Nevtron izven jedra ni obstojen, v kakih 10 minutah razpade v proton, elektron in nevtrino. Nevtrino je brezmasni nevtralni lepton in nanj deluje le sila, ki povzroča omenjeni razpad - šibka sila. če pogledamo razpad nevtrona pobliže, ugotovimo, da se je v njem eden izmed kvarkov d spremenil v kvark u. Proces poteka tako, da d kvark izseva posrednika šibke sile - šibki bozon z imenom W. Zaradi spremembe naboja kvarka z - 1/3 na 2/3 mora bozon W nositi negativni osnovni naboj - W-. Pri obratnem procesu, spremembi kvarka u v kvark d pa se izseva šibki bozon W s pozitivnim osnovnim nabojem - W+. Masa bozonov W je zelo velika, znaša kar 85 mas protona ali toliko kot tehta atom rubidija. Ker tolikšne mase v nevtronu ni na razpolago, se bozon W zato lahko izseva le zelo poredko in še to za zelo kratek čas, potem pa razpade v par elektron-nevtrino. šibka sila tako omogoča prehode med kvarkoma u in d ter med leptonoma - kvark u je partner kvarku d ter elektron partner nevtrinu.
Za svet, ki nas obdaja, zadoščajo omenjeni štirje osnovni gradniki: kvarka u in d ter leptona elektron in nevtrino. Pri visokih energijah pa se slika ponovi, pojavi se nov par kvarkov - kvark s (strange - čuden) z negativnim enotretjinskim in kvark c (charm - čaroben) s pozitivnim dvotretjinskim osnovnim nabojem ter nov par leptonov - mion in nova vrsta nevtrina - mionski nevtrino. Lastnosti te nove četverice so na moč podobne tisti osnovni, le njihove mase so večje: mion tehta 200 krat toliko kot elektron, kvark s približno sedmino ter kvark c 1,5 protona, le nevtrino je brez mase. Kot bi se narava hotela poigrati z nami, se je tej drugi četverici pridružila še tretja, ki pa do sedaj ni bila popolna. Leta 1977 so namreč odkrili peti kvark b (bottom - spodnji) z negativnim enotretjinskim osnovnim nabojem ter kmalu nato lepton tau in njegovega nevtrinskega partnerja. Masa b kvarka znaša okoli 5 protonskih mas in tudi lepton tau je dvakrat težji od protona ali 3500 krat težji od elektrona.
V 17 letih po odkritju kvarka b so fiziki natančno preučili lastnosti
tega delca. Izkazalo se je, da se njegovo obnašanje povsem ujema s sorodnima
lažjima kvarkoma s in d. Torej mora tudi kvark b imeti partnerja z dvotretjinskim
nabojem. Nadeli so mu ime kvark t (top - zgornji) ter se podali v lov nanj.
V naravi ima vsak delec svojega dvojčka, ki ga imenujemo antidelec. Lastnosti obeh sta enaki, razlikujeta se le po predznaku naboja. Značilnost tvorbe osnovnih delcev pri trkih je, da se rodijo vedno v paru s svojim antidelcem. Tako se rodi vedno par elektron-pozitron, mion-antimion, kvark-antikvark. Ker so mase delcev in njihovih antidelcev enake, je tako za rojstvo novega delca potrebna najmanj energija, ki je ekvivalentna njegovi dvakratni masi.
Omenili smo že, da se kvarki lahko spremenijo v svojega partnerja tako, da izsevajo šibki bozon W. Ker je top kvark težak, je verjetnost za izsevanje bozona W veliko večja kot pri razpadu nevtrona. Zato živi top kvark le zelo kratek čas in ga neposredno ne moremo zaznati, temveč z meritvijo delcev, ki nastanejo pri njegovem razpadu sklepamo na njegovo prisotnost.
Po prvih ocenah naj bi znašala massa top kvarka okoli 15 protonskih mas. To je bilo ravno še v dosegu leta 1978 zgrajenega trkalnika elektronov in pozitronov PETRA v mednarodnem raziskovalnem središču DESY v Hamburgu, katerega skupna energija je znašala okoli 50 protonskih mas. Prisotnost top kvarka je na takih trkalnikih sorazmerno preprosto ugotoviti, saj bi verjetnost za trke elektronov in protonov ob njegovem pojavu narasla za skoraj 40%. Toda povečane pogostosti trkov pri poskusih niso opazili. Zgodba se je ponovila na 1987 leta zgrajenem trkalniku TRISTAN v središču KEK v Tsukubi na Japonskem, katerega energija dosega 70-kratno maso protona ter na največjih danes delujočih trkalnikih elektronov in pozitronov LEP v CERNu v Ženevi ter SLAC v Stanfordu v Kaliforniji, ki se ponašata z energijo, ekvivalentno stotim protonskim masam. Top kvark je torej vsaj petdesetkrat težji od protona.
Večje energije so na razpolago na trkalnikih protonov in antiprotonov.
Leta 1981 dokončani SPS
v CERNu je imel na razpolago energijo
ekvivalentno 580 in kasneje tudi 680 protonskim masam. Na njem so leta
1982 tudi odkrili šibke bozone in zato prejeli Nobelovo nagrado. Toda pri
teh trkalnikih trkajo po trije kvarki v protonu s tremi antikvarki v antiprotonu.
Večina teh trkov poteka pri veliko manjših energijah, kot so energije projektilov
in le zelo poredko se zgodi, da je energija dovolj velika za rojstvo para
top kvarkov. Signal prisotnosti top kvarka je torej šibak in se kaj lahko
izgubi v ozadju trkov, pri katerih top kvark ni nastal. e huje, nezadostno
poznavanje procesov ozadja nas lahko pripelje do napačnih zaključkov. Tako
se ne smemo čuditi, da je v zgodnjih osemdesetih letih sicer izjemno uspešna
skupina UA1 v CERNu, katere sodelavca
Carlo Rubbia
in Simon van
der Meer sta si delila Nobelovo nagrado za odkritje šibkih bozonov,
predstavila rezultate, ki so kazali na obstoj top kvarka z maso okoli 55
protonskih mas. Kasneje se je izkazalo, da so podcenili ozadje in top kvark
je spet ušel odkritju. Po tem dogodku so fiziki postali izjemno previdni
pri trditvah o odkritju top kvarka natrkalnikih protonov in antiprotonov.
Leta 1987 so v v Fermi National Laboratory (Fermilab ali FNAL) blizu Chicaga dogradili trkalnik protonov in antiprotonov TEVATRON, katerega energija presega ekvivalent 2000 protonskih mas. Na njem dva mogočna eksperimenta CDF in D0 noč in dan merita dogodke in skušata zaznati sled top kvarka. Po večletnih meritvah brez zaznanega signala se je meja za maso top kvarka do letošnjega leta dvignila že na 140 protonskih mas.
Hkrati so na trkalnikih elektronov in pozitronov LEP in SLD potekale izjemno natančne meritve lastnosti nevtralnega partnerja šibkim bozonom W - šibkega bozona Z0. Te meritve so posredno kazale na prisotnost top kvarka in sicer so napovedale, da mora znašati njegova masa 180 protonskih mas z napako okoli 20 protonskih mas.
Napoved mase top kvarka iz lastnosti šibkega bozona Z0 je
sicer tako natančna, da bi jo skorajda lahko poimenovali odkritje, pa vendar
ima dve pomanjklivosti. Prva je, da je dobljena s pomočjo teoretičnega
modela, ki je sicer s poskusi dodobra potrjen, pa vendar ni povsem gotovo,
da velja. Hkrati top kvark pri teh procesih nastopa le posredno, nekako
tako kot šibki bozon W pri razpadu nevtrona. Masa bozona Z0
znaša namreč okoli 100 protonskih, kar je za nastanek pravega top kvarka
premalo.
Veliko večino dogodkov pri na trkalniku protonov in antiprotonov predstavljajo trki med kvarki, kjer nastane več parov kvark-antikvark, ki jih potem zaznamo kot pljuske v detektorju. Zato je za detekcijo signala, ki pripada top kvarku, največ ozadja v primeru, ko oba šibka bozona razpadeta v para kvarkov. Ta razpadni način, čeprav je najbolj pogost, za meritev torej ni primeren. Najmanj ozadja pa pričakujemo v primeru, ko imamo v dogodku dva hitra nabita leptona, vendar pa je takih le slabih 5% primerov. Nekje vmes so dogodki z enim hitrim nabitim leptonom in 4 pljuski. Ozadja je sicer več, vendar je tudi signal več kot šestkrat večji.
Raziskovalci kolaboracije CDF so uspeli med 1400 milijardami trkov protona z antiprotonom izbrati 12 dogodkov, za katere sumijo, da se v njih skriva top kvark. Dva izmed dogodkov vsebujeta elektron, mion in dva pljuska, šest hitri lepton (3 elektron, 3 mion) in tri pljuske, ter štirje hitri lepton (2 elektron, 2 mion) ter štiri pljuske. Pri dogodkih s po enim hitrim leptonom so pri enem izmed pljuskov ugotovili, da ga je povzročil prvotni kvark b. Pri vseh dogodkih manjka znaten delež energije, ki jo je odnesel nevtrino, ki je nastal z nabitim leptonom. Za vse pljuske v dogodkih zahtevajo energijo večjo od ekvivalenta 10 protonskih mas, zato tudi ne zaznajo vedno pričakovanih štirih pljuskov.
Posebno pozornost so raziskovalci skupine CDF namenili študiju števila dogodkov v signalu, ki ga pričakujejo iz procesov, v katerih top kvarkni prisoten. Pri tem so uporabili ocene, ki temeljijo na podatkih samih ter računalniški simulaciji dogodkov ozadja. Po skrbnih študijah vseh vrst ozadja so ugotovili, da bi ozadje v povprečju prispevalo malo manj kot 6 dogodkov. S statistično metodo so tudi ocenili, da verjetnost, da vseh 12 dogodkov izvira iz procesov brez top kvarka, znaša le 0,26%.
Z malce omiljenim kriterijem pri energiji četrtega pljuska, so pridobili
še tri dodatne take dogodke. Ker so pri teh dogodkih izmerili energije
vseh prvotnih razpadnih delcev, lahko energijo nevtrina izračunajo iz ohranitve
celotne energije, nato pa iz energije kombinacij produktov določijo maso
obeh top kvarkov, ki sta nastala. Izmerili so, da znaša masa top kvarka
187 protonskih mas z napako 17.
Meritve na TEVATRONu
v Fermilabu potekajo brez prestanka. Zaradi izboljšav na trkalniku pričakujejo,
da bodo letos izmerili štirikrat več trkov, kot so jih v vseh dosedanjih
letih. Na začetku prihodnjega leta lahko torej pričakujemo članek skupine
CDF, katerega naslov
se bo začel z "Odkritje top kvarka...".
avtor: Marko Mikuž, Delo ....
opremil: Tadej Mali