Povestea fizicii particulelor – ce se caută în tunelul LHC de la Geneva

Un TeV este o unitate de măsură a energiei care corespunde energiei de repaus a aproximativ 1.000 de protoni. În prezent, acceleratorul LHC are aşadar o energie de cam 3,5 ori mai mare decât la Tevatron. În schimb, numărul de coliziuni per secundă este de cam o sută de ori mai mic. Cu toate acestea, este de cam o mie de ori mai mare decât era în luna martie. Înţelegem de aici că acceleratorul LHC trece printr-un proces lent şi sigur de atingere şi continuă îmbunătăţire a parameterilor. Când acceleratorul va atinge performanţa sa de vârf, adică în câţiva ani, LHC-ul va depăşi Tevatron-ul în privinţa rezultatelor fizice obţinute. Dar până atunci, acceleratorul Tevatron mai concurează în mod serios rezultatele de la LHC.

Aceste ciocniri de protoni cu alţi protoni au loc la LHC într-un tunel în formă de cerc, cu o circumferinţă de 27 de km, aflat la o sută de metri sub pământ. Aceste ciocniri au loc în patru locuri de-a lungul tunelului. În fiecare din aceste locuri se află un detector de particule, pe care vi-l puteţi imagina ca o cameră fotografică 3D, mare cât un bloc cu patru etaje, care surprinde toată activitatea ce rezultă în urma coliziunii proton-proton ce are loc în interiorul său. Există două experimente generaliste, adică care pot studia toate fenomenele fizice, anume ATLAS şi CMS, dar şi două detectoare specializate, LHCb (pe particulele care conţin cuarcul „bottom”) şi ALICE (pe ciocnirile între ioni grei de plumb, adică pe ciocnirile a sute de protoni cu sute de alţi protoni). La acestea s-au mai adăugat recent alte experimente mai micuţe, precum DIRAC. România nu este încă o ţară cu drepturi depline la CERN, dar anul acesta a devenită o candidată oficială la acest statut. Peste cinci ani, dacă totul merge bine, România va deveni membră CERN. Cercetătorii români participă la experimentele ATLAS, LHCb, ALICE şi DIRAC.

Cu datele colectate până acum, colaborările de cercetători ale acestor experimente verifică că aceste detectoare funcţionează aşa cum trebuie, proces denumit „calibrare”. În special, detectoarele încearcă să detecteze particulele subatomice deja cunoscute şi să le măsoare proprietăţile, pentru a vedea că le măsoară exact aşa cum sunt. Abia apoi detectoarele vor fi gata pentru a căuta fenomene fizice noi. Este un fel de antrenament militar acasă înainte de a porni la bătălie pe un teritoriu necunoscut. Mai jos vom exemplifica una din aceste „redescoperiri” ale Modelului Standard, aşa cum reiese din prezentările experimentului CMS la conferinţa ICHEP 2010.

 

Această imagine vine de la detectorul CMS şi reprezintă una din cele mai frumoase imagini din fizica particulelor. Pe blogul său, cercetătorul Tommaso Dorigo, cercetător la CMS, comentează detaliat acest rezultat şi emite o părere: „Dacă acestă imagine nu te face să te îndrăgosteşti de fizica particulelor, atunci nu ştiu ce altceva ar reuşi”. Aşa că haideţi să o explicăm şi noi pas cu pas.

În dreapta sus vedem că rezultatul provine de la experimentul CMS, obţinut la coliziuni la energia de 7 TeV. Numărul total de coliziuni studiate este exprimat de o mărime fizică denumită luminozitate şi care este proporţională cu numărul de coliziuni.

Pe axa orizontală este masa de repaus a unei particule ipotetice sau reale care se descompune într-o pereche muon-antimuon. Muonul este un „frate” mai mare al electronului, adică are toate proprietăţile sale, numai că are o masă de cam 200 de ori mai mare şi nu trăieşte la infinit, ci are o durată de viaţă de doar aproximativ două milionimi de secundă. Muonii sunt particule foarte interesante şi totodată particule foarte utile la acceleratoare de particule care ciocnesc protoni, pentru că muonii străbat detectorul depunând foarte puţină energie, dar în linie aproape dreaptă şi astfel pot fi mai uşor identificaţi. Electronii, fraţii muonilor, produc în schimb o cascadă de particule în detector, iar această cascadă este mai greu de diferenţiat de cascade produse de alte particule, precum muoni sau cuarci de diferite tipuri. În schimb, muonii sunt identificaţi uşor. Tocmai de aceea acest grafic foloseşte muoni, dar în principiu, când detectorul CMS va fi mai bine înţeles, va putea fi realizat şi cu electroni. Valoarea 1 pe axa orizontală corespunde aproximativ masei unui proton. Particula cea mai din dreapta corespunde aproximativ la a o sută mase de protoni. Iată aşadar ca o particulă subatomică poate avea o masă cât un atom cu aproximativ o sută de protoni şi neutroni în el.

Pe axa verticală avem marcat numărul de evenimente înregistrate într-un anumit interval de energie. Ambele axe sunt logaritmice, ceea ce inseamnă că de la o liniuţă la alta valorile cresc de 10 ori. Aceasta permite ca variaţii mari ale numerelor să fie totuşi apropiate pe un grafic, iar acesta să intre în pagină, dar toate numerele, şi mici şi mari, să se vadă clar.

Aşadar graficul arată numărul de coliziuni pentru fiecare masă reconstituită pentru particule fictive sau reale care se descompun în perechi de materie şi antimaterie (muon-antimuon). Observăm o formă regulată din care ţâşnesc nişte vârfuri. Forma regulată poartă numele de „zgomot de fond”, sau „background” şi reprezintă particulele fictive. Ele nu există în mod real, ci în detector au apărut un muon pozitiv şi un alt muon negativ, dar nu din dezintegrarea unei singure particule, ci din particule diferite ce apar în urma coliziunii primare. Dar vârfurile apar atunci când particule reale se descompun într-o pereche de muon şi antimuon şi atunci poartă numele de „semnal”. Iar acele vârfuri apar la valori precise ale masei, ceea ce corespunde cu masa particulei care s-a descompus. Iar CMS a detectat aceste vârfuri şi exact la fel de înalte precum teoria Modelului Standard prezice şi precum alte experimente, precum cele de la acceleratorul Tevatron, au măsurat şi ele. Cu alte cuvinte, detectorul CMS a „redescoperit” particule subatomice şi a calibrat detectorul său din acest punct de vedere. Particulele observate sunt marcate pe grafic.

De la stânga la dreapta, particulele observate sunt: rho şi omega (ambele formate din perechi de materie-antimaterie pentru cuarcii „up” şi „down”, adică aceia care formează şi protonii şi neutronii), phi (pereche de materie antimaterie pentru cuarcul „strange”), J/psi şi psi prim (ambele formate din pareche de materie şi antimaterie pentru cuarcul „charm”), iar la sfârşit cele două particule upsilon (fiecare formate din pereche şi antimaterie pentru cuarcul „bottom”). Mai există un al şaselea cuarc, cuarcul „top”, dar el este atât de masiv, încât se descompune înainte să apuce să formeze astfel de particle compuse din cuarci. Toate acestea ne apar frumos pe graficul de mai sus. Iar particulele compuse sunt cu atât mai masive cu cât cuarcii constituenţi sunt mai masivi.

Aceste particule sunt particule subatomice compuse, căci sunt formate din câte doi cuarci. Dar particula cea mai din dreapta este o particulă elementară, care nu mai este creată din altceva. Este vorba de bosonul Z. Haideţi să facem cunosţiinţă şi cu el. Bosonul Z este un fel de frate al fotonului. Dacă fotonul mediază forţa electromagnetică, bosonul Z este unul din mediatorii forţei slabe (am vorbit despre ele în articolul trecut). Aceste două forţe, în trecutul Universului, imediat după Big Bang, erau de fapt una singură. Aceasta  s-a „rupt” în două, producând aceste forţe distincte. Fizicienii numesc acesta „rupere spontană de simeterie”. Dar dacă fotonul are masă zero, vedem că bosonul Z are o masă diferită de zero, ba chiar una din cele mai mari dintre particulele cunoscute, de cam 90 de ori masa unui proton. Cum se poate ca aceste teorii să fie unificate şi particula Z şi fotonul să fie atunci una şi aceeaşi particulă? Căci atunci ar trebui să aibă una şi aceeaşi masă. Dar în ce situaţie poate să fie zero şi 90 dacă nu egale, cel puţin aproximativ egale?

Pentru a înţelege aceasta, să facem întâi o analogie. Imaginaţi-vă că sunt două persoane, una care are zero lei şi alta care are 90 de lei. Prima este săracă săracă, dar a doua este relativ bogată, căci de 90 de lei îşi poate cumpăra totuşi multe. Acum vine o a treia persoană, să spunem statul român, care are mii de miliarde de lei. Faţă de această sumă, atât zero cât şi 90 sunt la fel de mici şi aproximativ egale cu zero. Din punctul de vedere al statului român, ambele persoane sunt la fel de sărace, iar condiţia lor socială a fost „unificată”, adică descrisă de „o singură teorie”. Tot aşa, la energiile foarte mari de la începuturile Universului, bosonul Z şi fotonul erau una şi aceeaşi particulă, iar forţa electrogmanetică şi forţa slabă erau una si aceeaşi forţă, anume forţa electroslabă. Ceea ce am descris acum nu este doar o ipoteză, ci este însuşi fundamentul matematic al Modelului Standard, teoria fizicii particulelor, care a fost confirmată experimental tocmai prin descoperirea bosonului Z (şi a celuilalt boson prezis de ea, bosonul W) chiar la CERN în anii 1983-1984. Pe măsură ce universul se răcea (adică statul român devenea mai sărac), diferenţa între masa zero a fotonului şi masa de 90 GeV/c^2 devine pregnantă şi atunci cele două forţe au proprietăţi diferite: dacă fotonul poate călători la infinit, bosonul Z parcurge doar o distanţă foarte mică, nu mai mare decât diametrul unui proton. Astfel, forţa electromagnetică se propagă la infinit, dar forţa slabă îşi face simţită prezenţa doar în imediata vecinătate a unei particule subatomice, precum în interiorul nucleului atomic. Şi toate acestea ne sunt confirmate de prezenţa unui vârf pentru bosonul Z pe acest grafic la poziţia 90. Mai mult, observăm că nu există „zgomot de fond” pentru el. Adică nu există muoni cu plus şi muoni cu minus care să fie produşi la acele energii din particule diferite, ci doar cei prezenţi din descompunerea bosonului Z.

Dacă în articolul de acum două zile am exemplificat cum mecanismul Higgs este necesar pentru a da masă electronului, fără de care electronul ar zbura prin Univers cu viteza luminii şi deci nu ar sta în atomi şi noi nu am exista, astăzi înţelegem că mecanismul Higgs are un rol încă şi mai profund, anume să „rupă simeteria” între foton si bosonul Z, să permită ca primul să nu aibă masă, dar al doilea să aibă masă, pentru a permite celor două forţe, electromagnetică şi slabă, să se comporte diferit, iar prima să ne dea atomi şi molecule, precum şi forţa de frecare, elastică, de tensiune superficială şi reacţiune normală, iar a doua să permită dezintegrările radioactive ale elementelor chimice, fără de care Soarele nostru nu ar străluci şi noi nu am exista. Este necesar aşadar să se răspundă experimental la întrebarea dacă există sau nu bosonul Higgs, pentru a se şti dacă este corect sau nu acest mecanism Higgs. Dacă nu, va trebui o altă explicaţie pentru care fotonul nu are masă, dar bosonul Z da.

Un rezultat similar a obţinut desigur şi detectorul ATLAS. Iar CMS şi ATLAS au mai obţinut şi alte rezultate în care confirmă Modelul Standard şi arată că sunt în formă bună pentru a studia fenomene fizice noi când LHC îşi va mări numărul de coliziuni pe secundă. Despre mai multe vom vorbi în articole viitoare.

Articol scris pentru evz.ro de Adrian Buzatu, doctorand în fizica particulelor elementare la McGill University, Montreal, Canada. Adrian Buzatu face parte din colaborarea CDF de la acceleratorul Tevatron de la Fermilab. Totodată, este fondator şi coordonator al portalului românesc de popularizarea ştiinţei, www.StiintaAzi.ro, unde şi dumneavoastră puteţi participa ca voluntar.