کشف کوارک سر

● یافتن ششمین كوارك نیازمند پرانرژی ترین برخوردها و صرف هزینه های هنگفتی بود
مارس سال ۱۹۹۵ (اسفندماه ۱۳۷۳) فیزیكدانان بسیاری از سراسر جهان در نشست اضطراری آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی در ایالات متحده (فرمی لب) شركت كردند تا رویدادی تاریخی را جشن بگیرند. سمینار پشت سمینار، پژوهشگران عملكرد و نتایج آزمایش های فراوان خود را ارائه كردند و در نهایت اعلام كردند ذره جدیدی را به نام كوارك سر كشف كرده اند. بدین سان ده ها سال جست وجوی فیزیكدانان برای یافتن یكی از آخرین قطعات گمشده مدل استاندارد فیزیك ذرات به نتیجه رسید.
كوارك سر، ششمین و به احتمال قریب به یقین آخرین كوارك است. كوارك ها همراه با لپتون ها (الكترون و هم خانواده هایش) واحدهای سازنده ماده هستند. سبك ترین كوارك ها كه بالا و پایین نام دارند، پروتون و نوترون معمولی را به وجود می آورند و این دو همراه الكترون، تمام عناصر جدول تناوبی را می سازند. كوارك های سنگین تر (شگفت، افسون، سر و ته) و دیگر لپتون ها هم تنها در شتاب دهنده ها تولید می شوند؛ البته این بدان معنی نیست كه این ذرات هیچ گاه در طبیعت به وفور وجود نداشته اند، چرا كه در نخستین لحظات پس از مهبانگ، عالم مملو از این ذرات بنیادی بود. مدل استاندارد ذرات بنیادی می تواند تعامل بین این واحدهای سازنده ماده را به خوبی توضیح دهد، اما لازمه اش این است كه هر یك از لپتون ها و كوارك ها به صورت جفت ذره وجود داشته باشند كه معمولاً آنها را نسل ذرات می نامند.
فیزیكدانان از سال ۱۹۷۷ (۱۳۵۶) می دانستند كه كوارك سر باید وجود داشته باشد؛ چرا كه جفت آن، كوارك ته، كشف شده بود. اما آزمایش های مختلف نشان داد كه كوارك سر ذره ای بسیاربسیار دردسرساز است كه حاضر نیست خود را نشان دهد. درست است كه برای كوارك سر هیچ ساختار مشخصی تعریف نشده است، اما آزمایش ها نشان می دهد سنگینی این ذره ۱۷۵گیگاالكترون ولت (GeV ۱۷۵) است كه معادل سنگینی یك اتم طلا و بسیار سنگین تر از آنی است كه بسیاری از نظریه پردازان پیش بینی كرده بودند. پروتون كه از دو كوارك بالا و یك كوارك پایین تشكیل شده است، جرمی كمتر از ۱GeV دارد. الكترون ولت یكی از واحدهای انرژی است و با معادله مشهور E=mc۲ به جرم تبدیل می شود. بدین ترتیب هر یك میلیارد الكترون ولت معادل ۲۶-۱۰*۷۷/۱ كیلوگرم است كه تقریباً یك میلیارد میلیارد میلیارد بار سبك تر از یك وزنه یك كیلوگرمی است!
مشخص است كه برای خلق كردن ذره ای مانند كوارك سر باید مقدار بسیار زیادی انرژی را در حجم بسیار كوچكی از فضا متمركز كرد. فیزیكدانان برای این كار، دو ذره را در شتاب دهنده های بزرگ شتاب می دهند و سپس آنها را به سوی برخوردی رودررو با یكدیگر هدایت می كنند. آنها امیدوارند درمیان هزاران میلیارد آزمایش برخورد، انرژی حاصل از برخورد در تعداد قابل قبولی از آنها منجر به تولید كوارك سر شود. اما آنها تا مدت ها نمی دانستند كه برای تولید چنین ذره ای به چه مقدار انرژی نیاز دارند و همین عامل بود كه كشف كوارك سر را این قدر به تاخیر انداخت. مدل استاندارد می توانست برخی از خواص این ذره را مانند بار الكتریكی و اسپین (تكانه زاویه ای ذاتی ذره) مشخص كند، اما در مورد جرم آن نمی توانست هیچ حدی تعیین كند.
درست است كه ماده را می توان فقط با استفاده از انرژی تولید كرد، اما برخی خواص ماده را مانند بارالكتریكی نمی توان با انرژی تولیدكرد، زیرا این خواص در طبیعت ثابت هستند. یك كوارك سر هم خودبه خود تولید نمی شود. ساده ترین راه برای تولید یك كوارك سر این است كه آن را همراه با پادذره اش (پادكوارك سر) تولید كنیم. پادذره همان جرم ذره را دارد، اما دیگر خواصش قرینه خواص ذره است و در صورت برهمكنش با ذره، خواص ثابت یكدیگر را خنثی می كنند.
در سال ۱۹۸۵ (۱۳۶۴) كه برخورددهنده فرمی لب آغاز به كار كرد، هشت سال از آغاز جست وجوی دانشمندان برای یافتن كوارك سر گذشته بود. آزمایش های انجام شده در مركز شتاب دهنده خطی استانفورد در كالیفرنیا و آزمایشگاه DESY در هامبورگ آلمان به نتیجه ای نرسیده بود. به تدریج، شتاب دهنده های پرانرژی تر دیگر آغاز به كار كردند و تلاش برای شكار این ذره گسترده تر شد.
در اوایل دهه ،۱۹۸۰ در سرن (آزمایشگاه اروپایی فیزیك ذرات در ژنو) جریانی از پروتون ها و پادپروتون ها در انرژی ۳۱۵Gev با هم برخورد كردند و دو ذره جدید را به نام های W و Z خلق كردند. كوارك ها و لپتون ها ساختار داخلی ماده را تشكیل می دهند، اما ذراتی مانندW و Z نیروهای بین ذرات را منتقل می كنند. این دو ذره نیروی ضعیف را انتقال می دهند كه عامل برخی واپاشی های رادیواكتیو است. كشف این ذرات اعتبار مدل استاندارد ذرات را بیشتر كرد، چرا كه جرم این دو ذره را به دقت پیش بینی كرده بود. همه انتظار داشتند كه سرن به زودی كوارك سر را نیز كشف كند.
اما یافتن این ذره هنوز مشكل بود. وقتی پروتون ها و پادپروتون ها در انرژی های زیاد باهم برخورد می كنند، برخورد واقعی بین كوارك ها و گلوئون های درونشان روی می دهد. هر كوارك یا گلوئون تنها كسری از انرژی بالای پروتون یا پادپروتون میزبانش را حمل می كند. از سوی دیگر انرژی برخورد باید آن قدر زیاد باشد كه بتواند كوارك سر را خلق كند. چنین واكنش هایی بسیار نادرند و هرچه انرژی لازم بیشتر باشد، یعنی كوارك سر سنگین تر باشد، احتمال وقوعش هم كمتر است.
چند سال گذشت و تا سال ۱۹۸۸ (۱۳۶۷) این ذره در سرن مشاهده نشد. پژوهشگران اروپایی تنها توانستند به این نتیجه برسند كه جرم كوارك سر بیش از ۴۱GeV است. در این زمان، برخورددهنده فرمی لب در ایالات متحده در حال راه اندازی آشكارساز جدید خود به نام CDF بود. رقابت نزدیك و حساسی بین سرن و فرمی لب آغاز شد. دهه ۱۹۸۰ به پایان رسید و كوارك سر خود را نشان نداد، اما دانشمندان توانستند بفهمند كه جرم این ذره كمتر از ۷۷GeV نیست!
سرن به حد بالای انرژی خود رسیده بود. باریكه ذرات این شتاب دهنده نمی توانست كوارك های سنگین تر از ۷۷GeV را تولید كند؛ در نتیجه رقابت به آزمایشگاه ملی فرمی محدود شد، آن هم بین CDF و یك آزمایش جدید در حلقه شتاب دهنده كه به دلیل موقعیتش در مسیر شتاب دهنده، D۰ (دی صفر) نام گرفت. در اوایل دهه ،۱۹۸۰ لئون لدرمن (Leon Lederman) كه مدیریت فرمی لب را برعهده داشت، تصمیم گرفت كهCDF باید رقیبی داخلی نیز داشته باشد. این شد كه در فرمی لب گروه جدیدی تشكیل شد كه D۰ را بسازد. در سال ۱۳۷۱/ ،۱۹۹۲ آزمایش D۰ آغازشد و نخستین داده ها را تولید كرد. جدا از رقابت ایجاد شده بین دو گروه تحقیقاتی فرمی لب كه تلاش ها را دوچندان می كرد، داشتن دو آزمایش كامل كه یك موضوع را بررسی می كردند، این مزیت را داشت كه می شد از صحت نتیجه های به دست آمده اطمینان حاصل كرد. همیشه ممكن است اشتباهی در یك آزمایش پیش بیاید و سازگار نبودن نتایج این دو آزمایش می توانست این اشتباه ها را نشان دهد.
هم اعضای آزمایش CDF و هم اعضای D۰ از گروه هایی بین المللی تشكیل شده بودند كه بیش از چهارصد فیزیكدان در آنها عضویت داشتند. علاوه بر اینها تعداد زیادی مهندس، تكنسین و پرسنل خدمات نیز مشغول به كار بودند. گروه های رقیب مستقل از یكدیگرند؛ هیچ گاه در تحلیل های علمی دیگران مشاركت نمی كنند و هریك در تلاش است دیگری را از دور حذف كند. اما این رقابتی دوستانه است و اگر در زمان های صرف غذا یا استراحت به رستوران و كافه سری می زدید، اعضای گروه های مختلف را می دیدید كه پشت یك میز نشسته اند و باهم گپ می زنند!
این یك قانون نانوشته در هر برنامه تحقیقاتی است كه نتایج هر تحلیل فیزیكی تا وقتی كه تحلیل داده ها به پایان نرسیده است، به بیرون از گروه درز پیدا نكند. اما از همان آغاز هم معلوم بود كه رازداری در مورد موضوعی به اهمیت كشف كوارك سر كاری بسیار دشوار است. در هر گروه تحقیقاتی، حداقل سه نفر پیدا می شد كه همسرشان عضو گروه رقیب بود! برای آنكه از پخش مهارنشدنی شایعات جلوگیری شود، دو گروه باهم قرار گذاشتند اگر در تحلیل های خود به نتایجی رسیدند كه ارزش خبری داشت، گروه دیگر را با اعلانی یك هفته ای خبردار كنند.
حساس ترین بخش هر آزمایش انرژی زیاد، آشكارساز است كه بقایای برخوردها را ثبت می كند. دانشمندان بر اساس بهترین محاسبه های نظری، انتظار داشتند از بین هر ده میلیارد برخورد پروتون و پادپروتون، یك برخورد منجر به تولید كوارك سر شود. بقیه برخوردها برای مقاصد دیگری مناسب بود و دشواری كار اینجا بود كه از بین این همه برخورد به دردنخور، برخوردی باید پیدا می شد كه كوارك سر را تولید می كرد.
دانشمندان هر دو گروه CDF و D۰ در طول یك دهه ابزارهای پیچیده و غول آسایی را ساخته بودند كه هریك از آنها دارای صدهاهزار مدار الكترونیكی بود و همه آنها تنها برای یك هدف طراحی شده بودند: یافتن ردپای كوارك سر. آشكارساز CDF این توانایی را دارد كه مسیر هر ذره ای را در میدان مغناطیسی به دقت مشخص كند و از این راه تكانه آن ذرات را تعیین كند؛ اما دستگاه D۰ به یك گرماسنج بسیار حساس و دقیق مجهز است كه می تواند انرژی هر برخورد را اندازه گیری كند.
در صورتی كه كوارك و پادكوارك سر خلق شوند، تقریباً در همان لحظه واپاشی می كنند. این ذره برخلاف كوارك های بالا و پایین كه ذرات پایداری هستند، بسیار ناپایدارند و نیمه عمرشان تنها
۲۴-۱۰ ثانیه است، یعنی پس از این مدت نیمی از كوارك ها و پادكوارك های سر واپاشیده می شوند و به ذرات دیگری تبدیل می شوند. مدل استاندارد پیش بینی می كند اگر كوارك سر به اندازه كافی سنگین باشد، تقریباً همیشه به یك ذره W و یك كوارك ته واپاشیده می شود. بنابراین اگر یك زوج كوارك و پادكوارك سر تشكیل شوند، باید دو ذرهW، یك كوارك ته و یك پادكوارك ته تولید كنند.
متاسفانه نمی توان هیچ یك از ذرات W و كوارك ته را مستقیماً دید. نیمه عمر ذره W تقریباً برابر نیمه عمر كوارك سر است. كوارك ته هم ناپایدار است، اما خیلی بیشتر از كوارك سر عمر می كند. از سوی دیگر، تاكنون هیچ كواركی به تنهایی دیده نشده است. (دانشمندان اصطلاحاً می گویند كه كوارك ها هیچ وقت «برهنه» نمی شوند). نیروی هسته ای قوی كه كوارك ها را در كنار هم نگه می دارد، آنها را ملزم می كند كه همیشه در كنار دیگر كوارك ها و پادكوارك ها ظاهر شوند؛ اگر كوارك ها دوتادوتا باشند ذره حاصل مزون نام دارد و اگر كوارك ها سه تایی باشند، آن ذره باریون نامیده می شود (پروتون ها و نوترون ها باریون هستند). وقتی كواركی در یك برخورد آزاد می شود، ابری از دیگر كوارك ها و پادكوارك ها آن را می پوشانند و نمی گذارند برهنه بماند. آنچه دیده می شود، یك جت است، باریكه ای جهت دار از ذرات كه در همان مسیر كوارك اولیه حركت می كند.
● بمبارانی از جت ها
ذرهW می تواند به یك كوارك و پادكوارك هم نسل تبدیل شود، مانند یك كوارك بالا و یك پادكوارك پایین كه در آشكارساز به صورت دو جت ذرات دیده می شوند. اما این ذره می تواند واپاشی لپتونی نیز داشته باشد، یعنی به یك لپتون باردار و یك لپتون خنثای هم نسل واپاشیده شود، مانند یك الكترون و یك نوترینو!
اگر لپتون باردار، الكترون یا میون (لپتونی سنگین تر از الكترون) باشد، می توان آن را مستقیماً در آشكارساز مشاهده كرد. اما اگر لپتون تاو باشد (ذره ای شبیه الكترون ولی خیلی سنگین تر)، به سرعت واپاشی می كند و پیدا كردنش بسیار دشوار می شود. نوترینوی حاصل در واپاشی W جرم بسیار اندكی دارد و بدون دیده شدن از آشكارساز عبور می كند. خوشبختانه می توان حضورش را تشخیص داد، زیرا این ذره بخشی از تكانه برخورد را با خود می برد. مجموع تكانه ذرات در هر برخوردی ثابت است؛ اگر تكانه تمام ذراتی كه در آشكارساز دیده می شوند باهم جمع شوند و به مقدار قابل توجهی كم باشد، نتیجه این می شود كه یك نوترینو آن مقدار را با خود برده است.
آزمایشگاه فرمی در آگوست ۱۹۹۲ (مردادماه ۱۳۷۱ ) شكار كوارك سر را مجدداً آغاز كرد. در آن ماه دانشمندان حد پایین جرم این ذره را ۹۱GeV تعیین كردند. این گام بزرگی بود. ذره W برهمكنش هایی را بین كوارك های هم نسل ایجاد می كند و خوشبختانه كوارك های سر و ته هم جزء آن نسل هستند. اگر كوارك سر به اندازه كافی سبك می بود (یعنی سبك تر از ۷۵GeV) ذره W می توانست در واپاشی خود، این ذره را به همراه یك پادكوارك ته تولید كند. اما با رسیدن به حد ۹۱GeV مشخص شد تنها راهی كه می توان كوارك سر را پیدا كرد، خلق یك زوج كوارك-پادكوارك سر است.یكی از جذاب ترین رویدادهای خلق یك كوارك سر، جت هایی از ذرات است كه كوارك های ته آنها را به وجود می آورند. این كوارك ها به شكل بخشی از یك مزون یا باریون حركت می كنند و تقریباً نیم میلی متر دورتر از جایی كه خلق شده اند واپاشیده می شوند. در سال۱۹۹۲ ابزار جدیدی به نام آشكارساز محاطی سیلیكون روی محل برخورد پرتوهای پرانرژی نصب شد كه می توانست مسیر حركت ذرات را با دقت بسیار زیادی تعقیب كند. این آشكارساز می توانست مسیر هر ذره ای را با دقت ۱۵ میكرون مشخص كند (قطر موی انسان ۷۰ میكرون است). دانشمندان امیدوار بودند با یافتن ردپای ذرات جت و امتداد دادن مسیرشان بتوانند نقطه آغاز واپاشی را بیابند و كوارك ته موجود در جت را شناسایی كنند.
فناوری سیلیكون در آن زمان بسیار جدید بود و دانشمندان نگران اثرات عبور هزاران میلیارد ذره پرانرژی بودند. كافی بود اختلالی در عملكرد شتاب دهنده پیش بیاید تا باریكه ذرات پرانرژی جهت خود را به سوی این آشكارساز تغییر دهد و تمام آن را در كسری از ثانیه بسوزاند! خوشبختانه سپر حفاظتی مناسبی ساخته شد كه در شرایط اضطراری، پرتوهای پرانرژی را از آشكارساز دور می كرد. اما این تنها ابزار جدید نبود! آشكارساز جدیدی هم برای آزمایش D۰ ساخته شد كه در سمت دیگر حلقه شتاب دهنده قرار گرفت. در پاییز ۱۹۹۲ (۱۳۷۱) تنها سه ماه پس از آغاز به كار دستگاه های جدید، نخستین نشانه های كوارك سر پیدا شد. از خصوصیات منحصربه فرد رویداد موردنظر می توان به وجود الكترون و میون بسیار پرانرژی، گم شدن مقدار زیادی از تكانه و حداقل دو جت ذرات اشاره كرد. پس از بررسی های بسیار مشخص شد كه این رویداد مربوط به خلق یك كوارك سر است. هر دو آزمایش های CDF و D۰ توانستند این رویداد را ثبت كنند، اما ایراد كار اینجا بود كه یك رویداد برای اعلام جهانی كافی نبود. این ذره می بایست چندین بار دیگر آشكار می شد تا هیچ كس شك نكند این رویداد مربوط به یكی از آن ده هزار میلیارد برخورد دیگری است كه تصادفاً آثاری شبیه به نشانه های كوارك سر تولید كرده است. هر دو گروه آزمایش ها را دقیق تر ادامه دادند، اما به نتیجه خاصی نرسیدند. به نظر می رسید كوارك سر خودش را مخفی كرده باشد.سه گروه در تحلیل داده هایCDF شركت داشتند. نخستین رویداد نامزد كوارك سر را گروهی پیدا كرد كه در جست وجوی برخوردهای حاوی دو لپتون (محصول واپاشی دوW) و حداقل دو جت ذرات ( دو كوارك ته و همراهان!) بود. دو گروه دیگر به دنبال رویدادهایی بودند كه دارای یك لپتون (تنها یك واپاشی ذرهW) و چندین جت ذرات (ناشی از دیگر واپاشی ذرهW و البته همراهان كوارك ته) باشند. راهبرد گروه ها برای شناسایی این رویدادها متفاوت بود. یكی از گروه ها از سیگنال های آشكارساز محاطی سیلیكون كه به خوبی كار می كرد، برای شناسایی جت های كوارك ته استفاده می كرد. گروه دیگر هم به دنبال لپتون های كم انرژی بود كه نشانه ای خودكار از واپاشی یك كوارك ته است. یك سال گذشت و فرمی لب نتوانست این كوارك را شكاركند. گروه CDF توانست حد پایین جرم را به ۱۰۸GeV برساند و اندكی بعد D۰ توانست از این مقدار فراتر رود و به ۱۳۱GeV برسد. جست وجو هنوز ادامه داشت. در جولای ۱۹۹۲ (خرداد ۱۳۷۲)گروه های CDF در یك كنفرانس درون سازمانی دستاورد هایشان را برای یكدیگر شرح دادند. دستاوردهای هرگروه به تنهایی مبهم بود، اما داده های هر سه گروه در كنار هم نشان از شكار كوارك سر داشت. چندی بعد، گروه CDF در یك كنفرانس تخصصی به تشریح روش های شكار كوارك سر پرداخت ولی از آن رویداد نامزد كوارك سر حرفی نزد. شایعات اوج گرفت و كار به جایی رسید كه كنفرانس از پیش تعیین شده در بهار ۱۹۹۴(۱۳۷۳) لغو شود.
از میان هزاران میلیارد برخورد پرانرژی روی داده در CDF، تنها ۱۲ رویداد ثبت شده بود كه از شرایط مناسب برای نامزدی خلق جفت كوارك-پادكوارك سر برخوردار بودند. مشكل اینجا بود كه انبوهی از فرآیندهای فیزیكی دیگر وجود داشت كه می توانست همین نشانه ها را تولید كند و فیزیكدانان می بایست از كشف خود مطمئن می شدند. پس از ماه ها تلاش آنها توانستند تخمین بزنند حدود ۷/۵ رویداد زمینه نیز همین علایم را تولید می كنند. احتمال این كه فقط رویدادهای زمینه عامل این ۱۲ رویداد انتخابی باشند ۱به۴۰۰ بود. بنابراین هنوز این احتمال وجود داشت كه هیچ كوارك سری به دام نیفتاده باشد.
دانشمندان سعی كردند این ۱۲ رویداد را به شكلی دیگر تحلیل كنند. یكی از این تحلیل ها كه اهمیت فراوانی داشت، این بود كه جرم كوارك سر مجدداً اندازه گیری شود. با واردكردن انرژی جت های ذرات و لپتون های به وجود آمده از واپاشی یك جفت كوارك-پادكوارك سر، می شد جرم این كوارك را تعیین كرد. اگر این رویدادها واقعاً مربوط به خلق جفت كوارك سر بودند، پس مقدار جرم به دست آمده از هر ۱۲ آزمایش می بایست حول وحوش یك مقدار باشد كه آن هم چیزی جز جرم واقعی كوارك سر نبود. در مقابل، رویدادهای زمینه توزیع گسترده تری دارند. محاسبات نشان داد جرم به دست آمده از این ۱۲ رویداد توزیع بسیار فشرده ای دارد و مقدار ۱۷۵GeV را برای جرم كوارك سر تعیین می كند. این نتیجه برای بسیاری از فیزیكدانان قانع كننده بود.
برنامه اولیه ما این بود كه چهار مقاله بنویسیم؛ سه مقاله برای شرح هریك از روش های تحلیل داده ها و یكی برای جمع بندی كلی و نتیجه گیری. در جلسه ای درون سازمانی كه خودمان از آن به كشتار دسته جمعی اكتبر یاد می كنیم پیش نویس مقاله ها را به دیگر اعضای گروه بزرگCDF نشان دادیم. عكس العمل دیگران بسیار فجیع بود. همه عصبانی بودند، زیرا مقاله ها كامل نبود و تصویر كاملی از تمام فعالیت ها نشان نمی داد. این شد كه ایده چهار مقاله مستقل حذف شد و گروه دیگری كه ما هم جزءشان بودیم، مسئول شد مقاله ای كامل بنویسد. كار بسیار نفس گیری بود. هر كس نظر متفاوتی در مورد ادعای كشف كوارك سر داشت. مقاله باید نظر ۴۰۰ كارشناس را تامین می كرد و این واقعاً دشوار بود. نوشتن مقاله چندین ماه طول كشید و حتی فیزیكدانانی خارج از گروه CDF كه قرار نبود حتی از این موضوع خبردار شوند، ما را در نوشتن مقاله راهنمایی كردند و بعضی اشكال ها را نیز تصحیح كردند. در نهایت تصمیم گرفتیم مقاله را نه با عنوان كشف كوارك سر، كه با عنوان شواهدی بر وجود كوارك سر منتشر كنیم. وقتی مقاله در ۲۲ آوریل۱۹۹۴ (۱۳۷۳) برای چاپ پذیرفته شد، بسیاری از اعضایCDF عقیده داشتند مقاله ای بسیار خوب را در مورد نتایج یك فرآیند تحقیقاتی بسیار عالی تهیه كرده اند، آن قدر عالی كه هیچ كس نمی خواست دوباره آن را تكرار كند. ما تمام مدارك را مانند پیش نویس مقاله ها و اسناد آزمایش در یك دایركتوری در رایانه منشی گروه مخفی كردیم و نام آن را هم POT گذاشتیم. البته انتظار نداشتیم كه این شیطنت كوچك مدارك مهم ما را از دستبرد دیگران حفظ كند، اما انتظار هم نداشتیم كه خیلی زود آن را پیدا كنند. درست پیش از آن كه كشفمان را اعلام كنیم دو همكار كه دوره پسادكتری خود را می گذراندند، مقاله ای نظری را در یك نشریه الكترونیكی منتشر كردند كه بیشتر به یك زبان درازی گستاخانه نسبت به گروه CDF می مانست. آنها بر اساس یك سری نظریات بسیار افسارگسیخته، جرم كوارك سر را پیش بینی كرده بودند، و حتماً می توانید حدس بزنید كه مقدار پیشنهادی آنها چه بود. آنها رقم به رقم عدد ما را كپی كرده بودند و با گستاخی بیشتر ذكر كرده بودند كه حاضرند پیشنهادهای كاری خوب را بپذیرند.چند روز پس از پذیرش مقاله گروهCDF، یك سمینار علمی و همچنین یك كنفرانس مطبوعاتی در فرمی لب برگزارشد تا خبر این كشف رسماً به جهان اعلام شود. گروه D۰ هم نتایج كارهایش را آماده كرده بود. داده های گروه D۰ با نتایج CDF سازگاری خوبی داشت، اما نتایج آنها به اندازه كار CDF قانع كننده نبود. البته آنها در هفته های اول كار خود یك رویداد بسیار استثنایی را ثبت كرده بودند، اما دیگر رویدادهایشان خوب نبود و از این رو مقدار كمتری را برای جرم كوارك سر به دست آورده بودند. چند هفته بعد، گروه D۰ داده هایش را مجدداً تحلیل كرد تا نشانه ای از كوارك سر سنگین تر به دست آورد و در نهایت توانستند نشانه هایی از آن را پیدا كنند. از سوی دیگر، هر دو گروه CDF و D۰ از این فرصت استفاده كردند تا داده های بیشتری را جمع آوری كنند. آنها حداقل به دو برابر رویدادهای ثبت شده نیاز داشتند تا بتوانند این كشف را تایید كنند. گروه CDF مجبورشد آشكارساز محاطی سیلیكونی جدیدی بسازد، زیرا ابزار قبلی در اثر تابش شدید جریان های پروتونی آسیب دیده بود. خوشبختانه دستگاه جدیدتر با دقت بیشتری نسبت به نمونه پیشین آغاز به كار كرد. تجربه كار با دستگاه قبلی سبب شد فیزیكدانان از این ابزار بهتر استفاده كنند و با نوشتن یك الگوریتم جدید و هم چنین استفاده از سخت افزار بهتر، قدرت ردیابی این دستگاه را برای یافتن كوارك سر افزایش دهند. داده های جدید پس از جمع آوری ، با الگوریتم جدید تحلیل شدند و دیری نگذشت كه كوارك سر خودش را نشان داد.آخرین كنفرانس دستاوردهای گروه های تحقیقاتی آزمایشگاه ملی فرمی در دوم مارس۱۹۹۵ (اسفندماه ۱۳۷۳) برگزار شد و هر دو گروه CDF و D۰ توانستند شواهد انكارناپذیری بر وجود كوارك سر ارائه دهند. هر دو گروه نشان دادند احتمال آن كه رویدادهای ثبت شده تنها در اثر برخوردهای زمینه ایجاد شده باشند، كمتر از یك در پانصدهزار است.
تا برگزاری این كنفرانس، هر دو گروه بیش از یكصد رویداد خلق زوج كوارك-پادكوارك سر را ثبت كرده بودند. البته گروه CDF در كنار ثبت این رویدادها به جست وجوی رویدادهای دیگری نیز پرداخت كه امكان داشت با مدل استاندارد ذرات بنیادی قابل توضیح نباشند. جرم بسیار زیاد این ذره كه ۱۷۵‎/۶GeV به دست آمده بود، این شك را تقویت می كرد كه ساختار احتمالی این كوارك با دیگر كوارك ها متفاوت باشد و در نتیجه راهی برای بررسی دنیای فراتر از مدل استاندارد ذرات وجود داشته باشد. این درست كه مدل استاندارد ذرات بسیار موفق است، اما پرسش های فراوانی هستند كه این مدل توانایی پاسخ به آنها را ندارد.
مدل استاندارد نشان می دهد در انرژی های بسیار زیاد، برهمكنش های ضعیف كه با ذراتW و Z منتقل می شوند با برهمكنش های الكترومغناطیسی كه با فوتون ها منتقل می شوند یكی شده و برهمكنش جدیدی را به نام الكتروضعیف به وجود می آورند. چنین انرژی هایی در دنیای آغازین وجود داشته اند، اما در دنیای كم انرژی امروز، نیرو های ضعیف و الكترومغناطیسی رفتار كاملاً متفاوتی دارند. این كه چه فرآیندی موجب شده است تقارن اولیه بین این نیروها شكسته شود نامعلوم است، اما ساده ترین مدل برای توضیح آن، ذره ای جدید به نام هیگز است.
در انرژی های بسیار زیاد كه تقارن وجود دارد؛ ذرات W ، Z، فوتون ها، لپتون ها و كوارك ها همگی بدون جرم هستند.
در انرژی های كم كه تقارن شكسته می شود، ذرات W و Z با هیگز برهمكنش می كنند و سنگین می شوند. كوارك ها و لپتون ها هم در فرآیند مشابهی جرم به دست می آورند. جرم ذرات W و Z را می توان با استفاده از مدل استاندارد به دست آورد، اما جرم كوارك ها و لپتون ها را باید به صورت پارامترهایی متغیر وارد معادلات كرد. این پارامترها نشان می دهند هر نوع كوارك یا لپتون با چه قدرتی با دیگر ذرات برهمكنش می كند. به عبارت دیگر آنها نشان می دهند هر كوارك یا لپتون با چه شدتی با هیگز جفت می شود.
برای الكترون كه ذره ای بسیار سبك است، قدرت برهمكنش ۶-۱۰* ۳ است. برای كوارك سر، این مقدار دقیقاً حدود یك است. این جفت شدگی نسبتاً قوی با هیگز (كه برای برخی فیزیكدانان، هاله اسرارآمیز مقدار یك را رمزآلودتر می كند) نشان می دهد كه احتمالاً كوارك سر نقش بخصوصی دارد، نقشی كه البته ما هنوز نمی دانیم چیست. مسلماً جرم بسیار زیاد كوارك سر، آن را در برهمكنش با دیگر ذرات به موثرترین كوارك تبدیل می كند. اندازه گیری بسیار دقیق جرم كوارك سر و ذره ای دیگر مانند W می تواند ما را به تخمینی از جرم هیگز نزدیك كند. البته راه های دیگری هم برای شكستن تقارن نظریه الكتروضعیف وجود دارد كه نیازی به حضور ذره بنیادی هیگز ندارد. در یكی از این نظریات، هیگز با یك جفت كوارك-پادكوارك سر جایگزین می شود. این نظریه وجود ذره سنگین جدیدی را پیش بینی می كند كه به جفت های كوارك-پادكوارك سر واپاشیده می شود. چنین اثراتی آهنگ تولید كوارك های سر را به شدت افزایش می دهند.
● بالاتر از سر
جرم زیاد كوارك سر سبب می شود در واپاشی این كوارك، شرایط مناسبی برای جستجوی ذرات جدیدتر فراهم شود. بعضی نظریه پردازان حدس می زنند در تعدادی از رویدادهای ثبت شده درCDF، ردپایی از ذرات ابرمتقارن وجود دارد. ابرتقارن، تقارنی الزامی است كه برای هر ذره موجود در مدل استاندارد، ذرات همدم دیگری پیش بینی می كند كه البته هیچ یك از آنها هنوز كشف نشده است. اگر چنین ذرات همدمی وجود داشته باشند و جرمشان كمتر از كوارك سر باشند، احتمال دارد در فرآیندهای تولید این كوارك خود را نشان دهند. مثلا ممكن است یك كوارك سر به همدم ابرمتقارن خود واپاشیده شود یا ابرتقارن این امكان را فراهم كند كه گلوئینو، همدم ابرمتقارن و فرضی گلوئون، به یك زوج كوارك-پادكوارك سر واپاشیده شود. اما ممكن است این رویدادها همزمان روی دهند و اثر یكدیگر را خنثی كنند و در محصولات قابل مشاهده فرآیندهای كوارك و پادكوارك سر تغییری ایجاد نكنند.
ابرتقارن همچنین یك ذره هیگز را پیش بینی نمی كند، بلكه خانواده ای از چهار ذره و شاید بیشتر را پیش بینی می كند. اگر این ذرات وجود داشته باشند و سبك تر از كوارك سر باشند، باید بتوان برخی شان را در واپاشی كوارك سر پیدا كرد. گروه های CDF و D۰ تلاش خود را برای یافتن این ذرات فرضی آغاز كرده اند، ولی هنوز به نتیجه ای نرسیده اند.
پرسش مهم دیگر این است كه آیا كوارك ها و به خصوص كوارك بسیار سنگین سر، واقعاً بنیادی هستند و از هیچ ساختار ریزتری ساخته نشده اند. اخیراً CDF آهنگ تولید جت های ذرات پرانرژی را در برخورددهنده فرمی لب اندازه گیری كرد و نشان داد كه بیشتر از مقدار مورد انتظار است. پخش شدگی بسیار پرانرژی در زاویه های باز (درست شبیه به آزمایش مشهور ارنست رادرفورد كه منجر به كشف هسته اتم شد) می تواند نشانه هایی را از ساختار داخلی آن ذره به دست دهد. یك تعبیر احتمالی نتایج به دست آمده می تواند این باشد كه مازاد جت های ذرات به دلیل برخورد ذراتی بسیار كوچك تر كه كوارك ها را تشكیل می دهند، ایجاد شده اند؛ ذراتی كه در هیچ آزمایش دیگری دیده نشده اند.
چنین نتیجه گیری جسورانه ای كه نظریه كوارك ها را از بیخ و بن تغییر خواهد داد، تنها در صورتی درست خواهد بود كه بتوانیم دیگر احتمال ها را نفی كنیم. این مازاد تولید جت ها می تواند ناشی از خطاها و عدم قطعیت هایی باشد كه در محاسبات ظاهر می شوند. ما در مرحله ای قرار داریم كه می توانیم هر احتمالی را بررسی كنیم. داده هایی كه این روزها به دست می آوریم تنها با یكی از این توضیحات كسل كننده سازگاری دارند و آن، این است كه كوارك سر اگرچه سنگین است، اما یك ذره بنیادی است و هیچ ریزساختاری ندارد.
چند سالی است آزمایشگاه ملی فرمی در حال نوسازی و ارتقای تجهیزات آزمایشگاهی خود است. با بهسازی شتاب دهنده، آهنگ تولید كوارك های سر به بیست برابر قبل افزایش خواهد یافت و با ارتقای تجهیزات آشكارساز، بازده شناسایی كوارك های سر نیز بهبود خواهد یافت. بدین ترتیب هر دو گروه CDF و D۰ خواهند توانست این ذرات را سی بار سریع تر از قبل شناسایی كنند و بهتر بتوانند خواص این ذره را بررسی كنند.
تا سال ۲۰۰۷ نیز برخورددهنده بزرگ هادرون، LHC در سرن آغاز به كار خواهد كرد. این شتاب دهنده بسیار بزرگ خواهد توانست دو باریكه پروتون را با انرژی بسیار زیاد ۱۴TeV (هر TeV معادل یك هزار میلیارد الكترون ولت است) به هم برخورد دهد. این مقدار هفت برابر بیشتر از حداكثر انرژی شتاب دهنده فرمی لب است. در چنین انرژی ای می توان در هر ثانیه یك جفت كوارك-پادكوارك سر را تولید كرد.
تا چند سال دیگر، فیزیكدانان خواهند توانست از كوارك سر برای پاسخ دادن به پرسش هایی استفاده كنند كه هنوز بی جواب مانده است، پرسش هایی در مورد ماده و نیروهایی كه جهان فیزیكی اطرافمان را تشكیل می دهند. هیچ كس نمی داند فرای آنچه امروز می شناسیم چه چیزی انتظارمان را می كشد، اما یك امر واضح است: تا زمانی كه اندازه گیری های ما نتوانسته كاركرد طبیعت را تمام و كمال توضیح دهد، پیشروی ما برای كشف اسرار طبیعت ادامه خواهد داشت.

Scientific American,Sep.۱۹۹۷
تونی لیس- پال تیپتون
ترجمه: ذوالفقار دانشی

منبع : روزنامه شرق