Przeskocz do treści

Delta mi!

Loading

Zostać fizykiem cząstek choć na jeden dzień

Tomasz Früboes

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: grudzień 2012
  • Publikacja elektroniczna: 30-11-2012
  • Autor: Tomasz Früboes
    Afiliacja: doktorant, Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Na wiosnę tego roku grupa uczniów z XIV liceum im. Stanisława Staszica w Warszawie miała okazję posmakować pracy fizyków. Badacze z Uniwersytetu Warszawskiego oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych gościli w gmachu liceum w pewną deszczową sobotę, by poprowadzić warsztaty w ramach programu International Masterclasses – hands on particle physics. Ich celem miało być pokazanie, na czym naprawdę polega doświadczalne badanie cząstek elementarnych. W niniejszym artykule chcielibyśmy zapoznać z tymi zagadnieniami także Czytelników Delty.

Materia, jaką znamy, zbudowana jest z kwarków i leptonów. Znamy sześć różnych rodzajów kwarków – górny math, powabny math i top math, każdy o ładunku math (e jest ładunkiem równym ładunkowi elektronu), oraz kwarki dolny math, dziwny math i bottom math o ładunku math Z kwarków zbudowane są nukleony: protony (dwa kwarki math oraz kwark math co w sumie daje ładunek math), a także neutrony (jeden kwark math oraz dwa kwarki math – łączny ładunek 0). Znamy również 6 różnych rodzajów leptonów – elektron, mion oraz taon (wszystkie o ładunku math) oraz odpowiadające im neutrina – elektronowe, mionowe i taonowe (wszystkie o ładunku 0). Dla każdej z wymienionych wyżej cząstek istnieje antycząstka o dokładnie takich samych własnościach, ale o ładunku przeciwnym; na przykład antycząstką elektronu jest pozyton o ładunku math

obrazek

Rys. 1 Rozpad neutronu zachodzi dzięki oddziaływaniom słabym przenoszonym tutaj przez bozon math

Rys. 1 Rozpad neutronu zachodzi dzięki oddziaływaniom słabym przenoszonym tutaj przez bozon math

obrazek

Rys. 2 Diagram czasoprzestrzenny przedstawiający rozpad cząstki math na parę elektron-pozyton w układzie odniesienia, w którym cząstka math spoczywa. Cząstki potomne mają pędy równe co do wartości, ale przeciwnie skierowane.

Rys. 2 Diagram czasoprzestrzenny przedstawiający rozpad cząstki math na parę elektron-pozyton w układzie odniesienia, w którym cząstka math spoczywa. Cząstki potomne mają pędy równe co do wartości, ale przeciwnie skierowane.

Składniki materii mogą ze sobą oddziaływać. Na przykład, dzięki przyciąganiu elektromagnetycznemu proton łączy się z elektronem, tworząc atom wodoru.

Trzy z czterech znanych oddziaływań fundamentalnych są opisywane na poziomie kwantowym w ramach Modelu Standardowego (MS) cząstek elementarnych. Pozostałe oddziaływania w MS to: oddziaływanie silne, odpowiedzialne m.in. za łączenie kwarków w hadrony (np. proton), oraz oddziaływanie słabe, odpowiedzialne np. za rozpad neutronu. MS nie opisuje natomiast oddziaływań grawitacyjnych.

Oddziaływania w MS zachodzą dzięki wymianie cząstek nazywanych nośnikami oddziaływań.

Nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego jest znany wszystkim foton, oddziaływanie słabe zapewniają cząstki math  oraz math  (indeks oznacza ładunek elektryczny w jednostkach e), silne zaś – gluony. Rysunek 1 przedstawia przykład oddziaływania słabego, w którym neutron rozpada się na proton, elektron oraz neutrino przez wymianę bozonu math

Wielkie polowanie doświadczalne coraz bardziej osacza ostatni pozostający do odkrycia składnik MS: bozon Higgsa, związany z pewnym polem, które powoduje różnicowanie oddziaływań elektromagnetycznych i słabych oraz jest źródłem masy innych cząstek MS. Istnieje spora szansa, że gdy ten numer Delty trafi do kiosków i Internetu, zespoły eksperymentów działających przy LHC (ang. Large Hadron Collider, Wielki Zderzacz Hadronów) w laboratorium CERN pod Genewą będą świętować odkrycie bozonu Higgsa.

Cząstki math  i math  żyją bardzo krótko – rozpadają się na inne w czasie krótszym niż math s, co nie pozwala ich bezpośrednio zaobserwować w doświadczeniach. MS przewiduje, że cząstka math niemal tak samo często rozpada się na elektron i pozyton jak na mion i antymion (Rys. 2). Innym przewidywaniem MS jest konkretny stosunek liczby zderzeń w LHC, w których produkowana jest cząstka math  do liczby przypadków z produkcją cząstki math Przewidywania te można (i należy!) sprawdzać, badając przypadki zarejestrowane przez eksperymenty działające przy LHC. Jednym z takich eksperymentów jest eksperyment CMS (ang. Compact Muon Solenoid), w który zaangażowani są fizycy z UW i NCBJ.

Uzbrojeni w przypomniane wyżej podstawowe wiadomości z fizyki cząstek elementarnych możemy zabrać się za analizę prawdziwych danych z LHC.

W szczególności, powinniśmy móc określić, czy dany przypadek oddziaływania zarejestrowany w detektorze to taki, w którym produkowana jest cząstka math  czy math  a także, na jakie cząstki potomne się rozpada – elektrony czy miony.

obrazek

Rys. 3 Jeden z analizowanych przypadków zarejestrowanych w LHC.

Rys. 3 Jeden z analizowanych przypadków zarejestrowanych w LHC.

Rysunek 3 przedstawia jeden z zarejestrowanych w detektorze przypadków. Długa, skierowana ku górze linia przedstawia zrekonstruowany w detektorze tor mionu o dużym pędzie (słabo zakrzywiony przez pole magnetyczne w detektorze). Gąszcz zakrzywionych linii w centralnej części obrazuje zrekonstruowane tory innych cząstek powstałych w tym samym zderzeniu dwóch protonów. Ostatnim ważnym elementem rysunku jest wektor skierowany w dół, równy co do wartości i kierunku sumie tzw. pędów poprzecznych (składowych pędu prostopadłych do osi wiązki) wszystkich cząstek zrekonstruowanych w zderzeniu. Z zasady zachowania pędu wynika, iż suma ta powinna być równa zeru (taka była przed kolizją, bo zderzające się protony mają pędy tej samej wartości skierowane przeciwnie). W tym przypadku wartość sumy była istotnie różna od zera, co wskazuje na produkcję neutrina, które oddziałuje zbyt słabo, by mogło zostać zarejestrowane. Z dużym prawdopodobieństwem można zatem przyjąć, że był to przypadek, w którym nastąpiła produkcja cząstki math  która następnie rozpadła się na mion i neutrino. W zasadzie cząstka taka może jeszcze rozpaść się na parę elektron-neutrino, taon-neutrino lub dwa kwarki. Możliwości te odpowiadałyby jednak innemu obrazowi zarejestrowanemu w detektorze. Elektron, chętnie oddziałujący z materią, ma znacznie krótszy zasięg w detektorze od mionu, taon żyje bardzo krótko i rozpada się, zaś produkcja kwarków powoduje powstanie innych cząstek naładowanych silnie, które ostatecznie łączą się w hadrony tworzące strumienie cząstek zwane dżetami.

Z powyższego wynika, że tylko w przypadku rozpadów cząstki math możemy zarejestrować obydwie cząstki potomne (elektrony i pozytony lub miony i antymiony) i zmierzyć ich pędy. Wielkości te możemy następnie wykorzystać do wyznaczenia tzw. masy niezmienniczej, odpowiadającej całkowitej relatywistycznej energii rozpadającej się cząstki w układzie odniesienia, w którym cząstka ta spoczywa.

Wówczas jednak jedyną formą energii, posiadaną przez rozpadającą się cząstkę, jest energia spoczynkowa, dana wzorem math  Pomiar masy niezmienniczej odpowiada zatem w rozważanym przypadku pomiarowi masy cząstki math Wykres uzyskanych w różnych przypadkach mas niezmienniczych cząstki math przedstawiony jest na rysunku 4. Wiadomo, że masa ta jest równa około math GeV/ math co dobrze widać na rozkładzie, podobnie jak fakt, że w badanej próbce wystąpiło wiele przypadków, w których para leptonów powstała z rozpadu cząstek innych niż math

obrazek

Rys. 4 Rozkład masy niezmienniczej dla przypadków, w których obserwowano dwa naładowane leptony.

Rys. 4 Rozkład masy niezmienniczej dla przypadków, w których obserwowano dwa naładowane leptony.

Czy tego typu analizy, dotyczące wszak cząstek znanych od 30 lat i dobrze od tego czasu zbadanych, mogą być ważne lub interesujące dla prawdziwych fizyków? Oczywiście! Nie wolno zapominać, że LHC i działające przy nim detektory to stanowiąca fascynujące osiągnięcie techniczne, ale także bardzo skomplikowana maszyneria. Zanim użyjemy jej do wyprawy w zakresy energii, gdzie spodziewamy się znaleźć nowe cząstki i nowe oddziaływania, powinniśmy mieć pewność, że nasze pomiary mają sens – dla cząstek i oddziaływań znanych.

Następne warsztaty Masterclasses odbędą się wiosną 2013 roku na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego w dwie z marcowych sobót. Więcej informacji można uzyskać, pisząc na adres pocztowy Masterclasses.