1988- Η δεύτερη ανακάλυψη του Top Quark

Αυτές τις μέρες προσπαθώ να ανασυνθέσω μερικές ιστορίες από το παλιό μου πείραμα, το CDF. Η νοητική σύλληψη του πειράματος έγινε το 1979, ενώ η κατασκευή του ολοκληρώθηκε στις αρχές τις δεκαετίας του 80 στα Fermi Laboratories της Batavia, κοντά στο Σικάγο. Το CDF πήρε τις πρώτες συγκρούσεις πρωτονίου-αντιπρωτονίου το 1985, και συνέλεξε δεδομένα κατά τις περιόδους 1987-88, 1992-96, και 2001-2011, αποτελώντας έτσι το μακροβιότερο πείραμα στην ιστορία για τη σωματιδιακή φυσική.

Το 1994 το CDF ανακοίνωσε πως έχει τις πρώτες αποδείξεις για την ύπαρξη του τοπ κουάρκ, έχοντας μετρήσει μάλιστα την μάζα του στα 174 GeV, μία τιμή που κρατάει έως και σήμερα, με το σφάλμα να έχει μειωθεί κατά μία τάξη μεγέθους μέσω των νέων μετρήσεων. Ελάχιστοι, όμως, γνωρίζουν πως το τοπ κουάρκ είχε ανακαλυφθεί πολύ νωρίτερα…Από τον Rubbia στα μέσα της δεκαετίας του 80 καθώς και έπειτα και από άλλους ερευνητές του CDF, τους οποίους, δικαίως ή αδίκως, δεν εμπιστεύονταν αρκετά οι συνάδελφοί τους.

Σκέφτηκα πως το παρακάτω απόσπασμα, που παρουσιάζει μία σχετικά άγνωστη ιστορία για μία από αυτές τις πρώιμες παρατηρήσεις, ίσως θα ενδιέφερε κάποιους από τους αναγνώστες εδώ…

♦♦♦

Τον Δεκέμβριο του 1988 είχε οργανωθεί ένα μονοήμερο σεμινάριο στο αμφιθέατρο Ramsey, την αίθουσα συνεδριάσεων στο υπόγειο του Hirise, που είναι το κύριο κτήριο του Fermi National Accelerator Laboratory. Το συνέδριο αυτό ήταν το πρώτο μιας σειράς συναντήσεων μέσα στα επόμενα χρόνια, oι οποίες θα ήταν αφιερωμένες ειδικά σε στοχευμένες συζητήσεις πάνω στην έρευνα για τα τοπ κουάρκ. Η έρευνα γινόταν ξεχωριστά από διάφορες ομάδες επιστημόνων του CDF. Το Argonne National Laboratory συμμετείχε στο πείραμα του CDF με μία δυνατή ομάδα ερευνητών. Αυτοί ήταν πολύ δραστήριοι στην έρευνα για τοπ κουάρκς μέσα από γεγονότα «λεπτόνια+πίδακες».

Θα πρέπει να εξηγήσω εδώ πως τότε δεν ήταν τα γεγονότα που περιείχαν ζεύγος τοπ-αντιτόπ αυτά τα οποία αναζητούσαν, αλλά μάλλον εκείνα που περιείχαν ένα μόνο τοπ κουάρκ. Για την ακρίβεια, κατά τις πρώτες έρευνες του CDF, οι επιστήμονες πίστευαν πως το τοπ κουάρκ θα είχε μάζα περί τα 40 GeV, κοντά δηλαδή στο λανθασμένο σήμα που είχε εντοπίσει και δημοσιεύσει πριν λίγο καιρό η ομάδα του Rubbia, UA1 collaboration. Ένα τοπ ελαφρύτερο από το μποζόνιο W, ναι μεν θα μπορούσε να παράγεται σε ζεύγη, αλλά θα ήταν πιο συνετό να ψάξει κανείς για παραγωγή ενός μόνο κουάρκ από την διάσπαση ενός W, καθώς αυτή η διαδικασία θα γινόταν σε μεγαλύτερη αναλογία.

Έτσι, λοιπόν, έψαχναν για ένα μποζόνιο W που να διασπάται σε ένα τοπ και ένα bottom κουάρκ. Το bottom θα έδινε έναν χαμηλής ενέργειας πίδακα αδρονίων. Το τοπ από την άλλη θα διασπαζόταν δίνοντας ένα λεπτόνιο, ένα νετρίνο και ένα δεύτερο bottom quark το οποίο με την σειρά του θα έδινε έναν ακόμη πίδακα αδρονίων. Αυτά λοιπόν ήταν γεγονότα («λεπτόνια+πίδακες») πολύ μικρότερης ενέργειας από αυτή των γεγονότων «W+πίδακες» τα οποία και χρησιμοποιήθηκαν για την ανακάλυψη έξι χρόνια αργότερα.

Η ομάδα του Argonne έκανε μία λεπτομερέστατη παρουσίαση πάνω στα γεγονότα που έδιναν λεπτόνια+πίδακες. Οι ερευνητές που παρουσίαζαν την εργασία ήταν οι Jimmy Proudfoot και Barry Wicklund, δύο έμπειροι και προσεκτικοί φυσικοί. Είχαν εξετάσει πολλά διαφορετικά σημεία: δραστηριότητα των πιδάκων (jet activity), momentum of tracks, λεπτονική απομόνωση (lepton isolation), ελλείπουσα ενέργεια (missing energy). Η παρουσίαση πυροδότησε μία ενδιαφέρουσα συζήτηση για λεπτομέρειες πάνω στην επιλογή των γεγονότων και τους ορισμούς που έδιναν στις μεταβλητές τις οποίες χρησιμοποίησαν για να αναγνωρίσουν καθαρά γεγονότα ηλεκτρονίων και μυονίων. Το συμπέρασμα των ερευνητών του Argonne ήταν πως δεν φαινόταν να υπάρχει καθαρό σήμα από τοπ κουάρκ στα δεδομένα.

Μετά την παρουσίαση του Argonne στο βήμα ανέβηκε ο Pekka Sinervo. Ο Pekka εργαζόταν στην ομάδα του CDF στο Pennsylvania State University. Είχε ψάξει και αυτός για τοπ κουάρκς και επίσης είχε αρνητικά αποτελέσματα. Η ομιλία του προκάλεσε στο κοινό έντονο ενδιαφέρον, κριτική ή και προτάσεις από το ακροατήριο. Ήταν όλα στο σωστό πνεύμα, αυτό που ταιριάζει σε ένα συνέδριο στο οποίο τα μεγαλύτερα μυαλά του πειράματος θα συνεργαστούν ώστε να αξιοποιήσουν κάθε πτυχή των δεδομένων που με τόσο κόπο είχαν συλλέξει.

Από την άλλη πλευρά, όμως, η εικόνα ήταν κάπως καταθλιπτική: οι ομιλίες έδειχναν πως δεν είχαν το τοπ στα δεδομένα τους και, παράλληλα, έδιναν την αίσθηση πως έλειπε μια καλώς καθορισμένη στρατηγική για την έρευνα του τοπ. Πράγματι εκείνη την εποχή δεν ήταν ξεκάθαρο στους περισσότερους ερευνητές του CDF ούτε καν πως το κύριο υπόβαθρο (background) της παραγωγής των τοπ αποτελείτο από γεγονότα που περιείχαν ένα W μαζί με πίδακες αδρονίων, αποτέλεσμα της από της QCD radiation.

Τέλος, έφτασε η ώρα για την ομιλία του Kuni Kondo. Ο Kondo ήταν ένας Ιάπωνας φυσικός ο οποίος ήταν επικεφαλής μιας αρκετά μεγάλης ομάδας ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Tsukuba. Οδεύοντας σιγά σιγά προς τα 60, λιγνός, όχι ιδιαίτερα ψηλός, με μαύρα μαλλιά χτενισμένα και με αισθητά τα σημάδια πλέον από την τριχόπτωση. Συνήθιζε να ντύνεται με μαύρα ή γκρι σακάκια. Ήταν ένας γοητευτικός και πολύ ευγενικός άνθρωπος, είχε λεπτή φωνή και με το χαμόγελο συχνά αποτυπωμένο στο πρόσωπο του. Φαινόταν σαν να μην υπάρχει τίποτα που θα μπορούσε να τον αναστατώσει.

Ο Kondo είχε κατασκευάσει μια πολύ περίπλοκη και βαθυστόχαστη μέθοδο για να ξεχωρίζει γεγονότα τοπ κουάρκς από το υπόβαθρο, βασισμένη σε μία ανάλυση που ονόμαζε «dynamical likelihood» η οποία και θα γινόταν το εξελιγμένο πρότυπο μόνο μετά από μία δεκαετία, αν και αντιμετωπιζόταν με αρκετό σκεπτικισμό εκείνη την εποχή. Σε προσωπικές συζητήσεις, μάλιστα, αρκετοί από τους Αμερικάνους και Ιταλούς συναδέλφους ακόμα και την διακωμωδούσαν. Η μέθοδος βασιζόταν στην κατασκευή κατανομών πιθανότητας για την παρατηρούμενη κινηματική των γεγονότων, οι οποίες μπορούσαν εν συνεχεία να χρησιμοποιηθούν για να εξάγεις την πιθανότητα για το εάν τα γεγονότα ήταν πιο πολύ signal-like ή background-like.

Είναι κάπως ειρωνικό το ότι πλέον όλες οι πιο ακριβείς μετρήσεις της μάζας του τοπ κουάρκ βασίζονται στην μέθοδο που αποκαλείται «matrix element», η οποία δεν είναι τίποτε άλλο παρά η αρχική ιδέα του Kondo προσαρμοσμένη στην διαδικασία μέτρησης της μάζας αντί για την διάκριση του σήματος των τοπ. Ο Kondo ήταν πολύ πιο μπροστά από την εποχή του, και όπως οι περισσότεροι από τους εκάστοτε πρωτοπόρους, κάθε άλλο παρά εύκολα έγινε αποδεκτό και εκτιμήθηκε το έργο του, πάντα μια κατάσταση όπου κυριαρχούσε ο συντηρητισμός.

Έχει φτάσει, αισίως, τέσσερις το απόγευμα και ο Kondo τελειώνει δίνοντας μια πλήρη έκθεση για την κατάσταση της ανάλυσής του. Η ανάλυση του είναι ενδελεχής και φτάνει σε σημείο να μην είναι κατανοητή από ένα μεγάλο μέρος των ακροατών του. Περιέχει ιδιαίτερα ανορθόδοξα, και συνάμα εξαιρετικά τεχνάσματα, όπως το να παίρνεις έναν πίδακα από ένα γεγονός και να το «αναμιγνύεις» μαζί με άλλους πίδακες σε ένα διαφορετικό γεγονός έτσι ώστε να μελετήσεις την συμπεριφορά κάποιων selection variables για τα γεγονότα υποβάθρου. Οι συνάδελφοι παρακολουθούσαν μέσα σε μία ατμόσφαιρα μεταξύ δυσπιστίας και δέοντος. Παρά την πολυπλοκότητα του όλου ζητήματος και την δυνατότητα να φέρεις αντιρρήσεις σε μια πληθώρα σημείων, δεν ακούγεται ούτε μία ερώτηση. Καθώς ο Kondo φτάνει στο τέλος της ομιλίας του, αποτυπώνει το συμπέρασμά του, σηκώνοντας ανεπαίσθητα τον τόνο της φωνής του:

«Και ως εκ τούτου…«, μία παύση, και μετά «νομίζω πως έχουμε ανακαλύψει το τοπ κουάρκ».

Το ακροατήριο παραμένει σιωπηλό. O σύνεδρος είναι ένας ψηλός, λεπτός άντρας με μια κοφτερή μύτη και ένα διαπεραστικό βλέμμα. Μοιάζει με Άγγλο ευγενή από μυθιστόρημα του 19ου αιώνα, ειδικά λόγω της αισθητής απάθειας του. Δεν φαίνεται ξαφνιασμένος, και αυτό τα λέει όλα.

«Ευχαριστούμε πολύ Kuni. Υπάρχει κάποια ερώτηση;», ένα, δύο, τρία, τέσσερα… «…Καμία ερώτηση. ΟΚ, σε ευχαριστούμε και πάλι Kuni. Ο επόμενος ομιλητής είναι ο…»

Εκ των υστέρων η συμπεριφορά του συνέδρου και η έλλειψη σεβασμού απέναντι σε έναν αξιότιμο συνάδελφο και επισκέπτη από μία ξένη χώρα, ο οποίος είχε φέρει πολλούς πόρους στο πείραμα και συνέβαλε τα μέγιστα στην κατασκευή του ανιχνευτή, φαίνεται τουλάχιστον αγενής και αδικαιολόγητη. Πάντως, τότε, το CDF δεν ήταν ένα μέρος όπου οι άνθρωποι αντάλλαζαν ευγένειες και κοπλιμέντα (ποτέ δεν ήταν, στην πραγματικότητα). Εκεί, κανείς έπρεπε να δουλέψει σκληρά και ο μόνος τρόπος να κερδίσει τον σεβασμό των συναδέλφων του ήταν τα καλά φυσικά αποτελέσματα από τις αναλύσεις του. Εάν οι μέθοδοι της ανάλυσής σου δεν θεωρούνταν δημοσιεύσιμες ή τα αποτελέσματα σου θεωρούνταν παραπλανητικά, θα γινόσουν αυτομάτως δυνητικός κίνδυνος για το καλό όνομα του πειράματος και θα αντιμετώπιζες ένα σχετικό μποϊκοτάζ. Αλλά ο τρόπος που συμπεριφέρθηκαν στον Kondo δεν ήταν τίποτε σε σύγκριση με το τι θα πέρναγαν άλλοι επιστήμονες, στην πορεία για την ανακάλυψη του τοπ κουάρκ.

Αρχικό άρθρο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/1988_second_discovery_top_quark-124005
7/11/2013

About qdsgreek

Greek version of "A Quantum Diaries Survivor" blog
This entry was posted in Γενικά, 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