Ένα Συμβάν από άλλο Κόσμο…

To γεγονός συνέβη το 1995, προς το τέλος του Run 1B του Τevatron στο Fermilab. Ο ανιχνευτής του CDF μαζεύει συνεχώς δεδομένα, και το προσωπικό στην αίθουσα ελέγχου φροντίζει τα συνηθισμένα – μια ματιά στα πολύχρωμα μόνιτορ που κρύβουν τους τοίχους, ένας έλεγχος στα trigger rates, η καταγραφή μερικών τυπικών προειδοποιήσεων που προκύπτουν από το σύστημα συλλογής δεδομένων, και μια περιήγηση, κάθε τόσο, στα e-mails.

Αλλά κάπου πάνω από την αίθουσα αυτή, περί τα 100 χιλιόμετρα πάνω από τη λίμνη Michigan, λαμβάνει χώρα μία αντίδραση σωματιδίων. Ένα πολύ ενεργητικό πρωτόνιο ερχόμενο από κάποιον άλλον γαλαξία τερματίζει το εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών ταξίδι του, όταν εισέρχεται στα ανώτερα στρώματα της γήινης ατμόσφαιρας, συγκρούεται με τον πυρήνα ενός ατόμου υδρογόνου και δημιουργεί μία «καταιγίδα» δευτερευόντων σωματιδίων. Τα περισσότερα από αυτά είναι πιόνια και καόνια τα οποία καταφέρνουν να διανύσουν μόλις μερικά εκατοντάδες μέτρα πριν να διασπαστούν σε ηλεκτρόνια, μιόνια, και νετρίνα.

Τα ηλεκτρόνια γρήγορα απορροφούνται, καθώς επιβραδύνονται μέσω της διαδικασίας photon bremsstrahlung, και έτσι, ούτε αυτά καταφέρνουν να φτάσουν στην επιφάνεια της Γης. Τα νετρίνα από την άλλη διαπερνούν όλο το πλανήτη και διαφεύγουν από την αντίθετη πλευρά του. Ένα πολύ ενεργητικό μυόνιο, όμως, κατευθύνεται ακριβώς προς το Β0. Διαπερνά το έδαφος πάνω από το CDF Collision Ηall, χάνοντας μόνο μερικές δεκάδες GeV, διασχίζει γη και σκυρόδεμα, και φτάνει τελικά στο ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο του CDF, όπου και ξαφνικά διασπάται σε ένα ηλεκτρόνιο και δύο νετρίνα. Τα νετρίνα απομακρύνονται από το σημείο χωρίς να ανιχνευτούν, αλλά το ηλεκτρόνιο αλληλεπιδρά αμέσως με έναν πυρήνα μολύβδου, παράγοντας μία ηλεκτρομαγνητική «καταιγίδα», και ανιχνεύσιμες λάμψεις φωτός στα φύλλα σπινθηριστή (scintillator sheets).

Έτσι, λοιπόν, όσο αυτή η περίεργη σειρά γεγονότων ξεδιπλώνεται, ένα πρωτόνιο και ένα αντιπρωτόνιο κατευθύνονται προς μία μετωπική σύγκρουση στο κέντρο του ανιχνευτή. Τα δύο σώματα συγκρούονται ακριβώς την στιγμή που ένα red down κουάρκ στο πρωτόνιο παίρνει, για ένα μη μετρήσιμα μικρό χρονικό διάστημα, ένα μεγάλο μέρος της ολικής ενέργειας του «γονέα» του. Το red down κουάρκ βρίσκεται σε τροχιά σύγκρουσης με ένα αντι-up κουάρκ το οποίο επίσης διαθέτει μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Το αντι-up κουάρκ έχει αντι-blue φόρτιση, οπότε συνολικά το ζεύγος αυτό έχει ένα καθαρό ποσό colour charge. Όμως, λίγο πριν φτάσουν αρκετά κοντά για να αλληλεπιδράσουν, τυχαίνει και εκπέμπει το αντικουάρκ ένα ενεργητικό γλουόνιο.

Το γλούονιο παίρνει μαζί του και την αντι-blue φόρτιση του αντι-up κουάρκ, μετατρέποντας το σε αντι-red. Αυτό επιτρέπει στο ζεύγος κουάρκ-αντικουάρκ να αλληλεπιδράσει ασθενώς (μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης δηλαδή): η αδρονική ύλη και αντιύλη εξαφανίζονται -σαν το Martini και το Gin σε ένα προσεκτικά παρασκευασμένο ποτό-, τα colour και anticolour εξαφανίζονται, και η μία αρνητική μονάδα της ηλεκτρικής φόρτισης μεταφέρεται στο ολοκαίνουριο μποζόνιο W.
Εκτός από το ενεργητικό γλουόνιο, το όποιο ίχνος μένει στο σημείο από την εξαΰλωση του ζεύγους είναι το μεγάλης ενέργειας W. Το μποζόνιο σύντομα χάνει ένα μέρος της ενέργειας, εκπέμποντας ένα ενεργητικό φωτόνιο, και στη συνέχεια διανύει μόλις μερικά κλάσματα του attoμέτρου (10^-18 m), μία εξαιρετικά μικρή απόσταση, προτού αποσυντεθεί: και αυτό το κάνει δίνοντας ένα ζεύγος ηλεκτρονίου – αντινετρίνου.

Από τη στιγμή που τα απομεινάρια του αρχικού πρωτονίου και αντιπρωτονίου «αντιλαμβάνονται» πως έχουν αφαιρεθεί ενός κουάρκ και έχουν γίνει έγχρωμα, διασπώνται, και δημιουργούν δύο ρεύματα από χαμηλής ενέργειας αδρόνια, τα οποία φεύγουν από το σημείο σε αντίθετες κατευθύνσεις, κυρίως κατά μήκος των αρχικών δεσμών. Το ενεργητικό γλουόνιο επεκτείνει την colour string που το συνδέει ακόμη με τα άλλα απομεινάρια του αντιπρωτονίου, έως ότου αυτή σπάσει, δίνοντας δύο φορτισμένα πιόνια. Όμως, το ένα πιόνιο έχει ασυνήθιστα μικρή ενέργεια και καταλήγει να κινείται σπειροειδώς εντός του σωλήνα. Το άλλο πιόνιο, αντ’ αυτού, είναι σχετικά ενεργητικό και οδεύει ολοταχώς προς το καλορίμετρο, έχοντας αφήσει πίσω του κάποια ίχνη από το πέρασμα του σε τρία από τα τέσσερα στρώματα του silicon vertex detector.
Καθώς φτάνει στο καλορίμετρο, το πιόνιο υφίσταται μία παράξενη αλληλεπίδραση με την πυκνή ύλη: συγκρούεται με ένα νετρόνιο ενός πυρήνα μολύβδου, και μεταφέρει το up κουάρκ του στο νετρόνιο, παίρνοντας για αντάλλαγμα ένα down. Η αντίδραση έχει ως αποτέλεσμα το φορτισμένο πιόνιο να μετατραπεί σε ουδέτερο, ενώ παράλληλα το νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο ! Καθώς το άτομο αυτό, που για μια στιγμή μετατράπηκε σε βισμούθιο, αποσυντίθεται σε ελαφρύτερα πυρηνικά κομμάτια, το ουδέτερο πιόνιο καταφέρνει να διανύσει μόλις ένα χιλιοστό περίπου, προτού διασπαστεί σε δύο φωτόνια. Το τελευταίο ζεύγος, με τη σειρά του, παράγει μία σειρά γεγονότων ηλεκτρομαγνητικής φύσεως, με το καθένα να μετατρέπεται σε ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου όταν φτάνει κοντά σε κάποιον πυρήνα μολύβδου.

Το φορτισμένο πιόνιο έχει καταφέρει κάτι που φοβούνται οι πειραματικοί φυσικοί: κάτι που δικαιούται να έχει το δικό του όνομα, μία «ανταλλαγή φόρτισης» (charge exchange). Το μόνο παρατηρήσιμο ίχνος από το ενεργητικό πιόνιο στον ανιχνευτή είναι μία ευθύγραμμη φορτισμένη τροχιά, που συνδέεται με μία ηλεκτρομαγνητική «καταιγίδα» στον ανιχνευτή, η οποία είναι πολύ παρόμοια με το αποτέλεσμα που θα είχε ένα ενεργητικό ηλεκτρόνιο. Το ακόμη χειρότερο είναι ότι τα πιόνια σχεδόν ποτέ δεν παράγονται ως απομονωμένα σωμάτια στις συγκρούσεις αδρονίων: η διάσπαση κουάρκ και γλουονίων κατά κανόνα τα παράγει μαζί με άλλα ελαφριά αδρόνια, και η πιθανότητα να έχουμε ένα μόνο σωματίδιο ως το ορατό προϊόν της όλης διαδικασίας, είναι μία στις δέκα χιλιάδες. Συνεπώς, εάν κανείς παρατηρήσει ένα απομονωμένο ηλεκτρομαγνητικό εναπόθεμα με μία φορτισμένη τροχιά να δείχνει προς αυτό, θα είναι δύσκολο να πειστεί πως αυτό δημιουργήθηκε από ένα πιόνιο. Ένα ηλεκτρόνιο, λόγω της διάσπασης ενός W ή Z θα είναι συνήθως η πιο πιθανή εξήγηση παρά την σχετική σπανιότητα της παραγωγής διανυσματικών μποζονίων !

Ας επιστρέψουμε τώρα στα άλλα τρία ενεργητικά σωματίδια που παράχθηκαν από αυτή την ασυνήθιστη αντίδραση: το ηλεκτρόνιο, το αντινετρίνο και το φωτόνιο. Απομακρύνονται από το σημείο της σύγκρουσης σχεδόν κάθετα σε σχέση με τις αρχικές δέσμες, και κατευθύνονται προς τα εσωτερικά στρώματα του συστήματος εντοπισμού. Το νετρίνο περνά μέσα από τα στρώματα του ευαίσθητου υλικού χωρίς να καταλάβει τίποτα. Το ηλεκτρόνιο αφήνει ένα ρεύμα ιονισμού (stream of ionization) στο αέριο του θαλάμου εντοπισμού, και περνά μέσα από το ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο των ατόμων μολύβδου στο καλορίμετρο, χάνοντας σταδιακά την ενέργεια του, εκπέμποντας φωτόνια. Το ηλεκτρόνιο τελικά συλλαμβάνεται από ένα από αυτά τα άτομα, ενώ από την άλλη, τα εκπεμπόμενα φωτόνια προκαλούν την παραγωγή μιας πληθώρας ζευγών ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου και επιπρόσθετων φωτονίων, τα οποία και έχουν ως τελικό αποτέλεσμα την παραγωγή μερικών λάμψεων υπεριώδους φωτός στους πλαστικούς σπινθηριστές που χτυπήθηκαν από αυτή την καταιγίδα.
Όσο για το ενεργητικό φωτόνιο που εκπέμφθηκε από την σκληρή υποδιαδικασία μαζί με το W, θα έχει και αυτό παρόμοια μοίρα: περνά απρόσκοπτα από τον θάλαμο εντοπισμού και όταν φτάνει στο καλορίμετρο, περνάει δίπλα από τα άτομα σιδήρου, υπόκειται σε bremsstrahlung παράγοντας επιπλέον φωτόνια, και αυτά με την σειρά τους δίνουν ζεύγη ηλεκτρονίων – ποζιτρονίων: το τελικό αποτέλεσμα είναι μία καταιγίδα από τα δευτερεύοντα σωμάτια. Καθώς τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια διαπερνούν το σπινθηρίζον υλικό, δημιουργούν λάμψεις υπεριώδους φωτός. Από το συνολικό ποσό του εκπεμπόμενου φωτός, οι πειραματικοί μπορούν να βγάλουν συμπεράσματα για την ενέργεια του αρχικού προσπίπτοντος σωματιδίου.

Πιστεύω πως είναι χρήσιμο να κάνουμε έναν απολογισμό. Αυτό που απομένει από την σκληρή σύγκρουση (hard collision), όπως αυτή καταγράφηκε από τον ανιχνευτή του CDF, είναι το σήμα από ένα πραγματικό ηλεκτρόνιο και ένα ενεργητικό φωτόνιο, συν το επιπλέον κίβδηλο σήμα ηλεκτρονίου, που στην πραγματικότητα προέρχεται από το κύριο φορτισμένο πιόνιο στο οποίο και διασπάστηκε το γλουόνιο της αρχικής κατάστασης. Επιπρόσθετα, το νετρίνο από την διάσπαση του W έχει αφήνει τον ανιχνευτή παίρνοντας μαζί του και μία σημαντική ποσότητα ορμής, οπότε η ορμή των σωματιδίων που αντιστοιχεί στις παρατηρούμενες ενεργειακές εκλύσεις δεν έχει ως άθροισμα το 0 στο κάθετο επίπεδο: υπάρχει μία σημαντική ελλείπουσα εγκάρσια ενέργεια που είναι ένδειξη της απόδρασης του νετρίνου.

Αλλά για μισό λεπτό, αυτή δεν είναι όλη η ιστορία: υπάρχει και η ηλεκτρομαγνητική «καταιγίδα» την ίδια ακριβώς χρονική στιγμή από το μιόνιο της κοσμικής ακτίνας. Αυτό το ενεργειακό υπόλοιπο ταιριάζει ακριβώς με την υπογραφή από ένα δεύτερο ενεργητικό φωτόνιο. Εν τέλει, αυτό που έχουν στα χέρια τους οι πειραματικοί είναι ένα εκπληκτικά σπάνιο γεγονός: ένα το οποίο φαίνεται να περιλαμβάνει δύο ηλεκτρόνια δύο φωτόνια και μία σημαντική ποσότητα ελλείπουσας εγκάρσιας ενέργειας. Ο τίτλος που θα του αποδοθεί είναι το «e-e-gamma-gamma-ΜΕΤ(Missing Energy Transverse)» συμβάν, αλλά μία καλύτερη περιγραφή μάλλον θα ήταν «το συμβάν από άλλο κόσμο».
Ένα «lego» διάγραμμα  του γεγονότος, όπου η κάθε μία κάθετη στήλη προσδιορίζει ένα εντοπισμένο εναπόθεμα ενέργειας στο καλορίμετρο του CDF, κομμένο και ξετυλιγμένο κατά μήκος της αζιμουθιακής γωνίας, φαίνεται παρακάτω. Το γεγονός πυροδότησε ένα μεγάλο ενδιαφέρον, καθώς θεωρήθηκε ως η πρώτη εκδήλωση Υπερσυμμετρίας. Μετέπειτα έρευνες και η εξέταση πολύ μεγαλύτερων δειγμάτων έδειξαν πως το γεγονός δεν θα μπορούσε να αποδοθεί ως νέα φυσική, αλλά, μάλλον, ως σαν μία περίεργη σύμπτωση γεγονότων και σπάνιων, αλλά γνωστών, διαδικασιών εντός του Καθιερωμένου Προτύπου.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/event_another_world-124463
14 Νοεμβρίου 2013

 

About qdsgreek

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