Πώς κατέληξε το Higgs να είναι ο στόχος του Run 2 στο Tevatron

Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 90, όταν και άρχισε η αναβάθμιση του επιταχυντή LEP με σκοπό να μελετηθούν οι συγκρούσεις ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου σε υψηλότερες ενέργειες από αυτές που ερευνούσαμε έως τότε (κοντά στη μάζα του Ζ), το μποζόνιο Higgs δεν αποτελούσε κυρίαρχο στόχο για τα πειράματα υψηλών ενεργειών. Ο λόγος για αυτό είναι πως η προβλεπόμενη ενεργός διατομή για το σωματίδιο Higgs ήταν απαγορευτικά μικρή για τις συγκριτικά χαμηλές φωτεινότητες που ήταν διαθέσιμες εκείνη την εποχή. Φυσικά, θα μπορούσε κανείς να ψάξει για έναν ανώμαλα υψηλό ρυθμό παραγωγής τελικών καταστάσεων οι οποίες διέθεταν τα χαρακτηριστικά μιας διάσπασης μποζονίου Higgs· αλλά τέτοιου είδους έρευνες είχαν περιορισμένη απήχηση.

Μία αρχική αξιολόγηση των πιθανοτήτων του CDF, να βρει το μποζόνιο Higgs στο Run 2, έγινε από τον Steve Kuhlmann, ο οποίος το 1995 μελέτησε το πως θα μπορούσε να βρεθεί σήμα Higgs σε διαδικασίες οι οποίες περιλαμβάνουν και μποζόνια W. Το μποζόνιο Higgs μπορεί να παραχθεί και μόνο του στις συγκρούσεις πρωτονίου-αντιπρωτονίου, όμως τότε είναι σχετικά δύσκολο να το ανιχνεύσει κανείς, διότι τις περισσότερες φορές η διάσπαση του δίνει ζεύγος από πίδακες b-κουάρκ. Τέτοια γεγονότα δύο πιδάκων χωρίς άλλα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, δεν μπορούν να συλλεχθούν από το σύστημα σκανδαλισμού (trigger system) όσο αποτελεσματικά χρειάζεται – για την ακρίβεια απέχουν πολύ από αυτό: οι jet triggers είναι προγραμματισμένοι έτσι ώστε μόνο ένα μικρό ποσοστό των γεγονότων πιδάκων να στέλνεται στο output stream.

Αντίθετα, η συνδυασμένη παραγωγή ενός σωματιδίου Higgs και ενός διανυσματικού μποζονίου (ενός W ή ενός Z), παρότι συμβαίνει σε ποσοστό δέκα φορές μικρότερο, προσφέρει πολύ καλύτερες συνθήκες για μια ευαίσθητη έρευνα στον Tevatron, μιας και η διάσπαση W ή Z σε ενεργητικά ηλεκτρόνια ή μιόνια δίνει μία άψογη triggering signature. Ο Kuhlmann είχε ερευνήσει πως θα μπορούσαν να ανακατασκευαστούν οι διασπάσεις Higgs σε ζεύγη πιδάκων b-κουάρκ, και είχε αρχίσει να μελετάει λεπτομερώς το πως οι διορθώσεις στη μετρούμενη ενέργεια των πιδάκων θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ευκρίνεια στη μάζα δύο πιδάκων (dijet mass resolution), τονώνοντας έτσι την ευαισθησία στο σήμα. Από τα αποτελέσματα του προέκυπτε πως η ανακάλυψη του Higgs ήταν δυνατή, αν και θα απαιτούσε υψηλή φωτεινότητα – ένα Run 2, δηλαδή, μακράς διάρκειας.

Η έρευνα του Kuhlmann ήταν εν τέλει αποφασιστική για το μέλλον του CDF, από τη στιγμή που έγινε σαφές πως θα έπρεπε να επιδιωχθεί μία διευρυμένη περίοδος λειτουργίας υψηλής φωτεινότητας του Tevatron μετά το τέλος του Run 1 και την αναβάθμιση του επιταχυντή. Το Σεπτέμβριο του 1993 ο Υπεραγώγιμος Υπερεπιταχυντής συγκρουόμενων δεσμών (SSC) είχε ακυρωθεί οριστικά με την ψήφο του Κογκρέσου των Ηνωμένων Πολιτειών. Αυτός ο επιταχυντής υποσχόταν να ανακαλύψει το μποζόνιο Higgs και να βρει λύση στο αίνιγμα του σπασίματος συμμετρίας στην ηλεκτρασθενή θεωρία. Η κατάρρευση αυτού του σχεδίου ήταν ένα γερό χτύπημα για τη σωματιδιακή φυσική και άφησε ένα μεγάλο κενό στο πρόγραμμα των ΗΠΑ για τη φυσική υψηλών ενεργειών. Παρ’ όλα αυτά, ο διευθυντής του εργαστηρίου John Peoples δεν έκρυψε την έλλειψη ενδιαφέροντος για τις υψηλές ενέργειες· προτιμούσε μία ανάπτυξη στον τομέα της σωματιδιακής αστροφυσικής, μιας και θεωρούσε πως η κατεύθυνση όλων των προσπαθειών του εργαστηρίου προς μία πολύ σημαντική επένδυση στο Run 2 του Tevatron θα έθετε σε κίνδυνο τις προοπτικές του Fermilab σε βάθος χρόνου: θα ήταν ένα πολύ σημαντικό σχέδιο, αλλά δεν θα ταίριαζε καλά με τις άλλες ερευνητικές προσπάθειες που έπρεπε να κυνηγήσει το εργαστήριο.

Το πλάνο του Peoples ήταν να υπάρξει ένα Run 2 με αναβαθμισμένες τις διατάξεις του ανιχνευτή, ο οποίος θα περιελάμβανε πλέον έναν «main injector» ικανό να ενισχύσει τη φωτεινότητα, αλλά να συλλεχθούν από τα πειράματα μόνο 500 inverse picobarns δεδομένων – μόλις πέντε φορές περισσότερα από αυτά που διέθεσε συνολικά το Run 1 του Tevatron μέχρι το τέλος του 1995. Έπειτα, θα ακολουθούσε η παρόπλιση των CDF και DZERO, και η προσοχή θα στρεφόταν σε άλλα projects. Πολλοί εντός του CDF θεώρησαν πως κάτι τέτοιο ήταν απλά τρελό: το Tevatron ήταν ο μεγαλύτερης ενέργειας επιταχυντής στον κόσμο και θα κρατούσε αυτόν τον τίτλο για μια δεκαετία ακόμα. Η λήψη 500 inverse picobarns και μετά τέρμα έμοιαζε με γκάφα γιγαντιαίων διαστάσεων. Η αλλαγή, όμως, των πλάνων του διευθυντή απαιτούσε πολύ ισχυρά επιχειρήματα υπέρ μίας επέκτασης της περιόδου λειτουργίας: οι πειραματικοί έπρεπε να ενώσουν τις δυνάμεις τους, αφού μία προσπάθεια μόνο του ενός από τα δύο πειράματα θα είχε πολύ μικρές πιθανότητες να ευδοκιμήσει.

Ο Dante Amidei ήταν ένας από αυτούς που άρχισαν να σκέφτονται πολύ σοβαρά αυτό το ζήτημα. Μία μέρα, το φθινόπωρο του 1994, συνάντησε τυχαία στο αεροδρόμιο O’Hare του Σικάγο τον συνάδελφο του στο DZERO Chip Brock. Σύντομα ανακάλυψαν πως το άγχος για το μέλλον της φυσικής επιταχυντών στις ΗΠΑ ήταν κοινό, και ξόδεψαν τον υπόλοιπο χρόνο πριν την πτήση τους συζητώντας για τρόπους με τους οποίους θα μπορούσε να διευρυνθεί το πεδίο εφαρμογής του Run 2, και για το πως θα έδιναν ισχυρά επιχειρήματα, από φυσικής απόψεως, για να δοθεί η επιθυμητή παράταση.

Αρχικά, φαινόταν σαν να έπρεπε το τοπ κουάρκ να είναι το κύριο κίνητρο για μια διευρυμένη έρευνα: αυτό το σωμάτιο ήταν ένα βήμα πριν να ανακαλυφθεί και η ανακάλυψη του θα προσέλκυε τα μέσα ενημέρωσης, κάτι το οποίο θα είχε θετική επιρροή στα πειράματα. Το τοπ ήταν πολύ βαρύ και το γεγονός αυτό από μόνο του θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ένδειξη ότι νέες ανακαλύψεις θα κρύβονταν στη φαινομενολογία του: πιθανόν οι διασπάσεις του να διέφεραν από τις προβλέψεις, ή κάποιες διαδικασίες που περιελάμβαναν αυτό το νέο σωματίδιο να μπορούσαν να γίνουν tag νέας φυσικής. Η υπερσυμμετρία, για παράδειγμα, θα μπορούσε σε κάποιες εκδοχές της να έχει «ανεστραμμένη ιεραρχία (inverse hierarchy)» όσον αφορά τα s-κουάρκς, έτσι ώστε ο υπερσυμμετρικός παρτενέρ (superpartner) του τοπ κουάρκ να είναι ο ελαφρύτερος όλων. Δεδομένης τώρα της φυσικής προσδοκίας πως τα κουάρκς και τα s-κουάρκς της ίδιας γενιάς θα είναι πιο ισχυρά συζευγμένα μεταξύ τους από ό,τι με σωματίδια άλλων γενεών, έβγαινε το συμπέρασμα πως η μελέτη του τοπ κουάρκ θα μπορούσε να αποτελέσει το μέσο για την ανίχνευση της υπερσυμμετρίας.

Σύντομα σχηματίστηκε ένα κίνημα από τη βάση του CDF και του DZERO, και ξεκίνησε ένα project με την ονομασία «TeV 2000». Η πρώτη συγκέντρωση έγινε στο πανεπιστήμιο του Michigan στις 21 Οκτωβρίου του 1994, με τη συμμετοχή πάνω από 100 φυσικών από το Fermilab. Υπήρχε η άποψη πως θα ήταν δύσκολο να υποστηρίξουν μία παράταση του Run 2 μόνο με τη φυσική του τοπ κουάρκ. Έτσι, άρχισαν από διάφορες επιστημονικές ομάδες μελέτες γύρω από την υπερσυμμετρία, την ηλεκτρασθενή φυσική, και εξωτικά αντικείμενα. Τότε ήταν που έπεσε ο Amidei πάνω στις έρευνες του Kuhlmann. Οι μελέτες αυτές ήταν τέλειες για τον σκοπό της αναφοράς που έγραφαν. Ο Kuhlmann είχε εκτιμήσει τις πιθανότητες μίας ανακάλυψης του Higgs ως συνάρτηση της μάζας του Higgs και της διαθέσιμης συνολικής φωτεινότητας. Στο CDF-note 3342, με τίτλο «Θα βρούμε το Higgs στο Run 2«, έγραφε:

    Η ανακάλυψη ενός Higgs με μάζα 100-130 GeV μόνο από αυτό το κανάλι, με μόλις 5-10 inverse femtobarns, θα είναι […] ένα δύσκολο εγχείρημα […]. Πιστεύουμε πως η ανίχνευση ενός Higgs, για παράδειγμα στα 120 GeV, απαιτεί 25 inverse femtobarns δεδομένων […].

Σήμερα, η αρχική αξιολόγηση του Kuhlmann το 1995 μοιάζει εκπληκτικά ακριβής, δεδομένου του ότι το σωματίδιο Higgs μάζας 125 GeV έδωσε ένα σήμα λίγο κάτω από τα 3 σίγμα στα 10 inverse femtobarns δεδομένων που συλλέχθηκαν από το Tevatron έως το 2011: πολλαπλασιάστε τώρα αυτά τα 10/fb δεδομένων επί 2.5, και βρίσκεστε στην κατάλληλη περιοχή για ένα σήμα σημαντικότητας 5 σίγμα!

Ασχέτως της ακρίβειας αυτής της αξιολόγησης του Kuhlmann, η μελέτη του αποτέλεσε το σημείο καμπής για τα πλάνα του εργαστηρίου, τα οποία πορεύτηκαν τότε προς μία ισχυρότερη δέσμευση: έγινε σύντομα σαφές πως το καλύτερο που είχαν να κάνουν ήταν να ενισχύσουν τις πιθανότητες να ανακαλυφθεί το Higgs. Κατά τη διάρκεια όλων των εκθέσεων του TeV 2000, το κοινό έδειχνε αμέσως την υποστήριξή του για την παράταση του Run 2 από τη στιγμή που ακουγόταν ότι υπάρχει ένα κατώφλι φωτεινότητας, πάνω από το οποίο τα πειράματα θα είχαν σοβαρές πιθανότητες να ανακαλύψουν το  μποζόνιο Higgs. Εάν το Higgs ήταν ελαφρύτερο από 100 GeV, η απαιτούμενη φωτεινότητα δεν ήταν απαγορευτικά υψηλή, αλλά θα ήταν οπωσδήποτε πολύ μεγαλύτερη από τα 500 inverse picobarns που είχαν σχεδιάσει αρχικά να συλλέξουν.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/how_the_higgs_became_the_target_of_run_2_at_the_tevatron-143815
31 Αυγούστου 2014

About qdsgreek

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

Μία απάντηση στο Πώς κατέληξε το Higgs να είναι ο στόχος του Run 2 στο Tevatron

  1. Παράθεμα: Πώς κατέ&la...

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