كشف كوارك سر

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 W،  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.

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.