Cum se face o descoperire în fizica particulelor
Cum se face o descoperire în fizica particulelor
pe 11 Noiembrie 2008 (Marţi). Ultima actualizare pe 12 Noiembrie 2008 (Miercuri)
Nu putem înţelege cum operează ştiinţa astăzi fără a înţelege cum se fac descoperirile în fizica particulelor elementare şi care este metoda prin care rezultatele sunt publicate în o revistă de ştiinţă, după ce sunt analizate şi acceptate de experţi independenţi. Materialul de mai jos a fost trimis şi către HotNews, care a folosit citate în articolul "Particulă misterioasă? Cum se face o descoperire ştiinţifică" care a apărut la HotScience la sfârşitul acesta de săptămână.
Detectorul CDF de la Fermilab, despre care vom vorbi în acest articol, unde lucrează şi autorul acestui articol.
Collider Detector at Fermilab (CDF)
Collider Detector at Fermilab (CDF) este unul din cele doua detectoare de particule (alaturi de DZero) ale acceleratorului de particule Tevatron de la laboratorul american de fizica particulelor Fermilab, de langa Chicago, SUA. Acceleratorul produce si accelereaza pana la energii de 1 TeV (1 terra electron volt) protoni si antiprotoni. Protonii (materie) si antiprotonii (antimaterie) au mase egale, dar sarcini electrice opuse. Acestia au energia de repaus (energia masei) un pic sub 1 GeV. Prin urmare, acestia sunt accelerati la energii de aproape o mie de ori mai mari decat dacar ar fi in repaus, pana la viteze mai mari de 99.99% din viteza luminii. Un fascicul de protoni contine aproximativ 100 miliarde de protoni, iar unul de antiprotoni aproximativ 10 miliarde (este mai dificil sa se produca si sa se acumuleze antimateria, caci are tendinta de a se anihila cu materia).
Au loc aproximativ 2 milioane de coliziuni de fascicule pe secunda, iar la fiecare coliziune interactioaza in medie doar cate una-doua perechi de protoni si antiprotoni. Cum un proton este format din trei cuarci plus gluoni care tin cuarcii impreuna (iar un antiproton ndin trei anticuarci plus gluoni), de fapt la o ciocnire proton-antiproton are loc la nivel elementar o interactie intre un cuarc si un anticuarc, sau intre o pereche de gluoni. Aceasta interactiune elementare duce la crearea de noi particule subatomice care nu pot fi produse decat la aceste energii mari, iar aceste particule se dezintegreaza rapid, rezultand alte particule care apoi traverseaza diferitele subdetectoare care formeaza CDF, in fiecare lasand depuneri de energie. Prin acestea, cercetatorii pot reconstrui apoi traiectoriile acestor particule si deduce despre ce particula e vorba, ce impuls si ce energie are.
Modelul Standard, teoria curenta
Studiind in detaliu diverse moduri in care se pot produce particule din aceste coliziuni si apoi diferite moduri in care se pot dezintegra, fizicienii compara aceste masuratori cu predictiile in acest sens ale Modelului Standard, care este teoria fizicii particulelor elementare si a interactiilor lor. Pana acum, nici o masuratoare nu a contrazis Modelul Standard, in aproape trei decenii de existenta a teoriei, in ciuda a mii de experimente realizate la acceleratoare de particule si observate cu ajutorul razelor cosmice. Modelul Standard este cea mai de succes teorie dezvoltata vreodata de umanitate, verificata experimental mai buna de unu la mie. Cu toate acestea, fizicienii sunt convinsi ca mai exista ceva dincolo de Modelul Standard, noi procese fizice inca nedescoperite, dar care exista la nivel elementar, denumite generic "fizica noua (new physics)".
De ce ar crede fizicienii ca exista fenomene inca nedescoperite?
Iata doar cateva exemple: Chiar daca bozonul Higgs va fi descoperit, inseamna ca se va intelege de ce particulele elementare au masa, iar nu de ce au masele pe care le au. In Univers exista un nou tip de materie de cinci ori mai abundenta decat materia obisnuita (antimateria), totusi este un mare mister care este structura la nivel de particule elementare a materiei intunecata. Nu se intelege inca unde a disparut antimateria din Univers, daca in Big Bang au fost create cantitati egale de materie si antimateie, asa cum cer legile de conservare. Nu se intelege de ce exista exact trei familii de particule elementare. Si exemplele ar putea continua.
Diferite particule elementare lase urme diferite in detector
Detectorul CDF are forma cilindrica, axa sa coincizand cu axa protonilor si antiprotonilor, care se ciocnesc in centrul cilindrului. La aceste energii mari, particulele produse pornesc aproape perpendicular pe axa cilindrului.
Primul detector masoara impulsul particulelor uitandu-se la urmele pe care le lasa si la curbura lor in un camp magnetic foarte intes. Particulele trec printr-un gaz, ionizeaza atomi in drumul lor, electronii liberi sunt atrasi de niste electrozi, iar acest curent este masurat. Cu cat el este mai mare, cu atat impulsul particulei initiale eera mai mare. Aceasta este o traiectorie ("track").
Urmeaza calorimetrul, care asa cum ii spune numele, masoara energia. Aici particulele vor interactiona cu materia pana vor depune intreaga energie si masurand cresterae de energie in detector deducem ce energie a avut particula initial. Un electron de mare energie cand ajunge in acest detector cu o zona densa de materie, atunci radiaza un foton de mare energie, care in campul electric intens al atomilor se transforma la randul lui in o pereche de materie si antimaterie, precum electroni si pozitroni, care la randul lor emit fotoni, care la randul lor se transforma in perechi de electroni si pozitron. Aceasta se numeste o jerba electromagnetica si nu patrunde foarte adanc in maerie caci i se si termina energia. (in paranteza fie spus, tocmai de aceea acceleratoarele lineare de electroni sunt folosite in tratarea canceruui doar la suprafata, precum cancerul de piele sau cancerul de san). Electronul ar produce o jerba ce depune energie (si poate distruge celule) la suprafata, dar nu profund in interior.
Cum sunt detectaţi electronii
In afara de electroni, exista insa particule formate din cuarci. Acestia se denumesc hadron (denumire familiara de la Large Hadron Collider). Protonii si neutronii sunt intr-adeva hadroni. In cazul nostru, alti hadroni sunt produsi. Acestia au interesanta proprietate ca depun doar putina energie la inceput, patrund in materie cu atat mai mult cu cat energia lor este mai mare si abia la o anumita adancime formeaza si ei o jerba descompunandu-se in alte particule mai putin masive, care se descopun la randul lor mai departe pana cand nimic nu se mai poate descompune. Cu alte cuvinte, hadronii depun energie pe distante mai mari si nu imediat in calorimetru. De aceea, partea mai spre exterior din calorimetru le este dedicata lor si se numeste claorimetru hadronic, iar partea interioara mai mica se nuemste calorimetru electromagnetic (caci pe langa electroni si pozitroni, poate detecta si fotoni).
Cum sunt detectati muonii
In afara de electroni si cuarci, mai exista o particula ce apare frecvent si anume muonul. Muonul este fratele mai mare al electronului, adica se comporta ca un electron, doar ca este de aproximativ 200 de ori mai masiv. Si cum energia depusa in materie este invers proportionala cu masa la puterea a cincea, rezulta ca muonul nu depune de loc energie in calorimetru. Prin urmare, muonul este "invizibil" pentru calorimetru, muonul lasa doar o traiectorie in primul detector. Cum detectam atunci muonii? In afara calorimetrului exista o bucata mare de otel care sa forteze muonul sa se mai franeze putin, apoi exista cativa detectori de muoni. Exista unele mai spre interior, iar unele mai spre exterior. Cand o traiectorie reconstruita tinteste spre detectoarele de muoni si exista depunderi de energie in ambele detectoare de muoni consecutive, atunci spunem ca s-a reconstruit un candidat de muon, unul cu sansa foarte buna de a fi un muon adevarat. Cand traiectoria extrapolata trece doar printr-un singur detector de muoni unde depune energie, nu suntem asa de siguri ca este un muon adevarat. In unele cazuri este, in alte nu. Trebuie studii detaliate care sa clarifice.
Mai exista o particula elementara des intalnita. Este vorba de neutrino, care interactioneaza atat de putin cu materia, incat pracitc iese din detector neobservat. Il observam ca o inbalanta in impuls si energie in interactia elementara.
Evenimente întregi reconstruite
Pentru fiecare coliziune in parte, programe dezvoltate reconstruiesc toti candidatii de muoni, electroni, neutrino, jerbe (sau jeturi) provenidn din cuarci. Apoi, cei aproape 600 de cercetatori la CDF se organizeaza in grupuri si subgrupuri si studiaza datele experimentale colectate pentru anumite tipuri de evenimente, ce lasa anumite urme in detector. In cazul de fata, cercetatorii s-au uitat la cazurile in care se detecta doi candidati de muoni, dar de sarcini electrice opuse. Se cautau astfel cazuri de producere de perechi de materie si antimatere (muon, antimuon). Aceste particule apar a "izvori" ori chiar de la locul coliziunii, ori de la cativa milimetri de la locul coliziunii in cazul in care apar din dezintegrarea de hadron care contin cuarcul bottom.
Descoperire sau nu?
Ei bine, in acest articol se mentioneaza si ca unele perechi de muoni si antimuon apar a izvori de la o distanta de aproape 50 de ori mai mare, la o distanta de aproximativ 10 cm de locul coliziunii. Daca ar fi cu adevarat asa, ar putea fi o fluctutatie statistica (adica exista cateva cazuri rale cand hadronii se dezintegreaza si dupa distante lungi). Dar ar mai putea fi o posibilitate, anume ca o particula noua, inca nedescoperita, masiva, sa se descopuna in aceasta pereche muon-antimuon. Aceasta ar fi o prima indicatie pentru existenta unor procese inca noi in fizica. Intrebarea este insa, cat de siguri suntem ca acei muoni si antimuoni sunt de fapt chiar asa si nu sunt alte particule care par a fi muoni? Acest fenomen este denumit "fake" (fals).
Muoni falşi?
In mod normal, un jet de particule isi depune toata energia in calorimetrul hadronic. In cel mai rau caz si-o depune in stratul de otel ce urmeaza apoi pentru a opri muonii. Totusi, exista si jeturi de foarte mare energie, carora le mai ramane putina energie chiar si dupa ce trec de bucata de otel. Inevitabil, ei vor depue energie si in detectoarele de muoni. Daca cumva in aceeasi coliziune, una din numeroasele traiectorii de particule este extrapolata spre acel detector de muoni, se zice ... gata, uite un muon. Dar de fapt niciodata in fizica particulelor nu vorbesti de muoni (si aceasta e valabil oricarei particule) ci de candidati de muoni. Caci poate este, poate nu. De cele mai multe ori este, dar cateodata nu, iar masurarea precisa a raportului dintre ele vine din o intelegere buna a detectorului, ceea ce ia ani sa se dezvolte. (in paranteza fie spus, si detectoarele de la LHC vor trece prin acest stadiu de calibrare, ceea ce le va lua poate cel putin un an inainte sa inceapa sa produca rezultate fizice concrete).
Cum este trimis un articol spre publicare
Ei bine, aceasta analiza a fost efectuata asadar de un grup restrans de cercetatori. Dar intotdeauna, rezultatele sunt publicate sub numele intregii colaborari. Este specific fizicii particulelor, caci fiecare membru al colaborarii contribuie cu ceva la procesul de colectare de date (construind un subdetector, sau dezvoltand cod de analiza, de exemplu) iar apoi fiecare foloseste datele culese, dar pentru a se uita la un singur procees in detaliu. Rezultatele obtinute sunt alte intregii colaborari si in mod normal toti devin autori ai articolului. Deoarece articolul exprima opinia si raspunderea stiintifica a autorului, este recomandat ca toti sa citeasca fiecare articol trimis spre publicare. Cum colaborarea CDF produce aproxiativ 50 de articole de an, adica aproximativ unul pe saptamana, un singur om nu poate tine pasul cu toate. De aceea prin tragere la sorti sunt alese cateva institutii care trebuie sa citeasca atent si sa trimita comentarii la un anumit articol. Exista doua runde de corectura, exista niste cercetatori ce supravegheaza articolul in curs spre publicare in mod constant si interactioneaza cu autorii. Aceasta este in mod normal.
Cu toţii analizând acest articol controversat
De data aceasta, datorita potentialului de a descoperi cu adevarat pentru prima data un semnal clar de fizica dincolo de Modelul Standard, conducerea CDF a decis ca fiecare instututie trebuie sa citeasca articolul si sa urmareasca aceasta analiza. La inceput, autorii doreau sa spuna clar in articol ca s-ar fi gasit o fizica noua si chiar propuneau un model teoretic simplificat care reproducea acele rezultate (adica ce masa ar trebui sa aiba particula care se dezintegreaza, dupa ce lant de dezintegrare si asa mai departe). Majoritatea colaboratorilor insa s-au opus, nefiind convinsi ca aceia erau cu adevarat muoni, cerand o analiza mai detaliata. S-au efectuat noi studii si s-a propus din nou articolul, fara a se mai pretinde in articol ca se observa fenomene de fizica noua (o mare schimbare!). Se spunea insa pe buna dreptate ca aceste evenimente explica unele neconcordate ce existau in masuratori precedente de la CDF care implicau hadroni continand cuarci bottom care se dezintegrau in muoni. Se spunea tot corect ca aceste evenimente nu pot fi explicate la nivelul pe care il avem in prezent de intelegere a detectorului CDF si a teoriei Modelului Standard. Se spunea tot corect ca studiile vor continua. Insa ceea ce nu se accentua este faptul ca este vorba de candidati de muoni, iar nu muoni. Adica aici mai mult ca niciodata trebuia accentuat si mai clar ca prin definitie nu tot ce vedem in detector este ceea ce pare sa fie.
O treime din cercetători şi-au retras numele
In ciuda acestor progrese, o treime din colaboratori au decis sa nu semneze acest articol, adica sa nu isi asocieze numele cu articolul (atentie, in forma curenta). Insa toti sunt entuziasti de posibilul rezultat, dar tocmai fiindca ar putea fi un rezultat foarte mare, ei recomanda rabdare, studii aprofudate si publicarea unui articol cand intelegem detectorul si conchidem ca nu e fizica noua (caz in care poate nu merita sa fie publicat un articol), ori cand intelegem detectorul si conchidem ca e fizica noua (si atunci ar fi o mare mare descoperire). Grupul canadian al CDF (intre care si eu) a ales pentru a nu fi trecuti ca autori ai articolului, iar motivul principal a fost cel al neaccentuari ca este vorba de candidati de muoni si nu neaparat de muoni.
În final, a fost trimis spre publicare
Articolul a fost asadar trimis spre publicare. Ce inseamna aceasta? Articolul a fost publicat imediat pe siteul internet ArXiv unde fizicienii din fizica particulelor isi publica imediat articolele dupa ce le-au trimis oficial la revista de stiinta. Tocmai pentru ca procesul de evaluare a analizei si rezultatului de catre alti experti in domeniu ("peer-review") ia cam jumatate de an, fizicienii vor ca ai lor colegi sa afle imediat de rezultatul lor si sa inceapa sa il foloseasca. De aceea se publica online pe ArXiv. Dar atentie, abia mult mai tarziu, vine si acceptarea oficiala in revista stiintifica, ceea ce inseamna ca formal, alti experti independenti au recunoscut articolul si nu vad probleme cu el. A publica u articol nu inseamna doar ca il faci disponibil altora (pentru asta se pune pe ArXiv), ci inseamna ca rezultatul este acceptat de alti experti independenti din acelasi domeniu, ceea ce ofera o garantie mai mare rezultatului in sine. Asadar, vom afla peste jumatate de an daca articolul va fi acceptat de revistele de fizica ...
Apoi, un articol teoretic ...
Ceea ce stim insa este ca la doar cateva zile a aparut si un articol teoretic care explica ce particula ar putea produce in dezintegrarea ei acei muoni. Acei "teoreticieni" care au produs articolul sunt de fapt autorii intiali ai analizei din CDF. Calaborarea nu le-a dat voie sa lege teoria lor de numele colaborarii, asa ca au trimis-o spre publicare pe cont propriu.
Să fim entuziaşti sau sceptici?
Presa din intreaga lume imediat s-a aruncat asupra stirii, accentuand desigur ca este necar daca este vorba de fizica noua sau de o neintelegere a detectorului nostru. Merita sa fim entuziasmati, dar trebuie sa fim precauti. Ia mult timp pentru ca experimentul sa isi confirme propriile rezultate. Ideal ar fi ca si alt experiment sa incearca sa reproduca aceasta si sa vada daca observa sau nu acelasi efect.
Adrian Buzatu
Sunt absolvent al Colegiului National "Fratii Buzesti" din Craiova in anul 2001 (va rog mult sa mentinati liceul si orasul). Am studiat Premier Cycle (doi ani) la departamentul european al scolii de ingineri INSA din Lyon, apoi am studiat anul trei de licence si magistere la Universitatea Joseph Fourier din Franta, unde am efectuat primul stagiu in fizica particulelor, la experimentul ATLAS de la CERN. Am efectuat apoi un stagiu de o luna la un experiment de la laboratorul KEK din Tsukuba, Japonia, dupa care am venit la Montreal unde am inceput master la experimentul CDF de la Fermilab. Am primit diploma de master doi ani mai tarziu pe un studiu asupra cuarcului top, iar acum sunt student la doctorat la aceeasi universitate si la acelasi experiment, lucand impreuna cu alti colaboratori la cautarea bozonului Higgs intr-ul din cazurile posibie de productie si dezintegrare, anume atunci cand bozonul Higgs este produs impreuna cu un bozon W).
CDF
Rezultatul saptamanii.
Imagini si animatii
Explicatii pe intelesul tuturor
Coliziuni de particule live de la CDF
Imagine CDF Canada din 2005, in fata departamentului de fizica de la McGill. Eu eram la Fermilab atunci si nu apar in poza.
Cercetatorii care au construit detectorul si care il folosesc in prezent la a colecta date experimetale sunt in numar de aproximativ 600 si provin din aproximativ 15 tari, dar prepoderent din Statele Unite. Lista completa a institutiilor membre se gaseste aici. Nu exista nici una din Romania, dar exista cativa studenti romani la universitati straine.
Articol scris pentru www.StiintaAzi.ro de Adrian Buzatu. Detalii mai multe pe siteul CDF.
