انتشار این مقاله


دستاوردهای عظیم (۸۱): کشف کوارک سر با آزمایش‌های CDF و DØ

کوارک سر ششمین و طبق مدل استاندارد، آخرین ذره‌ای است که در سال ۱۹۹۵ حین انجام آزمایش‌هایی توسط شرکت‌های CDF و DØ در Fermilab کشف شده‌است.

دانشمندان مدل استاندارد فیزیک ذزات را ساختند تا بتوانند اصول پایه طبیعت را توصیف کنند. کوارک سر ششمین و طبق مدل استاندارد، آخرین ذره‌ای است که کشف شده‌است. یکی از ذرات بنیادی مدل استاندارد است که خود کوارک سر از ۶ کوارک، ۶ لپتون و ۴ بوزون حامل‌ نیرو مثل فوتون‌ها می‌باشند.

تا یک دهه قبل، تقریبا همه ذراتی که توسط این مدل پیش‌بینی شده‌بودند، کشف شدند به غیر از قطعه گم‌شده که کوارک سر نام داشت. مدل استاندارد همه کوارک‌ها(و حتی بوزون‌ها را) ملزم می‌کرد تا به صورت جفت کنار هم قرار بگیرند. بنابراین بعد از کشف کوارک b در سال ۱۹۷۷ یک کوارک بدون همتا مانده بود. تمام چیزهایی که ما می‌شناسیم از کوارک‌های نسل اول و لپتون‌ها ایجاد شده‌اند. با اینکه کوارک‌های سر امروزه بخشی از جهانی نیستند که ما آن را می‌شناسیم. محققان باور دارند که این کوارک‌ها همراه با سایر ذراتی که امروزه وجود ندارند، به طور طبیعی از آغاز جهان وجود داشته‌اند.

پس از دهه‌ها تلاش فراوان، کوارک‌های سر در سال ۱۹۹۵ با آزمایش‌های CDF و DØ انجام‌شده در Fermilab کشف شدند. آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی Fermi شرایط لازم را برای طبیعت ایجاد کرد تا این ذرات را تولید کند. هنگام کشف کوارک‌های سر، شتاب‌دهنده Fermilab که Tevatron نامیده می‌شود، ۹۰۰GeV پروتون را با ۹۰۰GeV ضد پروتون برخورد داد تا کوارک‌های سر را ایجاد کند. ضدپروتون‌ها همانند پروتون هستند اما بار مخالف دارند.

CDF و DØ شرکت‌های بزرگی هستند بیش از ۵۰۰ نفر کارمند دارند. این آزمایش‌ها مکمل یکدیگر هستند و نتایج همدیگر را بررسی می‌کنند. کوارک‌های سر به صورت بسیار نادر هنگام تصادم پروتون با ضدپروتون تولید می‌شوند. بنابراین این آزمایش‌ها از حسگرهای بسیار دقیقی استفاده می‌کنند که از صدها کانال داده‌ای برخوردارند تا بتوانند کوارک‌های سر را شناسایی کنند.

مدل استاندارد دانشمندان را در امر چگونگی تولید کوارک‌های سر و فروپاشی آن‌ها راهنمایی می‌کند. با توجه به این تئوری بیشتر انتظار داریم تا این کوارک‌ها به صورت جفت تولید شوند. کوارک‌های سر عمر بسیار کوتاهی دارند و به اجزای سبک‌تری به نام کوارک b و بوزون W فرومی‌پاشند. هربوزون W به مدت کوتاهی پس از تولیدش فرومی‌پاشد. بنابراین یکی از نشانه‌های تولید جفت به فروپاشی ۲ بوزون W بستگی دارد. بیشتر اوقات،W بعد از فرایندی به نام هادرونیزاسیون که به صورت اشعه‌ای متراکم از ذرات دیده می‌شود، به دو کوارک فرومی‌پاشد(تقریبا در دو سوم موارد). در بقیه موارد، W به ذرات باردار لپتون و نوتریتو فرو می‌پاشد.

لپتون، نوترینو و کوارک b که از فروپاشی کوارک سر حاصل شده‌اند، برخی خصوصیات جنبشی ویژه دارند. مثلا لپتون حاصل از این فروپاشی پرانرژی‌تر از لپتون‌های فروپاشی‌های دیگر است. از این تفاوت‌ها می‌توان برای شناسایی واکنش‌هایی که در آن‌ها کوارک سر وجود دارد، استفاده کرد. برای مطالعه کوارک‌های سر، دانشمندان وقایعی را انتخاب کردند که مشابه پیش‌بینی مدل استاندارد از وقایعی که هنگام تصادم یک کوارک سر و ضد سر اتفاق می‌افتد، باشد. با وجود دقت فراوان، این نمونه به دقت انتخاب‌شده حاوی انواع زیادی از پدیده‌های فیزیکی به نام پیش‌زمینه می‌باشد. پیش‌زمینه اصلی هنگامی بود که بوزون‌های W و جت‌ها بدون منشا گرفتن از کوارک‌های سر و به معیت سایر ذرات نوری بیایند. تکنیک‌های زیادی بر روی پیش‌زمینه اعمال می‌شود تا بتوانیم بگوییم که یک نمونه نسبتا تمیز داریم.سپس دو سوال آزمایشی داریم: در چند درصد زمان کوارک‌های سر تولید می‌شوند هنگامی که ما ۹۰۰ GeV پروتون را با ۹۰۰GeV ضدپروتون را تصادم می‌دهیم؟ جرم کوارک‌های سر چقدر است؟

این دو سوال با هم مرتبط هستند. سوال اولی یک اندازه‌گیری مقطعی است. اندازه‌گیری مقطعی برای این انجام می‌گیرد تا بفهمند این فرآیند تحت شرایط خاص چقدر رخ می‌دهد. از لحاظ آزمایشی با شمردن تعداد وقایعی که در آن کوارک سر تولید ‌شده‌است و تقسیم آن بر تعداد کل تصادم‌ها می‌توان آن را بدست آورد. واحد اندازه‌گیری مطالعات مقطعی barn می‌باشد که به اندازه‌ یک هسته بزرگ است. هر چقدر منطقه تحت پوشش بزرگ‌تر باشد، احتمال اینکه یکی از تصادم‌ها نتیجه دلخواه را بدهد، زیاد است. چون کوارک‌های سر بسیار نادر هستند، اندازه‌گیری مقطعی آن‌ها بسیار محدود است و به واحد پیکوبارن می‌باشد، که یک میلیون میلیون بار کوچک‌تر از یک هسته بزرگ است. یکی ازدلایلی که کوارک‌های سر خیلی نادرند، این است که بسیار سنگین هستند. انرژی شتاب‌دهنده Tevatron نزدیک به سطح آستانه انرژی موردنیاز برای تولید یک جفت کوارک سر می‌باشد.

اهمیت اندازه‌گیری مقطعی این است که ابزاری را به ما می‌دهد تا بوسیله آن بتوانیم به صحت مدل استاندارد پی ببریم، و نتایج کارهای عملی خود را با محاسبات تئوری مقایسه کنیم. چون جرم کوارک‌های سر توسط مدل استاندارد پیش‌بینی نشده‌است، بنابراین واحد این اندازهگیری‌ها جرم کوارک سر خواهد بود.

جرم کوارک سر تقریبا به اندازه اتم طلا می‌باشد. این ذره سنگین تر از سایر کوارک‌ها و همچنین سنگین‌ترین ذره جهان است. در واقع تنها ذره مدل استانداردی که می‌تواند از آن سبک‌تر باشد، بوزون هیگز می‌باشد. بوزون هیگز به این دلیل در این تئوری گنجانده شده‌است که به نوعی به چرایی بدون جرم بودن فوتون و بوزون‌های Z وW پاسخ بدهد. همچنین هیگز به کوارک‌ها و لپتون‌ها جرم می‌دهد و هرچقدر ذره‌ای تعاملش با آن بیشتر باشد، جرم بیشتری می‌دهد. مشکل این است که هنگامی که هیگز از لحاظ تئوریک کاری را که باید، انجام می‌دهد، هنوز وجود آن اثبات نشده‌است. برای اینکه به آزمایش‌کننده‌ها کمک شود تا بوزون هیگز را پیدا کنند، تئوریسین‌ها از مدل استاندارد استفاده کردند تا برای جرم کوارک سر و بوزون W رابطه‌ای را پیش‌بینی کنند، تا بوسیله آن بتوانند جرم بوزون هیگز را نیز پیش‌بینی کنند. این رابطه بسیار به جرم کوارک سر حساس است و چون جرم آن با خطاهای زیادی روبه‌رو است، هنوز در جرم آن عدم قطعیت زیادی وجود دارد. اگر آزمایش‌کنندگان جرم پیش‌بینی‌شده بوزون هیگز را می‌دانستند، می‌توانستند آن را واکنش‌سنجی کنند و دریابند که چگونه فرومی‌پاشد، و تحقیقات آن‌ها در مورد بوزون هیگز دقت بیشتری می‌یافت. بنابراین اگر اندازهگیری جرم کوارک سر تقویت می‌شد، جرم هیگز با دقت بیشتری محاسبه می‌شد و یک قدم به جواب اینکه ذرات چگونه جرم دارند، نزدیک‌تر می‌شدند.

محمد امین اکبرزاده


نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *