Top Quark- Το σωματίδιο ύλης με τον μικρότερο χρόνο ζωής

Παρά το κλείσιμο του επιταχυντή Tevatron στο Fermilab, πριν από δύο χρόνια, και την επακόλουθη αποσυναρμολόγηση του ένδοξου ανιχνευτή του CDF, η Κοινοπραξία του CDF συνεχίζει να παράγει εξαιρετικά αποτελέσματα χρησιμοποιώντας την πληθώρα δεδομένων που έχει συλλέξει κατά τα προηγούμενα 10 χρόνια.

Σήμερα θα βρείτε στο Cornell arxiv μία καινούρια δημοσίευση από το CDF, που περιγράφει τις νέες πολύ ενδιαφέρουσες μετρήσεις μίας ιδιότητας του top κουάρκ-το σωματίδιο που ανακαλύφθηκε στο Fermilab το 1995, το βαρύτερο στοιχειώδες σωμάτιο που γνωρίζουμε. Αυτή η ιδιότητα είναι ο χρόνος ζωής των top quarks.

Επειδή τα top quarks είναι εξαιρετικά βαριά, -173.3 GeV, με περιθώριο σφάλματος μικρότερο του ενός GeV- έχουν μεγάλη ποσότητα ενέργειας να προσδώσουν στα προϊόντα της διάσπασής τους, και αυτό έχει διάφορες συνέπειες. Μία από αυτές είναι η κάπως εφήμερη φύση του. Θεωρητικοί υπολογισμοί μας επιτρέπουν να υπολογίσουμε πως για ένα τέτοιο σωματίδιο ο χρόνος ζωής είναι αντιστρόφως ανάλογος την μάζα του εις την τρίτη, το οποίο αφήνει μια πολύ μικρή περίοδο ύπαρξης για το top κουάρκ- μικρότερο από ένα τρισεκατομμυριοστό του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου (10^-24 sec)!

Ακόμα και το να φανταστείς ένα τόσο μικρό διάστημα είναι πρόκληση. Τα κβάντα του φωτός δεν προλαβαίνουν καν να διασχίσουν ένα πρωτόνιο σε αυτόν το χρόνο. Πώς να το οπτικοποιήσεις; Ας πούμε πως εάν μπορούσες να ταξιδέψεις από εδώ έως το κέντρο του γαλαξία της Ανδρομέδας σε ένα δευτερόλεπτο (ξεχνώντας για λίγο τους περιορισμούς της ειδικής σχετικότητας), το top κουάρκ θα είχε διασπαστεί προτού μετακινηθείς ένα χιλιοστό !

Αν καθίσεις και το σκεφτείς, είναι ακόμη πιο εκπληκτικό το γεγονός πως οι επιστήμονες μπορούν να μετρήσουν ένα τόσο μικρό χρονικό διάστημα. Παρ’ όλα αυτά, όντως μπορούμε. Και αυτό επειδή ο χρόνος ζωής ενός σωματιδίου είναι αντιστρόφως ανάλογος του φυσικού του πλάτους (natural width). Το φυσικό εύρος ενός συντονισμού είναι η εγγενής αβεβαιότητα στη μάζα ηρεμίας του. Οι δύο ποσότητες είναι συνδεδεμένες μέσω της αρχής της απροσδιοριστίας του Heisenberg, που εκφράζεται σε μορφή ενέργειας*χρόνου ως  ΔΕ*Δt> h/2π, όπου h είναι η σταθερά του Plank.

Αυτή η σχέση απροσδιοριστίας συνδέει τη χρονική διάρκεια της διαδικασίας συντονισμού (η ζωή ενός υποατομικού σωματιδίου), Δt, με την απροσδιοριστία στην ενέργεια -ή τη μάζα- ηρεμίας του, ΔΕ. Το γινόμενο τους πρέπει να είναι μεγαλύτερο της ανηγμένης σταθεράς του Plank, οπότε όσο μικρότερο το Δt, τόσο μεγαλύτερο πρέπει να είναι το ΔΕ. Αλλά τι στ’ αλήθεια σημαίνει αυτό;

Ας σκεφτούμε τον παλμό σε μια χορδή. Παράγει έναν ήχο που είναι ανιχνεύσιμος από το αυτί εάν έχει συχνότητα σε ένα εύρος από τα 40 περίπου Hertz, έως μερικές χιλιάδες Hertz. Εάν φανταστούμε πως ακούμε μία χαμηλή νότα για μικρό χρονικό διάστημα, θα δυσκολευτούμε να βρούμε τον ακριβή της τόνο. Και αυτό επειδή ακούσαμε μόνο μερικές ταλαντώσεις του κύματος. Κατά κάποιο τρόπο η ένταση γίνεται απροσδιόριστη όταν η διάρκεια της νότας είναι αρκετά μικρή ώστε να μην παράγονται αρκετά μέγιστα στο ακουστικό κύμα.

Τα στοιχειώδη σωμάτια δεν διαφέρουν από τα παραπάνω- για την ακρίβεια , όλα τα φαινόμενα ταλάντωσης έχουν εν προκειμένω τις ίδιες βασικές αρχές. Έτσι, ένα top κουάρκ που ζει λιγότερο από 10^-24 sec δεν καταφέρνει να «εδραιώσει» μια καλώς καθορισμένη ένταση. Η προκύπτουσα αβεβαιότητα μπορεί να παρατηρηθεί, καθώς μπορούμε να μετρήσουμε τη μάζα των top quarks και εξ’ αρχής να καθορίσουμε πως κάποια εξ αυτών θα είχαν μάζες λίγο πάνω ή λίγο κάτω από τον μέσο όρο. Η διασπορά των μαζών είναι έτσι συνδεδεμένη με τον χρόνο ζωής του σωματιδίου.

Η σύμπραξη του CDF έκανε ακριβώς αυτού του είδους τη μέτρηση. Βεβαίως, αυτή είναι μια δύσκολη μέτρηση από τη στιγμή που μιλάμε για μια διασπορά της τάξεως του 1.5 GeV. Το πρόβλημα είναι πως η μάζα, οποιουδήποτε top quark, υπολογίζεται με ακρίβεια μιας τάξης μεγέθους τουλάχιστον μεγαλύτερης- 10, 20 GeV ανάλογα με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κάθε παρατηρούμενης διάσπασης. Οι ανιχνευτές σωματιδίων που διαθέτουμε είναι εξαιρετικά μηχανήματα, αλλά η ενεργειακή τους ευκρίνεια δεν είναι αρκετή για να κατεβούμε κάτω από αυτό το επίπεδο. Από στατιστική σκοπιά, από την άλλη, μπορούμε να διακρίνουμε εάν στο δείγμα των top quarks όλα είχαν την ίδια μάζα ηρεμίας ή ελαφρώς διαφορετικές, ερευνώντας διεξοδικά την κατανομή των ανασχηματισμένων μαζών τους.

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται πως θα άλλαζε η κατανομή των ανακατασκευασμένων μαζών των υποθετικών top quarks εάν υποθέσουμε πλάτος 1.5 GeV ή 5 GeV ή 10 GeV.Η διαφορά είναι ελαχιστότατη! Έστω και έτσι όμως, με μεγάλα δείγματα από top κουάρκς μπορεί να προσαρμόσει κανείς την κάθε παρατηρούμενη κατανομή σε μια διαφορετική υπόθεση και να πάρει ένα διάστημα εμπιστοσύνης για το εύρος του top quark. Βέβαια μόνο στα λόγια είναι εύκολο αυτό: θα πρέπει καταρχάς κανείς να απομονώσει ένα καθαρό δείγμα από top κουάρκ, να κάνει έπειτα μια προσεκτική ανακατασκευή της μάζας τους και τότε η προσαρμογή θα πρέπει να αντιπροσωπεύει το υπόβαθρο.

Το αποτέλεσμα της προσαρμογής του δείγματος σε διαφορετικές υποθέσεις εύρους φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. Αυτή είναι η επονομαζόμενη «ζώνη εμπιστοσύνης (confidence belt)»: για κάθε τιμή του μετρούμενου πλάτους (οριζόντιος άξονας) μπορεί κανείς να βρει ένα διάστημα εμπιστοσύνης (κάθετος άξονας) το οποίο θα περιέχει την σωστή τιμή του εύρους του top σε ένα δεδομένο ποσοστό των περιπτώσεων εφόσον το πείραμα επαναληφθεί αρκετές φορές. Η πραγματική μέτρηση φαίνεται στο κάθετο βέλος: Έτσι μας δίνεται το διάστημα εμπιστοσύνης για την πραγματική τιμή του εύρους του top κουάρκ σε 1.10 < Γ < 4.05 GeV (σε επίπεδο εμπιστοσύνης 68%).

Είναι αναγκαίο να πούμε πως δεν είναι η πρώτη φορά που καθορίζουμε το εύρος του top quark. Και το CDF και το DZERO έχουν κάνει τέτοιες μετρήσεις στο παρελθόν.Το DZERO χρησιμοποιώντας υποθέσεις βασισμένες σε κάποιο μοντέλο, είχε  κάνει πιο ακριβείς υποθέσεις από αυτές που περιγράφονται εδώ. Oι μετρήσεις του CDF, όμως, είναι λιγότερο βασισμένες σε θεωρητικές υποθέσεις.

Αρχικό κείμενο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/top_quark_shortest_lived_matter_universe-118840
August 21st 2013

About qdsgreek

Greek version of "A Quantum Diaries Survivor" blog
This entry was posted in Tevatron and tagged , . Bookmark the permalink.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s