Nu putem înţelege cum operează ştiinţa astăzi fără a înţelege cum se fac descoperirile în fizică particulelor elementare şi care este metoda prin care rezultatele sunt publicate într-o revistă de ştiinţă, după ce sunt analizate şi acceptate de experţi independenţi.
Collider Detector at Fermilab (CDF) este unul din cele două detectoare de particule (alături de DZero) ale acceleratorului de particule Tevatron de la laboratorul american de fizica particulelor Fermilab, de lângă Chicago, SUA. Acceleratorul produce şi accelerează până la energii de 1 TeV (1 terra electron volt) protoni şi antiprotoni. Protonii (materie) şi antiprotonii (antimaterie) au mase egale, dar sarcini electrice opuse. Aceştia au energia de repaus (energia masei) un pic sub 1 GeV. Prin urmare, aceştia sunt acceleraţi la energii de aproape o mie de ori mai mari decât dacă ar fi în repaus, până la viteze mai mari de 99.99% din viteza luminii. Un fascicul de protoni conţine aproximativ 100 de miliarde de protoni, iar unul de antiprotoni aproximativ 10 miliarde (este mai dificil să se producă şi să se acumuleze antimateria, căci are tendinţa de a se anihila cu materia).
Au loc aproximativ 2 milioane de coliziuni de fascicule pe secundă, iar la fiecare coliziune interacţionează în medie doar câte una-două perechi de protoni şi antiprotoni. Cum un proton este format din trei quarcuri plus gluoni care ţin quarcurile împreună (iar un antiproton din trei anti-quarcuri plus gluoni), de fapt la o ciocnire proton-antiproton are loc la nivel elementar o interacţie între un quarc şi un anti-quarc, sau între o pereche de gluoni. Această interacţiune elementară duce la crearea de noi particule subatomice care nu pot fi produse decât la aceste energii mari, iar aceste particule se dezintegrează rapid, rezultând astfel alte particule care apoi traversează diferitele subdetectoare care formează CDF, în fiecare lăsând depuneri de energie. Prin acestea, cercetătorii pot reconstrui apoi traiectoriile acestor particule şi deduce despre ce particula e vorba, ce impuls şi ce energie are.
Modelul Standard, teoria curentă
Studiind în detaliu diverse moduri în care se pot produce particule din aceste coliziuni şi apoi diferite moduri în care se pot dezintegra, fizicienii compară aceste măsurători cu predicţiile în acest sens ale Modelului Standard, care este teoria fizicii particulelor elementare şi a interacţiilor lor. Până acum, nici o măsurătoare nu a contrazis Modelul Standard, în aproape trei decenii de existenţă a teoriei, în ciuda a mii de experimente realizate la acceleratoare de particule şi observate cu ajutorul razelor cosmice. Modelul Standard este cea mai de succes teorie dezvoltată vreodată de umanitate, verificată experimental cu o precizie mai bună de unu la mie. Cu toate acestea, fizicienii sunt convinşi că mai există ceva dincolo de Modelul Standard, noi procese fizice încă nedescoperite, dar care există la nivel elementar, denumite generic "fizică nouă (new physics)".
De ce ar crede fizicienii că există fenomene încă nedescoperite?
Iată doar câteva exemple: Chiar dacă bozonul Higgs va fi descoperit, înseamnă că se va înţelege de ce particulele elementare au masă, iar nu de ce au masele pe care le au. În Univers există un nou tip de materie, de cinci ori mai abundentă decât materia obişnuită (materia întunecată), şi totuşi structura la nivel de particule elementare a materiei întunecate reprezintă în continuare un mare mister. Nu se înţelege încă unde a dispărut antimateria din Univers, dacă în cadrul Big Bang-ului au fost create cantităţi egale de materie şi antimaterie, aşa cum cer legile de conservare. Nu se înţelege de ce există exact trei familii de particule elementare. Şi exemplele ar putea continua.
Diferite particule elementare lasă urme diferite în detector
Detectorul CDF are formă cilindrică, axa să coincizând cu axa protonilor şi antiprotonilor, care se ciocnesc în centrul cilindrului. La aceste energii mari, particulele produse pornesc aproape perpendicular pe axa cilindrului.
Primul detector măsoară impulsul particulelor uitându-se la urmele pe care le lasă şi la curbura lor într-un câmp magnetic foarte intens. Particulele trec printr-un gaz, ionizează atomi în drumul lor, electronii liberi sunt atraşi de nişte electrozi, iar acest curent este măsurat. Cu cât el este mai mare, cu atât impulsul particulei iniţiale era mai mare. Aceasta este o traiectorie ("track").
Urmează calorimetrul, care, aşa cum îi spune numele, măsoară energia. Aici particulele vor interacţiona cu materia până vor depune întreaga energie şi, măsurând creşterea de energie în detector deducem ce energie a avut particula iniţial. Când un electron de mare energie ajunge în acest detector cu o zonă densă de materie, radiază un foton de mare energie, care în câmpul electric intens al atomilor se transformă la rândul lui într-o pereche de materie şi antimaterie, precum electroni şi pozitroni, care la rândul lor emit fotoni, care, la rându-le, se transformă în perechi de electroni şi pozitroni. Acest proces poartă numele de jerbă electromagnetică şi nu pătrunde foarte adânc în materie, epuizându-şi energia. (În paranteză fie spus, tocmai de aceea acceleratoarele lineare de electroni sunt folosite în tratarea cancerului doar la suprafaţă, precum cancerul de piele sau cancerul de sân. Electronul ar produce o jerbă ce depune energie, şi deci poate distruge celule, la suprafaţă, dar nu profund în interiorul organismului).
Cum sunt detectaţi electronii
În afară de electroni, există însă particule formate din quarcuri. Aceştia se denumesc hadroni (denumire familiară poate cititorilor care au auzit de LHC - Large Hadron Collider). Protonii şi neutronii sunt, într-adevăr, hadroni. În cazul nostru, sunt produşi alţi hadroni. Aceştia au interesanta proprietate că depun doar puţină energie la început, pătrund în materie cu atât mai mult cu cât energia lor este mai mare şi abia la o anumită adâncime generează o jerbă, descompunându-se în alte particule, mai puţin masive, care se descompun la rându-le mai departe până când nimic nu se mai poate descompune în continuare. Cu alte cuvinte, hadronii depun energie pe distanţe mai mari şi nu imediat în calorimetru. De aceea, partea aflată mai spre exterior din calorimetru le este dedicată şi se numeşte claorimetru hadronic, iar partea interioară, de mai mici dimensiuni, se numeşte calorimetru electromagnetic (căci pe lângă electroni şi pozitroni, poate detecta şi fotoni).
Cum sunt detectaţi muonii
În afară de electroni şi quarcuri, mai exista o particulă ce apare frecvent în cadrul experimentelor, şi anume miuonul. Miuonul este fratele mai mare al electronului, adică se comportă ca acesta, doar că este de aproximativ 200 de ori mai masiv. Şi cum energia depusă în materie este invers proporţională cu masa la puterea a cincea, rezultă că miuonul nu depune de loc energie în calorimetru. Prin urmare, miuonul este "invizibil" pentru calorimetru, lăsând doar în primul detector o traiectorie. Cum detectăm atunci miuonii? În afară calorimetrului există o bucată mare de oţel al cărei este de a frâna suplimentar miuonii. Există apoi şi câteva detectoare de miuoni. Există unele mai spre interior, iar unele mai spre exterior. Când o traiectorie reconstruită ţinteşte spre detectoarele de miuoni şi există depuneri de energie în ambele detectoare de miuoni consecutive, atunci spunem că s-a reconstruit un candidat de miuon, unul cu şansă foarte bună de a fi un miuon adevărat. Când traiectoria extrapolată trece doar printr-un singur detector de miuoni unde depune energie, nu suntem aşa de siguri că este un miuon adevărat. În unele cazuri este, în alte nu. Trebuie studii detaliate care să clarifice problema.
Mai există o particulă elementară des întâlnită. Este vorba de neutrino, care interacţionează atât de puţin cu materia, încât practic părăseşte detectorul neobservat. Îl observăm sub forma unui dezechilibru în impuls şi energie în cadrul interacţiei elementare.
Evenimente întregi reconstruite
Pentru fiecare coliziune în parte, programe dezvoltate reconstruiesc toţi candidaţii de miuoni, electroni, neutrino, jerbe (sau jeturi) provenind din quarcuri. Apoi, cei aproape 600 de cercetători de la CDF se organizează în grupuri şi subgrupuri şi studiază datele experimentale colectate pentru anumite tipuri de evenimente, ce lasă anumite urme în detector. În cazul de faţă, cercetătorii s-au uitat la cazurile în care au fost detectaţi doi candidaţi de miuoni, dar de sarcini electrice opuse. Se căutau astfel cazuri de producere de perechi de materie şi antimaterie (miuon, antimiuon). Aceste particule apar a "izvorî" fie chiar de la locul coliziunii, fie de la câţiva milimetri de locul coliziunii, în cazul în care apar din dezintegrarea de hadroni care conţin quarcul bottom.
Descoperire sau nu?
Ei bine, în acest articol se menţionează şi că unele perechi de miuoni şi antimiuon apar a izvorî de la o distanţă de aproape 50 de ori mai mare, la o distanţă de aproximativ 10 cm de locul coliziunii. Dacă ar fi cu adevărat aşa, ar putea fi o fluctuație statistică (adică există câteva cazuri rare când hadronii se dezintegrează şi după distanţe lungi). Dar ar mai putea fi o posibilitate, anume că o particulă nouă, încă nedescoperită, masivă, să se descompună în această pereche miuon-antimiuon. Aceasta ar fi o primă indicaţie pentru existenţa unor procese noi, încă nedescoperite, în fizică. Întrebarea este însă cât de siguri suntem că acei miuoni şi antimiuoni sunt reali şi nu doar alte particule care par a fi miuoni? Acest fenomen este denumit "fake" (fals).
Muoni falşi?
În mod normal, un jet de particule îşi depune toată energia în calorimetrul hadronic. În cel mai rău caz şi-o depune în stratul de oţel ce urmează apoi pentru a opri muonii. Totuşi, există şi jeturi de foarte mare energie, cărora le mai rămâne puţină energie chiar şi după ce trec de bucata de oţel. Inevitabil, ei vor depue energie şi în detectoarele de muoni. Dacă cumva în aceeaşi coliziune, una din numeroasele traiectorii de particule este extrapolată spre acel detector de muoni, se zice ... gata, iată un muon. Dar de fapt niciodată în fizica particulelor nu se vorbeşte despre muoni (şi acest lucru a e valabil pentru orice particulă), ci de candidaţi de muoni. Căci poate este, poate nu. De cele mai multe ori este, dar câteodată nu, iar măsurarea precisă a raportului dintre ele vine dintr-o înţelegere bună a detectorului, ceea ce presupune ani de analize. (În paranteză fie spus, şi detectoarele de la LHC vor trece prin acest stadiu de calibrare, ceea ce va însemna poate cel puţin un an înainte de a începe să producă rezultate fizice concrete).
Cum este trimis un articol spre publicare
Ei bine, această analiză a fost efectuată aşadar de un grup restrâns de cercetători. Dar întotdeauna, rezultatele sunt publicate sub numele întregii colaborări. Este specific fizicii particulelor, căci fiecare membru al colaborării contribuie cu ceva la procesul de colectare de date (construind un subdetector, sau dezvoltând cod de analiză, de exemplu) iar apoi fiecare foloseşte datele culese, dar pentru a se uita la un singur proces în detaliu. Rezultatele obţinute sunt ale întregii colaborări şi în mod normal toţi devin autori ai articolului. Deoarece articolul exprimă opinia şi răspunderea ştiinţifică a autorului, este recomandat ca toţi să citească fiecare articol trimis spre publicare. Cum colaborarea CDF produce aproximativ 50 de articole pe an, adică aproximativ unul pe săptămână, un singur om nu poate ţine pasul cu toate. De aceea, prin tragere la sorţi sunt alese câteva instituţii care trebuie să citească atent şi să trimită comentarii la un anumit articol. Există două runde de corectură, există nişte cercetători ce supraveghează articolul în curs spre publicare în mod constant şi interacţionează cu autorii. Aceasta este procedura normală.
Cu toţii analizând acest articol controversat
De data aceasta, datorită potenţialului de a descoperi cu adevărat pentru prima dată un semnal clar dincolo de Modelul Standard, conducerea CDF a decis că fiecare instituție trebuie să citească articolul şi să urmărească această analiză. La început, autorii doreau să spună clar în articol că s-ar fi găsit o fizică nouă şi chiar propuneau un model teoretic simplificat care reproducea acele rezultate (adică ce masă ar trebui să aibă particula care se dezintegrează, după ce lanţ de dezintegrare şi aşa mai departe). Majoritatea colaboratorilor însă s-au opus, nefiind convinşi că era vorba cu adevărat de miuoni, cerând o analiză mai detaliată. S-au efectuat noi studii şi s-a propus din nou spre publicare articolul, fără a se mai pretinde în articol că se observă fenomene specifice unei noi fizici (o mare schimbare!). Se spunea însă pe bună dreptate că aceste evenimente explică unele neconcordanţe ce existau în măsurători precedente de la CDF care implicau hadroni conţinând quarcuri bottom care se dezintegrau în miuoni. Se spunea, şi tot corect, că aceste evenimente nu pot fi explicate la nivelul pe care îl avem în prezent de înţelegere a detectorului CDF şi a teoriei Modelului Standard. Se spunea de asemenea în mod justificat că studiile vor continua. Însă ceea ce nu se accentua este faptul că este vorba de candidaţi de miuoni, iar nu miuoni. Adică aici mai mult ca niciodată trebuia accentuat şi mai clar că prin definiţie nu tot ce vedem în detector este ceea ce pare să fie.
O treime din cercetători şi-au retras numele
În ciuda acestor progrese, o treime din colaboratori au decis să nu semneze acest articol, adică să nu îşi asocieze numele cu articolul (atenţie, în formă curentă). Însă toţi sunt entuziaşti de posibilul rezultat, dar tocmai fiindcă ar putea fi un rezultat foarte mare, ei recomanda răbdare, studii aprofudate şi publicarea unui articol când înţelegem detectorul şi conchidem că nu e fizica nouă (caz în care poate nu merită să fie publicat un articol), ori când înţelegem detectorul şi conchidem că e fizica nouă (şi atunci ar fi o mare mare descoperire). Grupul canadian al CDF (între care şi eu) a ales pentru a nu fi trecuţi ca autori ai articolului, iar motivul principal a fost cel al neaccentuării că este vorba de candidaţi de miuoni şi nu neapărat de miuoni.
În final, a fost trimis spre publicare
Articolul a fost aşadar trimis spre publicare. Ce înseamnă aceasta? Articolul a fost publicat imediat pe siteul internet ArXiv unde fizicienii din fizica particulelor îşi publică imediat articolele după ce le-au trimis oficial la revista de ştiinţă. Tocmai pentru că procesul de evaluare a analizei şi rezultatului de către alţi experţi în domeniu ("peer-review") ia cam jumătate de an, fizicienii vor ca ai lor colegi să afle imediat de rezultatul lor şi să înceapă să îl folosească. De aceea se publică online pe ArXiv. Dar atenţie, abia mult mai târziu, vine şi acceptarea oficială în revista ştiinţifică, ceea ce înseamnă că formal, alţi experţi independenţi au recunoscut articolul şi nu văd probleme cu el. A publica un articol nu înseamnă doar că îl faci disponibil altora (pentru asta se pune pe ArXiv), ci înseamnă că rezultatul este acceptat de alţi experţi independenţi din acelaşi domeniu, ceea ce oferă o garanţie mai mare rezultatului în sine. Aşadar, vom afla peste jumătate de an dacă articolul va fi acceptat de revistele de fizică ...
Apoi, un articol teoretic ...
Ceea ce ştim însă este ca la doar câteva zile a apărut şi un articol teoretic care explica ce particula ar putea produce în dezintegrarea ei acei miuoni. Acei "teoreticieni" care au produs articolul sunt de fapt autorii iniţiali ai analizei din CDF. Colaborarea nu le-a dat voie să lege teoria lor de numele colaborării, aşa că au trimis-o spre publicare pe cont propriu.
Să fim entuziaşti sau sceptici?
Presa din întreaga lume imediat s-a aruncat asupra ştirii, accentuând desigur că este neclar dacă este vorba de fizică nouă sau de o neînţelegere a detectorului nostru. Merită să fim entuziasmaţi, dar trebuie să fim precauţi. Ia mult timp pentru ca experimentul să îşi confirme propriile rezultate. Ideal ar fi ca şi alt experiment să încearcă să reproducă aceasta şi să vadă dacă observă sau nu acelaşi efect.
