Objav top kvarku

Sú to reálne existujúce objekty, alebo iba pomocné matematické konštrukcie? Experimenty tzv. hlbokonepružného rozptylu elektrónov na protónoch jasne dokázali existenciu bodových objektov v protóne. Neskôr bolo experimentálne overené, že tieto objekty majú vlastnosti kvarkov. Zvláštnosťou kvarkov je, že môžu existovať iba vo vnútri elementárnych častíc, ktoré sú schopné interagovať prostredníctvom silnej interakcie (tzv. hadrónov). Pri zrážke pri vysokých energiách kvarky, ktoré vylietávajú z interakčného objemu, takmer okamžite vytvárajú spŕšku hadrónov (hadronizujú).

Ďalším medzníkom bol rok 1974, keď došlo k nečakanému objavu novej častice (známej teraz pod označením J/ ), ktorá do trojkvarkovej schémy nezapadá. Bolo nutné trojkvarkovú schému rozšíriť o ďalší kvark označovaný ako c kvark. Teoretické poznanie v tom čase vysvetľovalo, že kvarky musia existovať v pároch. Štyri kvarky vytvárali dva páry. V roku 1977 bola opäť pozorovaná častica, ktorá do štvorkvarkovej schémy nezapadá. Kvarková rodina sa rozširuje o ďalšieho člena označovaného ako b kvark. Keďže k tomuto kvarku musí existovať partner, ktorý sa označoval ako t (top), objavom b kvarku sa zároveň odštartovalo veľmi intenzívne hľadanie top kvarku. Avšak úspech sa dostavil až v roku 1994.

Urýchľovací komplex protónov a antiprotónov (zvaný TEVATRON) vo FNAL je už desiatku rokov držiteľom svetového rekordu v najvyššej energii (1800 GeV v ťažiskovej sústave) zrážky týchto častíc. Tento rekord si zrejme udrží až do roku 2005, keď v Európskom centre pre jadrový výskum v Ženeve spustia nový urýchľovací komplex LHC (Large Hadron Collider).

Na TEVATRONe na dvoch miestach určených pre zrážky protónového zväzku s antiprotónovým postavili komplexné detekčné systémy. Jeden z nich je známy pod kódovým označením CDF, druhý ako D0. Na ich výstavbe sa podieľali fyzici troch kontinentov. Každý z experimentov združuje asi 400 fyzikov. Tieto zariadenia sú do značnej miery navzájom komplementárne. CDF sa zamerala na presnejšie určenie parametrov dráh častíc produkovaných v zrážkach protónov s antiprotónmi. Tomu slúžil vrcholový detektor pozostávajúci zo štyroch kremíkových detekčných rovín. Bod, ktorým prešla nabitá častica danou rovinou, bol určený s presnosťou 10 Ţm. Tento detektor zohral rozhodujúcu úlohu v pretekoch o objav top kvarku. Za týmto detektorom boli umiestnené dva plynové dráhové detektory. Celý systém je uložený vo vnútri supravodivého magnetu, ktorý vytvára homogénne magnetické pole s magnetickou indukciou 1,4 T. Zo zakrivenia dráh nabitých častíc v magnetickom poli sa určovala hybnosť týchto častíc. Za systémom dráhových detektorov sa nachádzajú kalorimetre - elektromagnetický a za ním hadrónový (názov kalorimeter je značne zavádzajúci - zariadenia používané vo fyzike vysokých energií označované týmto názvom nemajú nič spoločné s prenosom tepla). Ak vysokoenergetická častica vletí do kalorimetra, interakciou s materiálom kalorimetra vznikne spŕška častíc, ktorej podstatná časť sa pohltí v kalorimetri.

Pohľad na "rozložený" detektorový komplex kolaborácie CDF. Výška komplexu zodpovedá zhruba výške dvojposchodového domu, jeho hmotnosť je okolo 5 000 ton

Meraním parametrov spŕšky (celkového náboja, ťažiska spŕšky) sa určia charakteristiky častice, ktorá ju iniciovala. Elektromagnetický kalorimeter sa používa na určenie energie elektrónov a fotónov. Účelom hadrónového kalorimetra je určenie energie častíc (spŕšok) interagujúcich prostredníctvom silnej interakcie. Detekčný systém uzatvárala sústava dráhových detektorov, určených na meranie dráh Ţ mezónov, ktoré ako jediné elektricky nabité častice majú šancu prejsť od interakčného bodu cez všetky detektory vrátane kalorimetrov bez väčších energetických strát.

Detekčný systém D0 kládol väčší dôraz na kalorimetriu než na sústavu dráhových detektorov. Chýba tam najmä vrcholový detektor.

Zjednotená teória silnej a elektroslabej interakcie presne popisuje produkciu a rozpad top kvarku. V prípade zrážok protónov s antiprotónmi pri energii zrážky 1 800 GeV v ťažiskovej sústave, dominantný produkčný mechanizmus pozostáva z anihilácie kvarku z protónu (p) a antikvarku z antiprotónu (p) s následným vznikom páru top (t) a anti - top kvarku (t). Top (anti-top) kvark sa prakticky okamžite rozpadne na W+ (W-) bozón a b (anti b) kvark. W bozón (prvýkrát pozorovaný v roku 1983) je teraz už veľmi dobre známou časticou. W bozón sa môže rozpadnúť na pár leptón a zodpovedajúce neutríno, alebo na pár kvark a zodpovedajúci antikvark. Jediný parameter, ktorého hodnotu teória nedokáže predpovedať, je hmotnosť top kvarku. Pravdepodobnosť produkcie páru tt s rastúcou hmotnosťou top kvarku prudko klesá.

Rozpad W bozónu určuje charakteristickú topológiu produkcie tt. Ak sa obidva W bozóny rozpadnú na leptóny (v danom prípade, keď hovoríme o leptónoch, uvažujeme iba elektrón (pozitrón) alebo µ mezóny) daná topológia je charakterizovaná dvoma leptónmi s veľkou priečnou hybnosťou a dvomi spŕškami častíc, ktoré vzniknú hadronizáciou dvoch b-kvarkov. Medzi leptónmi a spŕškami je veľká medzera, ináč povedané sú izolované od spŕšiek. Vzhľadom na to, že budú taktiež produkované dve neutrína, bude meraná tzv. veľká chýbajúca energia (neutrína sú častice s nulovým elektrickým nábojom, ktoré veľmi slabo interagujú s matériou. O ich prítomnosti sa dozvieme iba z toho, že energia, ktorú unášajú, bude chýbať v celkovej rovnováhe súčtu energií pred zrážkou protónu s antiprotónom a po nej). Táto topológia sa tak výrazne líši od možných fónových procesov, že pozorovanie niekoľkých takýchto prípadov by predstavovalo silný dôkaz produkcie tt. Dlhé roky sa predpokladalo, že objav top kvarku bude uskutočnený práve v tomto rozpadovom kanáli. Nevýhodou tohto kanálu je, že iba v piatich percentách prípadov sa produkovaný tt pár rozpadne týmto spôsobom.

Schematický náčrt jednotlivých komponentov detekčného systému kolaborácie CDF. Náčrt obsahuje iba polovicu detekčného systému, druhá polovica je jej zrkadlovým obrazom

V prípade, že sa iba jeden W bozón rozpadne leptónovým spôsobom a druhý na kvarky, vzniknutá topologia je charakterizovaná jediným izolovaným leptónom, štyrmi spŕškami častíc a veľkou chýbajúcou energiou. Pravdepodobnosť vzniku takejto topológie v dôsledku produkcie tt je 30 percent. To je síce oveľa viac ako v predchádzajúcom prípade, avšak fón podstatne prevyšuje tt signál. Na podstatné potlačenie fónu je nevyhnutné použiť ešte jeden druh informácie - identifikáciu b-kvarkov. Identifikovať spŕšky častíc ako spŕšky iniciované b-kvarkom možno dvoma spôsobmi. V prípade hadronizácie b-kvarkov vznikajú hadróny s b-kvarkami vo svojej štruktúre. Tieto častice sa vyznačujú krátkym (ale merateľným) časom života a relatívne vysokou pravdepodobnosťou existencie leptónov medzi ich produktmi rozpadu. Tým je zároveň určená stratégia identifikácie b-kvarkov. V spŕškach častíc sa hľadajú príznaky existencie krátko žijúcich častíc. Tie možno odhaliť pomocou veľmi presnej rekonštrukcie parametrov dráh častíc (vďaka veľmi presným meraniam kremíkovým vrcholovým detektorom). Krátko žijúce častice preletia niekoľko milimetrov až centimetrov od interakčného bodu protónu s antiprotónom a potom sa rozpadnú. Meraním dráh aspoň časti produktov rozpadu možno zrekonštruovať koordináty miesta, v ktorom došlo k rozpadu, a tým dokázať existenciu krátko žijúcej častice. Vďaka vysokej rozlišovacej schopnosti kremíkového detektora sa táto metóda ukázala ako veľmi efektívna. Ďalšia metóda spočívala v hľadaní leptónov asociovaných s danou spŕškou. Bola podstatne menej efektívna, avšak obe metódy sa využili na identifikáciu spŕšiek častíc spôsobených hadronizáciou b-kvarkov.

V prípade, že sa oba W bozóny rozpadnú na kvarky, vzniká topológia, ktorá je charakterizovaná šiestimi spŕškami. Aj keď v tomto prípade pravdepodobnosť takéhoto koncového stavu je 44 percent (čiže najvyššia spomedzi tých čo sme doteraz uvažovali) fón pochádzajúci z produkcie šiestich kvarkov, ktoré sú výsledkom interakcie kvarkov a gluónov bez produkcie t (t) kvarkov, je o niekoľko rádov vyšší než hľadaný signál. Tento fón možno zmenšiť kombináciou kinematických kritérií aplikovaných na jednotlivé spŕšky častíc, globálnych charakteristík jednotlivých prípadov, aplikáciou identifikácie aspoň jedného b-kvarku. Avšak aj v tomto prípade bude fón niekoľkonásobne prevyšovať očakávaný signál. Preto sa tento rozpadový kanál z hľadiska objavu top kvarku nepovažoval za veľmi sľubný.

Vo FNAL sa urýchľovací komplex používa jednak v režime protibežných zväzkov (zväzok antiprotónov s energiou 900 GeV sa v dvoch určených oblastiach zráža s oprotiidúcim zväzkom protónov tej istej energie) jednak v režime pevného terčíka (zväzok urýchlených protónov je vyvedený na nepohyblivý terčík pozostávajúci obvykle z nejakého rovnorodého materiálu). Podľa rozvrhu v roku 1992 až do polovice roku 1993 mal urýchľovací komplex pracovať v režime protibežných zväzkov, potom mala nasledovať polročná prestávka, ktorú kolektív pracovníkov vývoja urýchľovacieho komplexu ju využil na zvýšenie intenzít zrážajúcich sa zväzkov. Kolektív pracovníkov kolaborácie CDF zasa hlavne na zámenu kremíkového vrcholového detektora jeho "rádioaktívne odolnejším bratom" (ku koncu prvého obdobia parametre údajov snímané z pôvodného kremíkového vrcholového detektora boli výrazne horšej kvality, hlavne pre radiačném poškodenie snímacej elektroniky). Po polročnej prestávke malo nastať asi ročné obdobie, počas ktorého sa mala zvýšiť štatistika zaregistrovaných interakcií protónu s antiprotónom zhruba štvornásobne oproti minulému obdobiu. Podľa plánu potom malo nasledovať dvojročné obdobie v režime pevného terčíka. Ďalej sa plánovala prestavba urýchľovacieho komplexu a aj prestavba oboch detekčných systémov CDF a D0. S prebudovaným urýchľovacím komplexom by bolo možné zvýšiť celkovú štatistiku zaregistrovaných (vyselektovaných) pp interakcií o viac ako rád.

Nepriame metódy určenia hmotnosti top kvarku - síce s veľkou chybou merania - ukazovali, že jeho hmotnosť by mala byť menšia ako 200 GeV a teda existuje reálna šanca prípady produkcie top a anti top kvarku zaregistrovať v niektorom z uvedených období urýchľovacieho komplexu pracujúceho v režime protibežných zväzkov.

Rekonštrukcia jedného z prvých zaregistrovaných prípadov kandidátov na produkciu top a anti-top kvarku s dvoma leptónmi v koncovom stave. V hornej časti obrázku je tzv. lego plot. Výška stĺpcov je proporcionálna energii depozitovanej v jednotkekalorimetra. Červená farba označuje elektromagnetický kalorimeter, modrá hadrónový. Dve hadrónové spŕšky (pochádzajúcepravdepodobne z hadronizácie b-kvarkov) sú zreteľne zobrazené ako stĺpčeky s prevládajúcou modrou farbou. Elektrón depozituje všetku svoju energiu v elektromagnetickom kalorimetri. Naopak Ţ mezón depozituje iba veľmi malú časť svojej energiev kalorimetroch. Vľavo dolu je rekonštrukcia dráh elektricky nabitých častíc prostredníctvom centrálenho dráhového detektora a zásahov v m mezónovom registračnom systéme, vpravo dole prostredníctvom kremíkového vrcholového detektora (Vertex View = oblasť interakčného vrcholu)

Z hľadiska objavu top kvarku sa za najperspektívnejší považoval dvojleptónový rozpadový kanál. Už v prvom období kolaborácie CDF zaregistrovala 2 prípady, ktoré mali všetky atribúty dvojleptónovej produkcie tt. D0 kolaborácia zaregistrovala jeden takýto prípad. Venovala sa im istá publicita, ale na to, aby sa dalo s rozumnou mierou vierohodnosti vyhlásiť, že sa skutočne pozoruje produkcia tt, to nestačilo. Pri dvoch prípadoch zaregistrovaných kolaboraáciou CDF pravdepodobnosť ich alternatívneho vysvetlenia bez produkcie top kvarku bola 12-percentná.

Na prvý pohľad nesvedčilo o niečom mimoriadnom ani 52 zaregistrovaných prípadov produkcie W bozónu (rozpadajúceho sa na elektrón alebo µ mezon a zodpovedajúce neutríno) sprevádzaných niekoľkými (viac ako 2) spŕškami hadrónov. Početnosť takýto prípadov bola v súlade s teoretickou predpoveďou produkcie bez účasti top kvarku. Avšak táto teoretická predpoveď mala až 50-percentnú neurčitosť. Keď sa na hadrónové spŕšky použila identifikačná procedúra b-kvarkov, zistilo sa, že takýchto spŕšiek je oveľa viac, než by sa dalo očakávať, ak by v danej vzorke časť prípadov nepochádzala z produkcie tt. Konkrétne 10 prípadov identifikovali s obsahom aspoň jednej spŕšky pochádzajúcej od b-kvarku. Ak by nedošlo k produkcii tt očakávaný počet prípadov s b-kvarkovou identifikáciou bol 5. Pravdepodobnosť, že pozorovaný výsledok (spolu s dvoma pozorovanými prípadmi dvojleptónovej produkcie) je iba fluktuáciou fónu, je 0,26-percentná.

Tieto fakty boli dostatočným dôvodom na to, aby kolaborácia CDF vyhlásila, že s veľkou pravdepodobnosťou pozoruje produkciu top a anti-top kvarku. V časopise Physical Review D podala podrobný rozbor výsledkov. Triezve hodnotenie CDF kolaborácie svojich výsledkov hovorilo o náznaku existencie, nie o dôkaze produkcie top a anti-top kvarku.

Kolaborácia D0 v tom istom čase síce tiež pozorovala zopár prípadov vyhovujúcich top kvarkovej hypotéze, avšak hlavne z dôvodu podstatne horších možností identifikácie b-kvarkov v proovnaní s detekčným systémom CDF, ich výsledok sa dal ešte stále interpretovať ako fluktuácia fónu.

Po polročnej prestávke urýchľovací komplex opäť začal pracovať v režime protibežných zväzkov. Spočiatku pracoval dosť nestabilne, ale po niekoľkých mesiacoch sa tento stav podstatne zmenil a intenzita zväzkov dosiahla rekordnú úroveň. Obidva experimenty intenzívne analyzovali postupujúce dáta. Zhruba v čase, keď objem dát presiahol dve tretiny plánovaného objemu, kolaborácia CDF sa rozhodla oznámiť svetu objav top kvarku. Analýza nových dát plne potvrdila predošlú analýzu. Trikrát vyššia štatistika umožnila posunúť hranicu pravdepodobnosti fluktuácie fónu na hodnotu 10^-6.

D0 kolaborácia v tomto čase už tiež našla nesporné dôkazy produkcie top kvarku vo svojich dátach. Takže obe kolaborácie dokázali súčasne nezávislými meraniami existenciu top kvarku.

Celkový výsledok po druhom období urýchľovača v režime protibežných zväzkov znamenal pre kolaboráciu CDF pozorovanie 72 prípadov, kandidátov produkcie tt. Očakávaný príspevok prípadov bez produkcie top kvarkov v tých istých podmienkach bol 27. Kolaborácii CDF sa taktiež podarilo dokázať produkciu tt aj pre prípady, keď sa obidva W bozóny z rozpadu t a t rozpadnú na kvarky.

Štatistika pre D0 kolaboráciu vyzerala takto: pozorovaných 37 prípadov tt produkcie na fóne 13.

Obe kolaborácie zo svojich dát určili hmotnosť top kvarku. Najpresnejší výsledok získala kolaborácia CDF a to 176,8 ± 7 GeV/c². Výsledok kolaborácie D0 je v súlade s týmto výsledkom: 169 ± 11 GeV/c². Pre zaujímavosť - hmotnosť protónu je 0,9383 GeV/c² v týchto jednotkách. To znamená, že top kvark je takmer 200-krát ťažší ako protón!

Tretie obdobie urýchľovacieho komplexu v režime protibežných zväzkov sa začne v roku 1999. Už teraz obe kolaborácie intenzívne pracujú na podstatnom vylepšení svojho detektorového komplexu. Intenzívne sa pracuje aj na podstatnom zlepšení urýchľovacieho komplexu. Takto sa získa viac ako o rád vyšší počet zaregistrovaných prípadov produkcie tt ako doteraz. To umožní uskutočniť detailnú analýzu produkcie a rozpadu top kvarku a upresniť jeho hmotnosť. Upresnenie hmotnosti top kvarku umožní zúžiť oblasť hmotnosti, v ktorej by sa mala nachádzať posledná zatiaľ neobjavená fundamentálna častica tzv. Higgsov bozón. Ak bude príroda k nám zhovievavá, možno aj túto časticu sa podarí objaviť tesne pred vstupom do nového tisícročia.

Rekonštrukcia jedného z prvých zaregistrovaných prípadov (24. 9. 1992) kandidátov produkcie top a anti-top kvarku s jedným izolovaným leptónom v koncovom stave. Dve b-kvarkové spŕšky sú identifikované pomocou kremíkového detektora. Určená hmotnosť top kvarku je 170 ± 10 GeV/c2. Jeden top kvark tvoria častice e+, neutríno (MET) a spŕška 4. Druhý top kvark tvoria spŕšky (jet) 1, 2, 3 (spŕšky 2 a 3 pochádzajú z rozpadu W). Na obrázku vidieť, že dve spŕšky častíc obsahujú krátkožijúce častice, ktoré sa vo vzdialenosti niekoľkých milimetrov od miesta zrážky protónu s antiprotónom rozpadnú

RNDr. JAROSLAV ANTOŠ
Ústav experimentálnej fyziky SAV