Przeskocz do treści

Delta mi!

Loading

Elementarz cząstek elementarnych

Czego bezpośrednim świadkiem była Delta

Piotr Chankowski

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: kwiecień 2016
  • Publikacja elektroniczna: 30 marca 2016
  • Autor: Piotr Chankowski
    Afiliacja: Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski
  • Wersja do druku [application/pdf]: (294 KB)

Fizyka wysokich energii powitała narodziny Delty spektakularnymi wydarzeniami. Najpierw, w listopadzie 1974 roku, w USA, w laboratoriach w SLAC i w Brookhaven odkryto (niemal) niezależnie mezon J/ o spinie 1; masie około 3;1 GeV i bardzo długim w porównaniu z typowymi rezonansami hadronowymi czasie życia...

Odkrycia tego dokonały zespoły B. Richtera i S.C.C. Tinga (spór o pierwszeństwo załagodziła przyznana w roku 1977 obu kierownikom zespołów Nagroda Nobla; ∆ 7 77 ). Po trwającym jakiś czas szoku (ówczesną atmosferę oddają artykuły w  6 ∆ 75 ) mezon J/ψ został zinterpretowany jako przewidziany już wcześniej przez teoretyków stan związany kwarków |c i |¯c: parę miesięcy przed tym odkryciem M.K. Gaillard, B.W. Lee i J. Rosner, traktując serio pomysł mechanizmu GIM (zob. odcinek III), przeanalizowali dokładnie konsekwencje istnienia czwartego kwarka i, wykorzystując istniejące dane, oszacowali jego masę na około |1,5 GeV, a także (podobnie jak niezależnie T. Appelquist i H. Politzer) przewidzieli istnienie jego stanów związanych, takich jak |c¯c.

Odkrycia w SLAC dokonano, mierząc przekrój czynny reakcji |e+e− hadrony (czyli w praktyce liczbę takich reakcji zachodzących w jednostce czasu) w akceleratorze SPEAR, w Brookhaven zaś, badając rozkład masy niezmienniczej par |e+e− powstających podczas rozpraszania protonów na tarczy berylowej (reakcja  pBe e+e− + cokolwiek ). Oba typy eksperymentów, które spowodowały tę "rewolucję listopadową", przyniosły jeszcze dalsze istotne wyniki. Dokładne "przeczesanie" zakresu nieco wyższych energii zderzających się par |e+e− w kilku działających na świecie akceleratorach tego typu pozwoliło wkrótce odkryć całą rodzinę cząstek podobnych do |J/ψ , ale o większych masach (czyli stanów wzbudzonych układu c¯c, analogicznych do stanów wzbudzonych atomu wodoru lub pozytonium; ∆ 389 ). Nieco później w SLAC, CERN-ie i Fermilabie odkryto także hadrony |D zbudowane z kwarka c i lekkich kwarków (∆ 8). 76 Rok później, ponownie w SPEAR w SLAC, odkryty został przez M. Perla (Nagroda Nobla w roku 1995,  3 ∆ 96 ) trzeci naładowany lepton τ− (i |τ+ ) o masie ok. 1,78 GeV, który był zwiastunem trzeciej rodziny fundamentalnych fermionów materii. W roku 1977 zaś, grupa L. Ledermana, wykonując w Fermilabie eksperyment  + − |pH µ µ + cokolwiek, tego samego typu co wcześniej grupa Tinga, zaobserwowała dwa wyraźne maksima w rozkładzie masy niezmienniczej pary |µ+µ − świadczące o formowaniu się długożyciowego rezonansu, nazwanego Υ (upsilon) o masie ok. |9,46 GeV i drugiego nieco cięższego rezonansu  ′ Υ . Były to właśnie stany związane piątego kwarka b i jego antykwarka (∆ 279). Odkrycie to zostało potwierdzone w akceleratorze DORIS w Hamburgu. Podobnie jak w 1976 roku "przeczesanie" większego zakresu energii w akceleratorach zderzających elektrony z pozytonami ujawniło istnienie kilku stanów wzbudzonych układu  ¯ b b, z czego stan  ′′′ Υ o masie |10,58 GeV, odkryty w akceleratorze CESR w Cornell (USA) i rozpadający się niemal wyłącznie na pary mezonów pięknych  --- B0 B0 lub B+B − stanowi dziś najwydajniejsze źródło takich par umożliwiające badanie fizyki zapachu. (Pierwszy ciężki hadron "piękny" 0 b, |Λ tj. zawierający pojedynczy kwark b, odkryto w CERN-ie w roku 1991; |∆492.) Tak więc w ciągu zaledwie pięciu lat desperacka propozycja Kobayashiego i Maskawy istnienia trzeciej rodziny fundamentalnych fermionów przybrała realny kształt!

Badanie reakcji e+e− hadrony pozwoliło także potwierdzić w inny sposób niż à la Rutherford  6 (∆ 91) realność kwarków  7 7 (∆ 85/∆ 98). Już w latach 1970 −71 teoretycy przewidzieli, że skutkiem bardzo słabego wzajemnego oddziaływania kwarków na małych odległościach i jego gwałtownego wzrostu na odległościach dużych, kwark i jego antykwark, powstające w procesie anihilacji pary  + − e e , powinny utworzyć dobrze skolimowane (tym lepiej, im wyższa jest energia zderzających się elektronów i pozytonów) strugi hadronów rozbiegające się w przeciwnych kierunkach. Strugi takie dziś nazywa się dżetami. Pierwsze ślady dwudżetowej struktury produktów anihilacji e+e− udało się zaobserwować już w roku 1975 w akceleratorze SPEAR w SLAC; "czysty" dowód uzyskano jednak dopiero w roku 1979 w Hamburgu przy użyciu akceleratora PETRA o wyższej energii. Statystyczny rozkład kierunku dżetów (w stosunku do osi zderzenia |e+ z e− ), odzwierciedlający rozkład kierunku rozlotu pierwotnej pary qq¯, pozwolił potwierdzić, że kwarki mają spin równy ħ /2. Przy wyższych energiach anihilujących leptonów wzrasta prawdopodobieństwo tego, że powstały kwark lub antykwark wyemituje gluon - zamiast dwóch dżetów powstają wtedy trzy wyraźnie rozdzielone strugi hadronów. Także i takie trzydżetowe przypadki (przewidziane teoretycznie w roku 1976) udało się zarejestrować za pomocą akceleratora PETRA w roku 1979. Ich występowanie było bezpośrednim dowodem istnienia gluonów, a rozkład kątowy dżetów potwierdził, że gluony mają spin |1ħ . Badanie takich reakcji pozwoliło także wyznaczyć wartość biegnącej stałej sprzężenia |¯gs(Q) oddziaływań silnych przy energii |Q

obrazek

Typowy ślad przypadku trójdżetowego zarejestrowany przez detektor JADE przy akceleratorze PETRA. Źródło: P. Söding, Eur. Phys. J. H 35 (1), 3-28 (2010)

Typowy ślad przypadku trójdżetowego zarejestrowany przez detektor JADE przy akceleratorze PETRA. Źródło: P. Söding, Eur. Phys. J. H 35 (1), 3-28 (2010)

Trzeba tu także wspomnieć, że ślady powstawania dżetów w postaci obfitej produkcji cząstek z dużym pędem poprzecznym pT (względem osi zderzenia), potwierdzające oczekiwania teoretyków, zaobserwowano już w uruchomionym w roku 1971 pierwszym na świecie, zderzaczu protonowo-protonowym (energia zderzeń 27 GeV +27 GeV ) ISR w CERN-ie (zob. ∆ 274 ).

Kolejnym krokiem na drodze do potwierdzenia struktury teorii oddziaływań słabych i elektromagnetycznych musiała być bezpośrednia rejestracja bozonów W± i Z0. Oszacowania teoretyczne wskazywały, że bozony te muszą być bardzo ciężkie, dużo cięższe niż wszystkie znane już wtedy cząstki Aby się do nich "dobrać", konieczne było zbudowanie nowego akceleratora. Akcelerator taki, nazwany SPS, mogący przyspieszać protony do energii 400 GeV, a w modzie S ¯ppS zderzający przeciwbieżne wiązki protonów i antyprotonów o energii 270 GeV każda, został uruchomiony w CERN-ie w roku 1981. Pierwszym osiągnięciem SPS było zarejestrowanie przez detektor UA2 dżetów hadronowych powstających, gdy kwark z protonu i antykwark z antyprotonu zderzają się "czołowo". Potwierdziło to dobre zrozumienie teoretyczne procesów zachodzących w zderzeniach wysokoenergetycznych hadronów i upewniło wszystkich, że jeśli tylko bozony pośredniczące naprawdę istnieją i nie są zbyt ciężkie, zostaną zarejestrowane. Tak się też rzeczywiście stało: w roku 1983 dwa zespoły, UA1 i UA2, ogłosiły zarejestrowanie kilku przypadków zderzeń, w wyniku których powstawał izolowany wysokoenergetyczny lepton o dużym pędzie poprzecznym (w stosunku do kierunku wiązek) oraz tzw. brakująca energia, tak jak powinno się dziać w procesach |u¯d W+ e+νe i |¯u d W− e−ν¯e (neutrino umyka z detektora, unosząc ową brakującą energię). Masa |W+ okazała się rzeczywiście duża: |80,4 GeV. Pół roku później odkryto w podobny sposób również bozon Z0 o masie 91,2 GeV (∆684). Spiritus movens całego przedsięwzięcia, C. Rubbia, otrzymał w roku 1985 Nagrodę Nobla (za pomysł poradzenia sobie z niełatwym zadaniem gromadzenia dostatecznej liczby antyprotonów; Nagrodę Nobla otrzymał również inżynier S. van der Meer). Twórcy teorii oddziaływań elektrosłabych, Glashow, Weinberg i Salam, otrzymali Nagrodę Nobla w roku 1979, jeszcze przed odkryciem W± i |Z0.

Uruchamiając S¯ppS, miano także nadzieję na odkrycie kwarka t, którego istnienie było konieczne do wewnętrznej spójności Modelu Standardowego. Jednak odkrycie w roku 1987 znacznego mieszania (czyli oscylacji) neutralnych mezonów | 0 B i -0- B analogicznego do mieszania  0 --- 4 5 0 |K − K (∆89,∆ 78), interpretowane w ramach Modelu Standardowego, oznaczało, że kwark t jest prawdopodobnie na to zbyt ciężki, i zadanie jego znalezienia przejął ukończony w roku 1983 w Fermilabie akcelerator zwany Tevatronem; wykorzystując nadprzewodzące elektromagnesy, zderzał on protony z antyprotonami z energią 900 GeV + 900 GeV = 1,8 TeV.

Odkrycie bozonów  ± |W i  0 Z było kamieniem milowym w rozwoju fizyki wysokich energii. Potwierdziło ono bowiem, że u podstaw oddziaływań cząstek leży jednolita struktura teorii z cechowaniem, a różnice w charakterze oddziaływań słabych i elektromagnetycznych są konsekwencją spontanicznego naruszenia części grupy symetrii cechowania (zob. odcinek II). Trzeba tu od razu zaznaczyć, że odkrycie to nie oznaczało potwierdzenia całej opisanej tu wcześniej struktury Modelu Standardowego: pociągające za sobą masywność W± i Z0 naruszenie symetrii SU(2) × U(1) W Y mogło bowiem być spowodowane kondensatem elementarnego pola skalarnego (tak jak w teorii Weinberga), ale mogło też być (jak w teoriach Nambu) powodowane wewnętrzną dynamiką jakichś nieznanych silnych oddziaływań. Tak więc po odkryciu W± i Z0 następnym oczywistym celem stało się zbadanie mechanizmu naruszenia symetrii SU(2)W × U(1)Y. Po drodze należało jednak najpierw przebadać dokładniej odkryte cząstki.

Aby zrealizować ten cel, CERN (zob.  2 ∆74,  6 ∆ 89,  6 |∆96,  8 ∆ 04 ) złamał swoją tradycję budowania akceleratorów protonowych i postawił na zderzenia elektronów z pozytonami. Wielki akcelerator LEP przyspieszający przeciwbieżne wiązki |e− i e+, którego podziemny tunel ma 27 km obwodu, został ukończony w roku 1989 (w tym samym tunelu umieszczony został działający obecnie akcelerator LHC). W czterech punktach tunelu swoje detektory zainstalowały grupy: ALEPH, DELPHI, OPAL i L3. Celem pierwszej fazy tego eksperymentu, w której energia wiązek wynosiła po około 45 GeV, było rejestrowanie reakcji  − + 0 e e Z cokolwiek, umożliwiającej dokładne zbadanie właściwości Z0(∆ 694). Analogiczny, choć nieco na mniejszą skalę zakrojony eksperyment ze zderzeniami przyspieszanych w akceleratorze liniowym elektronów i pozytonów, został równolegle uruchomiony w SLAC  10 |(∆89).

Pomiary wykonane przez zespoły ALEPH, DELPHI, OPAL i L3 (i SLD w SLAC) były tak precyzyjne, że przy ich interpretacji trzeba było uwzględniać wpływ naprężeń skorupy ziemskiej na rurę akceleratora (∆694) i "błądzące" w ziemi prądy generowane przez przejeżdżające w pobliżu pociągi TGV  6 |(∆96). Pomiary te umożliwiły dokładne testowanie Modelu Standardowego jako teorii kwantowej: w teoretycznych obliczeniach mierzonych wielkości konieczne było uwzględnianie tzw. poprawek pętlowych, które zależą od nieznanych jeszcze wtedy mas kwarka |t i bozonu Higgsa |h0, co pozwalało nakładać na te nieznane masy ograniczenia przez porównywanie rachunków teoretycznych z danymi  1 |(∆00). Innym ważnym wynikiem uzyskanym dzięki LEP było ustalenie, że istnieją tylko trzy bezmasowe (lub bardzo lekkie) neutrina (∆ 11 ,∆ 9). 90 98

Uruchamiając LEP, liczono także na odkrycie kwarka |t (∆ 689), lub bozonu Higgsa h0 (mimo, że mechanizm naruszenia symetrii SU(2)W × U(1)Y mógł być inny, fizycy, zwłaszcza doświadczalni, szybko oswoili się z myślą, że jest nim kondensat pola skalarnego). Nieskrywane były też nadzieje na odkrycie tzw. "nowej fizyki", tj. cząstek nieprzewidywanych przez Model Standardowy; w szczególności silne było oczekiwanie zarejestrowania sygnałów supersymetrii (zob.  12 ∆ 85,  5 2 |∆00,∆07 i odcinek VI). Cząstki przewidywane przez supersymetryczną wersję Modelu Standardowego (lub jej warianty) mogłyby, gdyby istniały i były dostatecznie lekkie, ujawnić się bezpośrednio (czyli zostać wyprodukowane w zderzeniach e+e − ) lub przez przyczynki wnoszone przez nie (poprzez zawierające te cząstki w pętlach diagramy Feynmana) do obliczanych amplitud mierzonych procesów. Nic takiego jednak się nie wydarzyło ...

Pod koniec roku 1994 w Tevatronie odkryto wreszcie kwark t. Okazał się on najcięższą ze znanych cząstek: waży bowiem 173 GeV! (Nie mógł zatem zostać wyprodukowany w LEP-ie.) Żyje na tyle krótko, że rozpada się, zanim mogłyby uformować się zawierające go hadrony.

Ustalenie masy kwarka |t pozwoliło wyeliminować z rachunków teoretycznych jeden nieznany parametr i tym samym ustalić, że bozon Higgsa, jeśli Model Standardowy jest właściwą teorią, musi być lekki ( <180 M h GeV). Spotęgowało to nadzieje na odkrycie go w drugiej (trwającej od 1997 roku) fazie działania LEP-u, gdy energie obu wiązek podwyższono do około 100 GeV. Wyższa energia zderzeń |e−e+ umożliwiła też po raz pierwszy bezpośrednią produkcję par W+W− i częściowe zbadanie sprzężeń W+W−Z0, W+W−γ przewidywanych przez teorię (zob. odc. I). Zaostrzone też zostały dolne ograniczenia na masy potencjalnych nowych cząstek przewidywanych np. przez teorie supersymetryczne. Tuż przed zamknięciem LEP pojawiły się sygnały bezpośredniej produkcji czegoś, co mogło być bozonem Higgsa (∆ 1). 01 Program LEP musiał jednak zostać zakończony z powodu konieczności rozpoczęcia budowy LHC...

Z ważnych wydarzeń końca XX wieku należy odnotować rozpoczęcie w roku 1990 i zarzucenie (wskutek nieprzyznania dalszych funduszy przez Kongres USA) budowy Nadprzewodzącego Super Akceleratora (SSC), który miał przyspieszać przeciwbieżne wiązki protonów do fantastycznych energii |20 TeV (czyli energia zderzeń miała wynosić 40 TeV !). Gdyby został on zbudowany, akcelerator LHC nie byłby potrzebny...

Bardzo ważnym urządzeniem stał się uruchomiony w roku 1992 w DESY w Hamburgu akcelerator HERA, jako jedyny na świecie zderzający przeciwbieżne wiązki protonów (870 GeV) i elektronów (30 GeV). Przeprowadzone za jego pomocą eksperymenty typu głęboko nieelastycznego rozpraszania pozwoliły dokładnie poznać strukturę protonu (czyli wyznaczyć tzw. funkcje struktury protonu w sposób fenomenologiczny parametryzujące rozkład w jego wnętrzu kwarków i gluonów oraz ich pędów) i dostarczyły danych niezbędnych do ilościowego opisu zderzeń protonów w LHC. Akcelerator HERA zakończył pracę w 2007 roku, ale zebrane w nim unikalne dane jeszcze długo będą przedmiotem analiz dostarczających informacji o wewnętrznej budowie protonu.

W okresie pomiędzy zamknięciem akceleratora LEP, a uruchomieniem w roku 2009 LHC, fizykę wysokich energii zdominowały dwa kierunki badań. Pierwszym było wszechstronne badanie fizyki zapachu, w szczególności procesów rzadkich i naruszających zachowanie CP. Drugim była fizyka neutrin. O tym napiszę w następnym odcinku.