Misiunea zero în fizica particulelor este în prezent găsirea răspunsului la întrebarea „există sau nu bosonul Higgs”, ultima particulă elementară încă nedescoperită, dar prezisă de teoria oficială, care va explica misterul originii masei la nivel fundamental.
În ce manieră se încearcă producerea unui boson Higgs? Cum este acesta căutat la acceleratoare de particule? Vom oferi un răspuns la aceste întrebări exemplificând pentru cazul experimentului CDF, de la acceleratorul Tevatron (laboratorul american Fermilab).
Căutarea bosonului Higgs este pe bună dreptate „Sfântul Graal” al fizicii particulelor elementare, domeniul ştiinţei care studiază legile fundamentale ale universului mic (lumea cuantică). Dacă se va dovedi că există, bosonul Higgs va confirma teoria curentă, modelul standard al fizicii particulelor, care de peste trei decenii explică corect toate rezultatele experimentale înregistrate la acceleratoarele de particule. Dacă însă se va descoperi că bosonul Higgs nu există, teoria curentă va fi infirmată şi va fi nevoie de o altă teorie care să explice datele experimentale de până acum într-un mod complet diferit.
Acceleratorul Tevatron, de la laboratorul american Fermilab
Bosonul Higgs, confirmarea unui model sau revoluţia în fizică
Acest din urmă scenariu ar duce la o revoluţie în fizică. Întrebarea privind existenţa bosonului Higgs este veche de circa 45 de ani, dar cercetătorii sunt siguri că în următorii 5-6 se va ajunge la un răspuns ferm, odată pentru totdeauna. Asta datorită excelentei funcţionări a mai vechiului accelerator Tevatron de la laboratorul american Fermilab de lângă Chicago, SUA şi datorită recentei intrări în funcţiune a acceleratorului Large Hadron Collider (LHC) de la laboratorul european CERN de la Geneva, Elveţia.
În continuare voi prezenta modul în care se încearcă producerea de bosoni Higgs şi detectarea acestora. Voi lua ca exemplu experimentul Collider Detector de la Fermilab (CDF) - acceleratorul Tevatron, căci îmi este cel mai familiar, fiind experimentul la care am făcut cercetare în ultimii 5 ani şi de la care voi primi în curând doctoratul. Trebuie menţionat şi faptul că, în exact aceeaşi manieră ca la CDF bosonul Higgs este căutat şi în cadrul experimentului DZero de la acceleratorul Tevatron, iar într-un mod asemănător în cadrul experimentelor ATLAS şi CMS de la acceleratorul LHC.
Să începem cu începutul. La Fermilab există un complex de acceleratoare şi se pleacă la drum cu o butelie micuţă cu molecule de hidrogen gazos, ajungându-se la protoni şi antiprotoni care se deplasează în sensuri contrare în acceleratorul circular Tevatron, cu viteze cu doar 150 de metri pe secundă mai mici decât viteza luminii în vid. În două locuri de pe acest cerc imens ei se ciocnesc frontal, iar din aceste coliziuni apar tot felul de particule noi, între care ar trebui să se numere şi bosonul Higgs, dacă teoriile actuale sunt cele corecte.
În jurul acestor locuri în care au loc coliziunile cercetătorii au construit câte un imens detector de particule, pe care vi-l puteţi imagina ca pe o imensă cameră digitală tridimensională care înregistrează tot ce se întâmplă în interiorul său.
Adrian Buzatu despre căutarea bosonului Higgs
Obţinerea antiprotonilor
Cercetătorii, în jur de 600 la fiecare din cele două experimente, CDF şi DZero, analizează apoi pe calculator urmele lăsate de diversele particule în detectoare, căutându-le pe cele corespunzătoare unui eventual boson Higgs.
Să vorbim puţin şi despre accelerarea particulelor. Este esenţial de înţeles că din moleculele de hidrogen sunt extrase nucleele de hidrogen, adică protonii. Aceştia sunt acceleraţi cu ajutorul câtorva acceleratoare succesive până când ajung la energii de circa 120 de ori masa lor de repaus. La acel moment o parte din protoni sunt ciocniţi de un alt material în repaus (aşadar de alţi protoni), iar din aceste coliziuni se produc multe alte particule subatomice, între care şi antiprotoni, particulele de antimaterie ale protonilor.
Antiprotonii au aceeaşi masă cu protonii, dar au sarcină electrică negativă. Antiprotonii sunt captaţi cu ajutorul unor magneţi (în general o particulă încărcată electric este deviată într-un câmp magnetic; acelaşi principiu este folosit şi pentru a ţine protonii şi antiprotonii în mişcare circulară în acceleratoare).
Ciocniri între protoni şi antiprotoni
Protoni şi antiprotoni sunt apoi introduşi în acceleratorul final, Tevatronul, unde sunt acceleraţi până la energii de aproximativ o mie de ori mai mari decât energia lor de repaus. Ei sunt organizaţi în grupuri. Un grup de protoni cuprinde cam 100 de miliarde de asemenea particule. Un grup de antiprotoni cuprinde doar circa 10 miliarde de particule. De ce de zece ori mai puţini?
Antiprotonii sunt antimaterie, aşadar se anihilează cu materia imediat ce o întâlnesc. Prin urmare, sunt mai greu de produs şi păstrat. Vă întrebaţi, desigur, cum se reuşeşte ca aceşti antiprotoni să nu se anihileze cu materia? Simplu, ei nu se întâlnesc cu nici o particulă de materie! Sunt puşi în mişcare direct într-un tub vidat în prealabil. Tubul are o rază de aproximativ un centimetru, iar cu ajutorul magneţilor foarte puternici de la Tevatron, se reuşeşte ca fasciculul de antiprotoni să nu aibă raza mai mare decât cea a unui fir de păr. Aşadar, într-un sens circulă grupuri câte 10 miliarde de antiprotoni, la viteze apropiate de viteza luminii, iar în sens contrar circulă grupuri de câte 100 de miliarde de protoni, la aceeaşi viteză.
În fiecare secundă au loc aproape 2,5 milioane de coliziuni între un grup de protoni şi unul de antiprotoni. V-aţi aştepta poate ca fiecare antiproton să fie anihilat de un proton, dar nu este aşa. Deşi toate aceste particule intră într-un diametru mic, cel al unui fir de păr, protonii şi antiprotonii au o rază aşa de mică (o milionime de miliardime de metru) încât practic protonii şi antiprotonii sunt foarte depărtaţi unii de alţii. Aceasta face ca la fiecare din aceste coliziuni, doar în jur de două perechi de proton-antiproton să se ciocnească. Fiecare din aceste coliziuni poate produce un boson Higgs, sau alte particule elementare deja descoperite şi studiate (bosoni W, bosoni Z, miuoni, particule tau, quarcuri, gluoni).
100 de evenimente fotografiate, din 2,5 milioane produse
Totuşi, două milioane şi jumătate de coliziuni pe secundă este un număr foarte mare! Fiecare „fotografie” realizată în detector a unei coliziuni ocupă aproximativ 1 MB de memorie. Aşadar, am avea nevoie de o memorie de circa 2,5 TB pentru fiecare secundă! În plus, nu există aparatură electronică capabilă să transmită în fiecare secundă atâtea informaţii. Profitând de faptul că cele mai multe din aceste 2,5 milioane de coliziuni sunt produceri de particule deja cunoscute şi studiate şi că pe fizicieni îi interesează mai ales producerea de fenomene rare, prezise de teorie, precum bosonul Higgs, fizicienii ajung la un compromis.
Ei aleg şi păstrează în fiecare secundă doar circa 100 de evenimente dintre cele 2,5 milioane! Această selecţie este realizată de super-calculatoare precum cele din imaginea de mai jos.
În imagine, autorul articolului, Adrian Buzatu
Secundă de secundă, câte o sută de evenimente noi sunt adăugate pe hard disk şi apoi sunt studiate detaliat, în cele mai mici amănunte, de cercetători. Bosonul Higgs poate fi produs în multe moduri, dar vom exemplifica doar unul dintre ele, anume acela pe care l-am căutat eu în cadrul tezei mele de doctorat.
Acest proces este descris de imaginea 2, pe care o vom comenta pas cu pas. Imaginea reprezintă o diagramă Feynman, de la numele unui mare fizician care a descoperit acest mod simplu şi elegant de a vizualiza şi calcula procesele subatomice. Diagrama trebuie interpretată de la stânga la dreapta.
Astfel, vedem cum un proton şi un antiproton se ciocnesc. Mai exact, un quarc din cadrul protonului şi un antiquarc din antiproton intră în contact, celelalte două quarcuri şi două antiquarcuri mergând mai departe nedeviate. Quarcul şi antiquarcul care se ciocnesc se anihilează, iar în locul lor apare o particulă nouă, bosonul W, a cărei masă este de aproximativ 80 de ori mai mare decât masa unui proton.
Iată de ce este nevoie ca protonii şi antiprotonii să fie acceleraţi la energii mari: o parte din energia lor de mişcare se transformă conform celebrei E=mc2 în masa unor particule noi, foarte interesante. Acest boson W emite un boson Higgs, într-un proces similar celor prin care un electron poate emite un foton. Mai departe, bosonul W se dezintegrează într-un electron şi un neutrino electronic (ori în perechi miuon, neutrino miuonic, respectiv lepton tau, neutrino tauonic – ştim deja că miuonii şi leptonii tau sunt un fel de „fraţi” mai mari ai electronilor şi că fiecăruia îi corespunde câte un tip propriu de neutrino). În schimb, bosonul Higgs se dezintegrează într-un quarc bottom şi un antiquarc bottom.
Cercetătorii caută aşadar un fenomen care produce în detector un electron sau miuon, un neutrino şi două quarcuri. Mai întâi,ei identifică toate aceste evenimente, iar apoi studiază atent care din acestea provin de fapt dintr-un boson W şi boson Higgs produşi împreună.
Căutarea unui ac în miliarde de miliarde de care cu fân
Deocamdată, un astfel de fenomen nu a fost observat, iar bosonul Higgs rămâne nedescoperit. Dar, pe măsură ce cercetătorii colectează mai multe coliziuni şi cu cât tehnicile lor de analiză statistică se îmbunătăţesc, cu atât creşte şansa de a fi descoperit bosonul Higgs, care, dacă există, este un fenomen foarte rar.
Căutarea lui este ca şi căutarea unui ac în miliarde de miliarde de care cu fân! Cel mai recent rezultat în cadrul eforturilor de căutare a bosonului Higgs a venit de la combinarea rezultatelor experimentelor CDF şi DZero de la Fermilab. Astfel, s-a exclus o mare parte din teritoriul unde s-ar putea "ascunde" bosonul Higgs.
