده  شود، مانند يك الكترون و يك نوترينو!

اگر لپتون باردار، الكترون يا ميون (لپتونى سنگين تر از الكترون) باشد، مى توان آن را مستقيماً در آشكارساز مشاهده كرد. اما اگر لپتون تاو باشد (ذره اى شبيه الكترون ولى خيلى سنگين تر)، به سرعت واپاشى مى كند و پيدا كردنش بسيار دشوار مى شود. نوترينوى حاصل در واپاشى W جرم بسيار اندكى دارد و بدون ديده شدن از آشكارساز عبور مى كند. خوشبختانه مى توان حضورش را تشخيص داد، زيرا اين ذره بخشى از تكانه برخورد را با خود مى برد. مجموع تكانه ذرات در هر برخوردى ثابت است؛ اگر تكانه تمام ذراتى كه در آشكارساز ديده مى شوند باهم جمع شوند و به مقدار قابل توجهى كم باشد، نتيجه اين مى شود كه يك نوترينو آن مقدار را با خود برده  است. 

آزمايشگاه فرمى در آگوست ۱۹۹۲ (مردادماه ۱۳۷۱ ) شكار كوارك سر را مجدداً آغاز كرد. در آن ماه دانشمندان حد پايين جرم اين ذره را ۹۱ GeV  تعيين كردند. اين گام بزرگى بود. ذره W   برهمكنش هايى را بين كوارك هاى هم نسل ايجاد مى كند و خوشبختانه كوارك هاى سر و ته هم جزء آن نسل هستند. اگر كوارك سر به اندازه كافى سبك مى بود (يعنى سبك تر از ۷۵ GeV)  ذره W  مى توانست در واپاشى خود، اين ذره را به همراه يك پادكوارك ته توليد كند. اما با رسيدن به حد ۹۱ GeV  مشخص شد تنها راهى كه مى توان كوارك سر را پيدا كرد، خلق يك زوج كوارك-پادكوارك سر است.

يكى از جذاب ترين رويدادهاى خلق يك كوارك سر، جت هايى از ذرات است كه كوارك هاى ته آنها را به وجود مى آورند. اين كوارك ها به شكل بخشى از يك مزون يا باريون حركت مى كنند و تقريباً نيم ميلى متر دورتر از جايى كه خلق شده اند واپاشيده مى شوند. در سال۱۹۹۲ ابزار جديدى به نام آشكارساز محاطى سيليكون روى محل برخورد پرتوهاى پرانرژى نصب شد كه مى توانست مسير حركت ذرات را با دقت بسيار زيادى تعقيب كند. اين آشكارساز مى توانست مسير هر ذره اى را با دقت ۱۵ ميكرون مشخص كند (قطر موى انسان ۷۰ ميكرون است). دانشمندان اميدوار بودند با يافتن ردپاى ذرات جت و امتداد دادن مسيرشان بتوانند نقطه آغاز واپاشى را بيابند و كوارك ته موجود در جت را شناسايى كنند.

فناورى سيليكون در آن زمان بسيار جديد بود و دانشمندان نگران اثرات عبور هزاران ميليارد ذره پرانرژى بودند. كافى بود اختلالى در عملكرد شتاب دهنده پيش بيايد تا باريكه ذرات پرانرژى جهت خود را به سوى اين آشكارساز تغيير دهد و تمام آن را در كسرى از ثانيه بسوزاند! خوشبختانه سپر حفاظتى مناسبى ساخته  شد كه در شرايط اضطرارى، پرتوهاى پرانرژى را از آشكارساز دور مى كرد. اما اين تنها ابزار جديد نبود! آشكارساز جديدى هم براى آزمايش D0  ساخته شد كه در سمت ديگر حلقه شتاب دهنده قرار گرفت. در پاييز ۱۹۹۲ (۱۳۷۱) تنها سه ماه پس از آغاز به كار دستگاه هاى جديد، نخستين نشانه هاى كوارك سر پيدا شد. از خصوصيات منحصربه فرد رويداد موردنظر مى توان به وجود الكترون و ميون بسيار پرانرژى، گم شدن مقدار زيادى از تكانه و حداقل دو جت ذرات اشاره كرد. پس از بررسى هاى بسيار مشخص شد كه اين رويداد مربوط به خلق يك كوارك سر است. هر دو آزمايش هاى CDF و D0  توانستند اين رويداد را ثبت كنند،

اما ايراد كار اينجا بود كه يك رويداد براى اعلام جهانى كافى نبود. اين ذره مى بايست چندين بار ديگر آشكار مى شد تا هيچ كس شك نكند اين رويداد مربوط به يكى از آن ده هزار ميليارد برخورد ديگرى است كه تصادفاً آثارى شبيه به نشانه هاى كوارك سر توليد كرده است. هر دو گروه آزمايش ها را دقيق تر ادامه دادند، اما به نتيجه خاصى نرسيدند. به نظر مى رسيد كوارك سر خودش را مخفى كرده باشد.سه گروه در تحليل داده هاى CDF شركت داشتند. نخستين رويداد نامزد كوارك سر را گروهى پيدا كرد كه در جست وجوى برخوردهاى حاوى دو لپتون (محصول واپاشى دو W  و حداقل دو جت ذرات ( دو كوارك ته و همراهان!) بود. دو گروه ديگر به دنبال رويدادهايى بودند كه داراى يك لپتون (تنها يك واپاشى ذره W و چندين جت ذرات (ناشى از ديگر واپاشى ذره W  و البته همراهان كوارك ته) باشند. راهبرد گروه ها براى شناسايى اين رويدادها متفاوت بود. يكى از گروه ها از سيگنال هاى آشكارساز محاطى سيليكون كه به خوبى كار مى كرد، براى شناسايى جت هاى كوارك ته استفاده مى كرد. گروه ديگر هم به دنبال لپتون هاى كم انرژى بود كه نشانه اى خودكار از واپاشى يك كوارك ته است. يك سال گذشت و فرمى لب نتوانست اين كوارك را شكاركند. گروه CDF  توانست حد پايين جرم را به ۱۰۸ GeV  برساند و اندكى بعد D0  توانست از اين مقدار فراتر رود و به ۱۳۱ GeV  برسد. جست وجو هنوز ادامه داشت. در جولاى ۱۹۹۲ (خرداد ۱۳۷۲)گروه هاى CDF  در يك كنفرانس درون سازمانى دستاورد هايشان را براى يكديگر شرح دادند. دستاوردهاى هرگروه به تنهايى مبهم بود، اما داده هاى هر سه گروه در كنار هم نشان از شكار كوارك سر داشت. چندى بعد، گروه CDF  در يك كنفرانس تخصصى به تشريح روش هاى شكار كوارك سر پرداخت ولى از آن رويداد نامزد كوارك سر حرفى نزد. شايعات اوج گرفت و كار به جايى رسيد كه كنفرانس از پيش تعيين شده در بهار ۱۹۹۴(۱۳۷۳) لغو شود.

از ميان هزاران ميليارد برخورد پرانرژى روى داده در CDF،  تنها ۱۲ رويداد ثبت شده بود كه از شرايط مناسب براى نامزدى خلق جفت كوارك-پادكوارك سر برخوردار بودند. مشكل اينجا بود كه انبوهى از فرآيندهاى فيزيكى ديگر وجود داشت كه مى توانست همين نشانه ها را توليد كند و فيزيكدانان مى بايست از كشف خود مطمئن مى شدند. پس از ماه ها تلاش آنها توانستند تخمين بزنند حدود ۷/۵ رويداد زمينه نيز همين علايم را توليد مى كنند. احتمال اين كه فقط رويدادهاى زمينه عامل اين ۱۲ رويداد انتخابى باشند ۱به۴۰۰ بود. بنابراين هنوز اين احتمال وجود داشت كه هيچ كوارك سرى به دام نيفتاده  باشد.

 

 

 

 

دانشمندان سعى كردند اين ۱۲ رويداد را به شكلى ديگر تحليل كنند. يكى از اين تحليل ها كه اهميت فراوانى داشت، اين بود كه جرم كوارك سر مجدداً اندازه گيرى شود. با واردكردن انرژى جت هاى ذرات و لپتون هاى به وجود آمده از واپاشى يك جفت كوارك-پادكوارك سر، مى شد جرم اين كوارك را تعيين كرد. اگر اين رويدادها واقعاً مربوط به خلق جفت كوارك سر بودند، پس مقدار جرم به دست  آمده از هر ۱۲ آزمايش مى بايست حول وحوش يك مقدار باشد كه آن هم چيزى جز جرم واقعى كوارك سر نبود. در مقابل، رويدادهاى زمينه توزيع گسترده ترى دارند. محاسبات نشان داد جرم به دست آمده از اين ۱۲ رويداد توزيع بسيار فشرده اى دارد و مقدار ۱۷۵ GeV  را براى جرم كوارك سر تعيين مى كند. اين نتيجه براى بسيارى از فيزيكدانان قانع كننده بود.

برنامه اوليه ما اين بود كه چهار مقاله بنويسيم؛ سه مقاله براى شرح هريك از روش هاى تحليل داده ها و يكى براى جمع بندى كلى و نتيجه گيرى. در جلسه اى درون سازمانى كه خودمان از آن به كشتار دسته جمعى اكتبر ياد مى كنيم پيش نويس مقاله ها را به ديگر اعضاى گروه بزرگ CDF  نشان داديم. عكس العمل ديگران بسيار فجيع بود. همه عصبانى بودند، زيرا مقاله ها كامل نبود و تصوير كاملى از تمام فعاليت ها نشان نمى داد. اين شد كه ايده چهار مقاله مستقل حذف  شد و گروه ديگرى كه ما هم جزءشان بوديم، مسئول شد مقاله اى كامل بنويسد. كار بسيار نفس گيرى بود. هر كس نظر متفاوتى در مورد ادعاى كشف كوارك سر داشت. مقاله بايد نظر ۴۰۰ كارشناس را تامين مى كرد و اين واقعاً دشوار بود. نوشتن مقاله چندين ماه طول كشيد و حتى فيزيكدانانى خارج از گروه CDF  كه قرار نبود حتى از اين موضوع خبردار شوند، ما را در نوشتن مقاله راهنمايى كردند و بعضى اشكال ها را نيز تصحيح كردند. در نهايت تصميم گرفتيم مقاله را نه با عنوان كشف كوارك سر، كه با عنوان شواهدى بر وجود كوارك سر منتشر كنيم. وقتى مقاله در ۲۲ آوريل۱۹۹۴ (۱۳۷۳) براى چاپ پذيرفته شد، بسيارى از اعضاى CDF  عقيده داشتند مقاله اى بسيار خوب را در مورد نتايج يك فرآيند تحقيقاتى بسيار عالى تهيه كرده اند، آن قدر عالى كه هيچ كس نمى خواست دوباره آن را تكرار كند.

ما تمام مدارك را مانند پيش نويس مقاله ها و اسناد آزمايش در يك دايركتورى در رايانه منشى گروه مخفى كرديم و نام آن را هم POT  گذاشتيم. البته انتظار نداشتيم كه اين شيطنت كوچك مدارك مهم ما را از دستبرد ديگران حفظ كند، اما انتظار هم نداشتيم كه خيلى زود آن را پيدا كنند. درست پيش از آن كه كشفمان را اعلام كنيم دو همكار كه دوره پسادكترى خود را مى گذراندند، مقاله اى نظرى را در يك نشريه الكترونيكى منتشر كردند كه بيشتر به يك زبان درازى گستاخانه نسبت به گروه CDF  مى مانست. آنها بر اساس يك سرى نظريات بسيار افسارگسيخته، جرم كوارك سر را پيش بينى كرده بودند، و حتماً مى توانيد حدس بزنيد كه مقدار پيشنهادى آنها چه بود. آنها رقم به رقم عدد ما را كپى كرده بودند و با گستاخى بيشتر ذكر كرده بودند كه حاضرند پيشنهادهاى كارى خوب را بپذيرند.چند روز پس از پذيرش مقاله گروه CDF،  يك سمينار علمى و همچنين يك كنفرانس مطبوعاتى در فرمى لب برگزارشد تا خبر اين كشف رسماً به جهان اعلام  شود. گروه D0  هم نتايج كارهايش را آماده كرده  بود.

داده هاى گروه D0  با نتايج CDF  سازگارى خوبى داشت، اما نتايج آنها به اندازه كار CDF  قانع كننده نبود. البته آنها در هفته هاى اول كار خود يك رويداد بسيار استثنايى را ثبت كرده بودند، اما ديگر رويدادهايشان خوب نبود و از اين رو مقدار كمترى را براى جرم كوارك سر به دست آورده بودند. چند هفته بعد، گروه D0   داده هايش را مجدداً تحليل كرد تا نشانه اى از كوارك سر سنگين تر به دست  آورد و در نهايت توانستند نشانه هايى از آن را پيدا كنند. از سوى ديگر، هر دو گروه CDF و D0  از اين فرصت استفاده كردند تا داده هاى بيشترى را جمع آورى كنند. آنها حداقل به دو برابر رويدادهاى ثبت شده نياز داشتند تا بتوانند اين كشف را تاييد كنند. گروه CDF  مجبورشد آشكارساز محاطى سيليكونى جديدى بسازد، زيرا ابزار قبلى در اثر تابش شديد جريان هاى پروتونى آسيب ديده بود. خوشبختانه دستگاه جديدتر با دقت بيشترى نسبت به نمونه پيشين آغاز به كار كرد. تجربه كار با دستگاه قبلى سبب شد فيزيكدانان از اين ابزار بهتر استفاده كنند و با نوشتن يك الگوريتم جديد و هم چنين استفاده از سخت افزار بهتر، قدرت رديابى اين دستگاه را براى يافتن كوارك سر افزايش دهند. داده هاى جديد پس  از جمع آورى ، با الگوريتم جديد تحليل شدند و ديرى نگذشت كه كوارك سر خودش را نشان داد.

آخرين كنفرانس دستاوردهاى گروه هاى تحقيقاتى آزمايشگاه ملى فرمى در دوم مارس۱۹۹۵ (اسفندماه ۱۳۷۳) برگزار شد و هر دو گروه CDF وD0  توانستند شواهد انكارناپذيرى بر وجود كوارك سر ارائه دهند. هر دو گروه نشان دادند احتمال آن كه رويدادهاى ثبت شده تنها در اثر برخوردهاى زمينه ايجاد شده باشند، كمتر از يك در پانصدهزار است.

 

 

 

تا برگزارى اين كنفرانس، هر دو گروه بيش از يكصد رويداد خلق زوج كوارك-پادكوارك سر را ثبت كرده بودند. البته گروه CDF  در كنار ثبت اين رويدادها به جست وجوى رويدادهاى ديگرى نيز پرداخت كه امكان داشت با مدل استاندارد ذرات بنيادى قابل توضيح نباشند. جرم بسيار زياد اين ذره كه ۱۷۵‎/۶ GeV  به دست آمده بود، اين شك را تقويت مى كرد كه ساختار احتمالى اين كوارك با ديگر كوارك ها متفاوت باشد و در نتيجه راهى براى بررسى دنياى فراتر از مدل استاندارد ذرات وجود داشته  باشد. اين درست كه مدل استاندارد ذرات بسيار موفق است، اما پرسش هاى فراوانى هستند كه اين مدل توانايى پاسخ به آنها را ندارد. 

مدل استاندارد نشان مى دهد در انرژى هاى بسيار زياد، برهمكنش هاى ضعيف كه با ذرات W و Z  منتقل مى شوند با برهمكنش هاى الكترومغناطيسى كه با فوتون ها منتقل مى شوند يكى شده و برهمكنش جديدى را به نام الكتروضعيف به وجود مى آورند. چنين انرژى هايى در دنياى آغازين وجود داشته اند، اما در دنياى كم انرژى امروز، نيرو هاى ضعيف و الكترومغناطيسى رفتار كاملاً متفاوتى دارند. اين كه چه فرآيندى موجب شده است تقارن اوليه بين اين نيروها شكسته شود نامعلوم است، اما ساده ترين مدل براى توضيح آن، ذره اى جديد به نام هيگز است.

در انرژى هاى بسيار زياد كه تقارن وجود دارد؛ ذرات W ، Z،  فوتون ها، لپتون ها و كوارك ها همگى بدون جرم هستند. در انرژى هاى كم كه تقارن شكسته  مى شود، ذرات W و Z  با هيگز برهمكنش مى كنند و سنگين مى شوند. كوارك ها و لپتون ها هم در فرآيند مشابهى جرم  به دست مى آورند. جرم ذرات W و Z  را مى توان با استفاده از مدل استاندارد به دست آورد، اما جرم كوارك ها و لپتون ها را بايد به صورت پارامترهايى متغير وارد معادلات كرد. اين پارامترها نشان مى دهند هر نوع كوارك يا لپتون با چه قدرتى با ديگر ذرات برهمكنش مى كند. به عبارت ديگر آنها نشان مى دهند هر كوارك يا لپتون با چه شدتى با هيگز جفت مى شود.

براى الكترون كه ذره اى بسيار سبك است، قدرت برهمكنش ۶-۱۰* ۳ است. براى كوارك سر، اين مقدار دقيقاً حدود يك است. اين جفت شدگى نسبتاً قوى با هيگز (كه براى برخى فيزيكدانان، هاله اسرارآميز مقدار يك را رمزآلودتر مى كند) نشان مى دهد كه احتمالاً كوارك سر نقش بخصوصى دارد، نقشى كه البته ما هنوز نمى دانيم چيست. مسلماً جرم بسيار زياد كوارك سر، آن را در برهمكنش با ديگر ذرات به موثرترين كوارك تبديل مى كند. اندازه گيرى بسيار دقيق جرم كوارك سر و ذره اى ديگر مانند W  مى تواند ما را به تخمينى از جرم هيگز نزديك كند. البته راه هاى ديگرى هم براى شكستن تقارن نظريه الكتروضعيف وجود دارد كه نيازى به حضور ذره بنيادى هيگز ندارد. در يكى از اين نظريات، هيگز با يك جفت كوارك-پادكوارك سر جايگزين مى شود. اين نظريه وجود ذره  سنگين جديدى را پيش بينى مى كند كه به جفت هاى كوارك-پادكوارك سر واپاشيده مى شود. چنين اثراتى آهنگ توليد كوارك هاى سر را به شدت افزايش مى دهند.

 

بالاتر از سر

جرم زياد كوارك سر سبب مى شود در واپاشى  اين كوارك، شرايط مناسبى براى جستجوى ذرات جديدتر فراهم شود. بعضى نظريه پردازان حدس مى زنند در تعدادى از رويدادهاى ثبت شده در CDF،  ردپايى از ذرات ابرمتقارن وجود دارد. ابرتقارن، تقارنى الزامى است كه براى هر ذره موجود در مدل استاندارد، ذرات همدم ديگرى پيش بينى مى كند كه البته هيچ يك از آنها هنوز كشف نشده است. اگر چنين ذرات همدمى وجود داشته باشند و جرمشان كمتر از كوارك سر باشند، احتمال دارد در فرآيندهاى توليد اين كوارك خود را نشان دهند. مثلا ممكن است يك كوارك سر به همدم ابرمتقارن خود واپاشيده  شود يا ابرتقارن اين امكان را فراهم كند كه گلوئينو، همدم ابرمتقارن و فرضى گلوئون، به يك زوج كوارك-پادكوارك سر واپاشيده  شود. اما ممكن است اين رويدادها همزمان روى دهند و اثر يكديگر را خنثى كنند و در محصولات قابل مشاهده فرآيندهاى كوارك و پادكوارك سر تغييرى ايجاد نكنند.

ابرتقارن همچنين يك ذره هيگز را پيش بينى نمى كند، بلكه خانواده اى از چهار ذره و شايد بيشتر را پيش بينى مى كند. اگر اين ذرات وجود داشته باشند و سبك تر از كوارك سر باشند، بايد بتوان برخى شان را در واپاشى كوارك سر پيدا كرد. گروه هاى CDF و D0  تلاش خود را براى يافتن اين ذرات فرضى آغاز كرده اند، ولى هنوز به نتيجه اى نرسيده اند.

پرسش مهم ديگر اين است كه آيا كوارك ها و به خصوص كوارك بسيار سنگين سر، واقعاً بنيادى هستند و از هيچ ساختار ريزترى ساخته نشده اند. اخيراً CDF  آهنگ توليد جت هاى ذرات پرانرژى را در برخورددهنده فرمى لب اندازه گيرى كرد و نشان داد كه بيشتر از مقدار مورد انتظار است. پخش شدگى بسيار پرانرژى در زاويه هاى باز (درست شبيه به آزمايش مشهور ارنست  رادرفورد كه منجر به كشف هسته اتم شد) مى تواند نشانه هايى را از ساختار داخلى آن ذره به دست دهد. يك تعبير احتمالى نتايج به دست  آمده مى تواند اين باشد كه مازاد جت هاى ذرات به دليل برخورد ذراتى بسيار كوچك تر كه كوارك ها را تشكيل مى دهند، ايجاد شده اند؛ ذراتى كه در هيچ آزمايش ديگرى ديده نشده اند.

چنين نتيجه گيرى جسورانه اى كه نظريه كوارك ها را از بيخ  و بن تغيير خواهد داد، تنها در صورتى درست خواهد بود كه بتوانيم ديگر احتمال ها را نفى كنيم. اين مازاد توليد جت ها مى تواند ناشى از خطاها و عدم قطعيت هايى باشد كه در محاسبات ظاهر مى شوند. ما در مرحله اى قرار داريم كه مى توانيم هر احتمالى را بررسى كنيم. داده هايى كه اين روزها به دست مى آوريم تنها با يكى از اين توضيحات كسل كننده سازگارى دارند و آن، اين  است  كه كوارك سر اگرچه سنگين است، اما يك ذره بنيادى است و هيچ ريزساختارى ندارد.
چند سالى است آزمايشگاه ملى فرمى در حال نوسازى و ارتقاى تجهيزات آزمايشگاهى خود است. با بهسازى شتاب دهنده، آهنگ توليد كوارك هاى سر به بيست برابر قبل افزايش خواهد يافت و با ارتقاى تجهيزات آشكارساز، بازده شناسايى كوارك هاى سر نيز بهبود خواهد يافت. بدين ترتيب هر دو گروه CDF و D0  خواهند توانست اين ذرات را سى بار سريع تر از قبل شناسايى كنند و بهتر بتوانند خواص اين ذره را بررسى كنند.
تا سال ۲۰۰۷ نيز برخورددهنده بزرگ  هادرون،  LHC  در سرن آغاز به كار خواهد كرد. اين شتاب دهنده بسيار بزرگ خواهد توانست دو باريكه پروتون را با انرژى بسيار زياد ۱۴TeV هر TeV  معادل يك هزار ميليارد الكترون ولت است) به هم برخورد دهد. اين مقدار هفت برابر بيشتر از حداكثر انرژى شتاب دهنده فرمى لب است. در چنين انرژى اى مى توان در هر ثانيه يك جفت كوارك-پادكوارك   سر را توليد كرد.

تا چند سال ديگر، فيزيكدانان خواهند توانست از كوارك سر براى پاسخ دادن به پرسش هايى استفاده كنند كه هنوز بى جواب مانده  است، پرسش هايى در مورد ماده و نيروهايى كه جهان فيزيكى اطرافمان را تشكيل مى دهند. هيچ كس نمى داند فراى آنچه امروز مى شناسيم چه چيزى انتظارمان را مى كشد، اما يك امر واضح است: تا زمانى كه اندازه گيرى هاى ما نتوانسته كاركرد طبيعت را تمام و كمال توضيح دهد، پيشروى ما براى كشف اسرار طبيعت ادامه خواهد داشت.


Scientific American,Sep.1997

 

 

 

 

 

دانشنامه شرق


 

 

 

 

عنوان مطالب

2 - انواع برهم كنش ها

 تشكيل جرم

1 - رنگ ها و طعم ها

نگاهى به مدل استاندارد ذرات بنيادى

4 - پادماده كيهانى

سفير پادجهان ها يا ميراث برخوردها

3 - كشف كوارك سر

يافتن ششمين كوارك

6 - مدل استاندارد

 سه نيرو از چهار نيروى را توضيح مى دهد

5 - ابرتصادم گر هادرونى

شتاب دهنده  با انرژى و پيچيدگى بى نظير

8 -  ادامه  ذرات بنيادى

آزمايشگاه هاى چرخان

7 -  آن سوى مدل استاندارد

سپيده دم فيزيك

10 - سنت شكنان

واژگون كردن غول

نه - در جست وجوى نقض نسبيت     

در جست وجوى نقض اصول فيزيكى

  

 

 

 

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

آخرین مقالات


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LEIBNITZ'S MONADS & JAVADI'S CPH

General Science Journal

World Science Database

Hadronic Journal

National Research Council Canada

Journal of Nuclear and Particle Physics

Scientific Journal of Pure and Applied Science

Sub quantum space and interactions from photon to fermions and bosons

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آرشیو موضوعی

اختر فیزیک

اجتماعی

الکترومغناطیس

بوزونها

ترمودینامیک

ذرات زیر اتمی

زندگی نامه ها

کامپیوتر و اینترنت

فیزیک عمومی

فیزیک کلاسیک

فلسفه فیزیک

مکانیک کوانتوم

فناوری نانو

نسبیت

ریسمانها

سی پی اچ

 فیزیک از آغاز تا امروز

زندگی نامه

از آغاز کودکی به پدیده های فیزیکی و قوانین حاکم بر جهان هستی کنجکاو بودم. از همان زمان دو کمیت زمان و انرژی بیش از همه برایم مبهم بود. می خواستم بدانم ماهیت زمان چیست و ماهیت انرژی چیست؟


 

 

free hit counters

Copyright 2013 CPH Theory

Last modified 12/22/2013