Zespół badaczek z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie wykrył obecność kwarków szczytowych w sposób, jaki nikomu wcześniej się to nie udało. Dzięki obserwacji możemy wkrótce lepiej poznać pierwsze chwile istnienia Wszechświata.
Do wielkiego wybuchu miało dojść około 14 miliardów lat temu. Tuż po nim, przez ułamek sekundy, to co dzisiaj określamy mianem wszechświata, miało mieć postać plazmy kwarkowo-gluonowej – skrajnie gorącej i gęstej materii. Model standardowy, a więc teoria stanowiąca podłoże współczesnej fizyki, przewiduje, że w plazmie kwarkowo-gluonowej występowały m.in. kwarki szczytowe. Według tego modelu to najcięższe z sześciu typów istniejących kwarków. Gdy plazma zaczęła stygnąć, te lżejsze w połączeniu z gluonami zaczęły tworzyć protony i neutrony. Te najcięższe rozpadły się jednak zbyt szybko i obecnie nie występują w przyrodzie samoistnie.
Aby mieć szansę je zaobserwować, naukowcy przeprowadzają zderzenia cząstek w takich akceleratorach, jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w Szwajcarii. W tym celu rozpędzają protony lub jądra ołowiu do ogromnych prędkości, bliskich prędkości światła, a specjalna aparatura pozwala im wychwycić elementy powstałe w wyniku zderzenia i na ich podstawie zrozumieć zachodzące w trakcie reakcje. Szanse na wytworzenie plazmy kwarkowo-gluonowej rosną, jeśli dwa jądra zderzają się centralnie. Jeśli zderzenie jąder jest peryferyczne – maleją. Zgodnie z przewidywaniami, w wyniku zderzenia jąder atomowych materia powinna na ułamek sekundy przybrać stan bliski temu z pierwszych chwil istnienia wszechświata. W istniejącej wtedy plazmie kwarkowo-gluonowej, zanim ta się ochłodziła, kwarki szczytowe miały swobodnie się poruszać. Poza laboratorium plazma kwarkowo-gluonowa występuje dziś w ścisłym wnętrzu gwiazd neutronowych.
Odsianie danych z szumu
Obserwacja kwarków szczytowych, inaczej kwarków top lub kwarków t, jest niezwykle trudna – ze względu na swoją dużą masę szybko się rozpadają. Ich średni czas życia wynosi 10⁻²⁵ sekundy, czyli jedną dziesięciokwadrylionową sekundy. To mniej niż czas potrzebny fotonowi (cząstce światła) na przebiegnięcie przez pojedynczy atom wodoru! Dlatego zamiast próbować uchwycić same kwarki szczytowe, fizycy badają je, mierząc produkty ich rozpadu.
Pierwszej obserwacji świadczącej o istnieniu kwarków szczytowych dokonano zaledwie 30 lat temu, dlatego ten obszar badawczy to wciąż wiele niewiadomych, które stanowią ciekawy temat badawczy i przyciągają naukowców. Jak przyznaje prof. Iwona Grabowska-Bołd z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH, ze względu na to, że są najcięższymi cząstkami modelu standardowego (cięższymi nawet od bozonu Higgsa), muszą mieć jakieś szczególne właściwości. Mają być bardzo czułe na różne efekty, których fizycy jeszcze nie odkryli, dlatego ich badanie niesie nadzieję na zaobserwowanie czegoś nowego.
Pierwsza obserwacja kwarków szczytowych miała miejsce w USA w wyniku zderzenia proton-antyproton. Zderzacz hadronów LHC, z którego korzystały badaczki z AGH, pozwolił na podniesienie energii zderzenia względem pierwszej obserwacji o cały rząd wielkości – aż do 13,6 TeV (prawie 14 000 000 000 000 eV!). A to otworzyło przed fizykami nowe możliwości poszukiwania różnych cząstek i pozwoliło im na znacznie bardziej precyzyjne badania przewidywań modelu standardowego.
Co jednak istotne, dotychczas obserwacji kwarków szczytowych udało się dokonywać tylko przy zderzeniach proton-antyproton lub proton-proton. Chociaż ten ostatni rodzaj zderzeń jest najczęściej przeprowadzanym na LHC, to przeprowadza się także zderzenia mieszane (np. proton-ołów) czy zderzenia samych jąder atomowych. Prof. Grabowska-Bołd oraz jej doktorantka mgr inż. Patrycja Potępa wraz z zespołem zdecydowały się na zbadanie właśnie tej ostatniej możliwości – poszukiwały śladów kwarków szczytowych w zderzeniu jonów ołowiu, czyli tzw. zderzeniach ołów-ołów.
Duże znaczenie dla takiego wyboru miał fakt, że zderzenia jonów ołowiu szczególnie dobrze nadają się do odtworzenia warunków panujących w bardzo młodym wszechświecie. Jony ołowiu to po prostu atomy pozbawione wszystkich elektronów. Z uwagi na dużą masę jonów ołowiu w zderzeniach powstaje materia o ekstremalnej gęstości i temperaturze. Zaobserwowanie kwarków szczytowych w zderzeniach ołów-ołów jest jednak trudniejsze niż uchwycenie ich w zderzeniach proton-proton.
– Ołów jako jądro atomowe składa się z wielu nukleonów, z 208 nukleonów – protonów i neutronów. I przy takich zderzeniach, oprócz tego interesującego procesu, powstaje bardzo dużo tła ze zderzeń innych protonów i neutronów – wyjaśnia mgr inż. Patrycja Potępa, liderka grupy przeprowadzającej analizę danych.
Kluczowym zadaniem fizyków jest odsianie z danych tego szumu i stwierdzenie czy występuje w nich sygnał świadczący o obecności produktów rozpadu kwarka szczytowego, czy nie.
Pierwsza taka obserwacja na świecie
Kwark szczytowy rozpada się na bozon W i kwark b. Ale na tym nie koniec, bo następnie bozon może rozpadać się na dwa kwarki albo na lepton (np. mion lub elektron) i neutrino. W tym badaniu naukowcy skupili się na analizie przypadków, w których produkowane były pary kwarków top (jest to bardziej prawdopodobne zdarzenie niż produkcja pojedynczego kwarka top). Następnie uległy one rozpadowi na dwa bozony W i dwa kwarki b. Dalej jeden bozon W rozpada się na elektron i neutrino elektronowe, a drugi na mion i neutrino mionowe. Zatem po rozpadzie dwóch kwarków szczytowych, ostatecznie powinien powstać elektron, mion, dwa neutrina i dwa kwarki b.
Czy jeśli je zaobserwujemy, to możemy być pewni, że są pochodnymi właśnie kwarków szczytowych, a nie produktem ubocznym jakiegoś innego procesu?
– Do końca nie możemy być pewni, dlatego musimy rozważyć nie tylko ten proces, który nazywamy sygnałem, czyli produkcję dwóch kwarków t, ale też wszystkie inne procesy, które mają taki sam stan końcowy i te nazywamy tłem. I teraz w danych widzimy sumę – i sygnału, i tła; wszystko zmieszane. Natomiast żeby stwierdzić jaki jest procent sygnału, a jaki tła, to musimy zrobić symulację – nazywamy ją symulacją Monte Carlo – i przeprowadzić złożoną analizę statystyczną. Dopiero na ich podstawie stwierdzamy, że tyle procent jest sygnału, a tyle procent tła – wyjaśnia doktorantka.
Wyniki uzyskane przez zespół badaczek z AGH pozwalają stwierdzić, że w wyniku zderzenia ołów-ołów na LHC rzeczywiście powstały kwarki szczytowe. To pierwsza taka obserwacja na świecie – dotychczas żadnemu zespołowi nie udało się przedstawić na tyle przekonujących danych, by móc z pewnością stwierdzić, że zaobserwowano kwark szczytowy w zderzeniu ołów-ołów. W przypadku pomiaru, który przeprowadziły badaczki z AGH ilość zaobserwowanych przypadków jest jednak na tyle wysoka (22), a prawdopodobieństwo uzyskania takiego wyniku w drodze przypadku na tyle niskie, że dowody uznano za wystarczające (wyniki przekroczyły istotny w fizyce próg 5 σ, a to oznacza, że prawdopodobieństwo, iż obserwowany sygnał jest fluktuacją tła, wynosi mniej niż 1 na 3,5 miliona).
Wynik jest spójny z przewidywaniami modelu standardowego oraz teorią wielkiego wybuchu i wynikającą z niej ewolucją wszechświata. Wskazuje, że po zderzeniu ciężkich jąder atomowych faktycznie powstały kwarki szczytowe, których produkty rozpadu udało się zaobserwować po zderzeniu. Wykazanie możliwości obserwacji kwarków szczytowych w takim procesie może poszerzyć naszą wiedzę o początkach wszechświata. Naukowcy mają nadzieję, że taka obserwacja da im możliwość lepszego poznania właściwości plazmy, zrozumienie działających w niej mechanizmów i prześledzenie ewolucji czasowej, czyli zrozumienia tego, co, krok po kroku, działo się w plazmie po wybuchu.
– Zanim w ogóle kwarki szczytowe zostały odkryte w naszym badaniu, ludzie postulowali: trzeba zmierzyć kwarki szczytowe, bo one dostarczą nowych możliwości do badań ewolucji czasowej. To znaczy będziemy próbowali podzielić te różne etapy tego, co się dzieje z tą plazmą kwarkowo-gluonową, bo my ją wytwarzamy w zderzeniach ciężkich jonów, natomiast ona bardzo szybko stygnie, rozszerza się i tak naprawdę przestajemy mieć plazmę kwarkowo-gluonową po bardzo krótkim czasie. W związku z tym chcielibyśmy podzielić ten czas, w którym istnieje plazma kwarkowo-gluonowa, na różne etapy i kwarki szczytowe dostarczają nam takiej możliwości – możemy zacząć patrzeć w takie okienka czasowe i podgląda,ć co tam się w tej plazmie kwarkowo-gluonowej dzieje – wyjaśnia prof. Grabowska-Bołd.
Stąd doniesienie uznano za na tyle znaczące, że zasłużyło ono na publikację w czasopiśmie „Physical Review Letters” uznawanym za jedno z najbardziej znaczących w dyscyplinie nauki fizyczne, a jego omówienie trafiło do rubryki „Research highlight” na łamach magazynu „Nature”.
źródło: AGH
Że co?