9c. Lov na Higgsov bozon se začenja zares
Veliki hadronski trkalnik (LHC) v evropskem centru za jedrske raziskave CERN so v ponedeljek popoldne po dobrem letu dni uspešnega dela izklopili. Največja naprava na svetu bo mirovala do začetka februarja, ko bodo po podzemnem tunelu spet švigali protoni.
Vodilni ljudje v Cernu imajo te dni precej razlogov za zadovoljstvo. Najzmogljivejši trkalnik je po začetnih težavah pokazal, da lahko od njega fiziki veliko pričakujejo, zelo uspešni so bili tudi raziskovalci pri eksperimentih ALPHA in ASACUSA, kjer se ukvarjajo s proučevanjem antisnovi. Prvim je uspelo za najdlje doslej zadržati atome antivodika, drugi pa so ustvarili razmere, da lahko antisnov proučujejo v laboratoriju. Prihodnje leto bodo oči znanstvenikov uprte predvsem v kolaboraciji ATLAS in CMS, kjer se bodo z vso vnemo podali na lov za izmuzljivim Higgsovim bozonom.
V obdobju, ko bo veliki hadronski trkalnik miroval, bodo tehniki opravili manjša vzdrževalna dela tako v sistemu kot pri detektorjih. Marko Mikuž pravi, da bo ta odmor dobro del tudi raziskovalcem, da se malce odpočijejo od nenehnega zbi ranja novih podatkov. Pri kolabora ciji ATLAS že nekaj let deluje tudi stalna ekipa desetih raziskovalcev iz Slovenije, ki se menjujejo. To so v glavnem podiplomski študentje in raziskovalci z Inštituta Jožefa Stefana ter fakultete za matematiko in fiziko.
Kaj je tisto, kar je bilo pri delovanju trkalnika najbolj uspešno in kaj najmanj v tem letu dni?
Dosežena in presežena je bila pogostost trkov, ki se ji strokovno pravi luminoznost trkalnika. Reakcije v fiziki delcev bi lahko primerjali s streljanjem v tarčo, ki je v našem primeru seveda izrazito majhna. Protona, ki v več kot 26-kilometrski podzemni cevi trkalnika krožita kot nekakšno strelivo, namreč me rita le okoli 10 -15 metra. Ob za letos načrtovani pogostosti trkov bi se množica protonov iz obeh curkov morala zaleteti v detektorju približno desetmilijonkrat na sekundo. Znanstvenikom, ki skrbijo za delovanje trkalnika, je uspelo načrtovano luminoznost celo podvojiti. Pri tem so preizkušali celo vrsto zadev, ki niso bile v prvotnem načrtu, zato pa jim ni uspelo doseči napovedanega skupnega števila zbranih trkov, čemur pravimo integrirana lu minoznost. Napovedano jih je bilo petkrat več, kot smo jih v resnici zaznali z našimi detektorji. Statistika kaže, da je bilo od oktobra do trenutka, ko so protone v cevi zamenjali svinčevi ioni, pridobljenih kar 90 odstotkov vseh trkov, večina ravno v zadnjih nekaj dneh.
Stabilnost žarka je tudi zelo pomembna?
Seveda. Še zlasti pri energijah curkov protonov, ki za faktor sto presegajo do sedaj uporabljene skupne energije v pospeševalnikih. Žarek, ki s skoraj svetlobno hitrostjo drvi po cevi, držijo v krožnici superprevodni magneti. Če malce zapleše ali celo zaide s poti, se magnet lahko poškoduje. Tudi zaradi tega LHC trenutno deluje pri ener giji 3,5 TeV na žarek, kar tehnično pomeni, da je obratovanje naprave precej varno.
Nameravajo po ponovnem zagonu to energijo res povečati na 4 ali celo 4,5 TeV?
O tem bodo odločali na sestanku direktorata januarja v Chamonixu, kjer vselej določajo parametre delovanja trkalnika. Skušnjave so velike, vendar je treba vedeti, da lahko z malce manjšo energijo in večjo pogostostjo trkov dosežete tako rekoč enak ali celo večji učinek kot pri večji energiji in manjši pogostosti. Drugo leto se lov na Higgsov bozon vsekakor začenja zares. Odločitev o tem, koliko časa bo trkalnik še deloval pri nižjih energijah in kdaj ga bodo za eno leto ugasnili, da bi energijo lahko povečali na načrtovanih 14 TeV, pa bo precej odvisna od tega, kaj nam bo uspelo s trkalnikom izmeriti v prihodnjem letu.
No, število podatkov, ki ste jih dobili letos, je osupljivo.
To je res, vendar moramo upoštevati, da je pomembna tudi kakovost teh podatkov. Čeprav bomo imeli pri polni zmogljivosti na voljo milijardo trkov na sekundo, jih bomo lahko izbrali in analizirali le tristo, kot smo to počeli tedaj, ko je bila luminoznost trkalnika še izjemno majhna. Protona se lahko le oplazita ali pa čelno trčita, kar je bistveno bolje. Glavna jed na našem jedilniku je res pogostost trkov, vendar je od raziskovalcev odvisno, katere trke bodo izbrali. Količina izbranih pa je tako rekoč vselej enaka – okoli tristo.
Podatkov je bilo očitno dovolj, saj ste v vseh kolaboracijah objavili že precej člankov.
Res je, ampak kaj resnično novega in povsem neznanega pa še nismo odkrili. V ameriškem Tevatronu, ki je naš tekmec, če se lahko tako izrazim, pri lovu na Higgsov bozon protone in antiprotone trkajo že vrsto let in imajo tudi neprimerno več podatkov. Za približno dvestokrat več jih je, vendar so bili zbrani pri manjši energiji. Njihove meje so pri vseh procesih nižje in se sukajo okoli polovice TeV, medtem ko naše potencialne zmožnosti segajo do okoli 5 TeV, ki pa jih še zdaleč nismo dosegli. Vendar to ni odločil no. Lahko bi imeli prav oni veliko srečo in bi pri manjših energijah že kaj odkrili. Pa doslej niso.
Ali to že pomeni, da Higgsovega bozona tam ni?
Ne povsem. Le verjetnost, da ga tam ni, je precejšnja. Procesi v standardnem modelu napovedujejo, kdaj bi Higgsov bozon pri dani masi morali opaziti. Tevatron ima zbranih toliko podatkov, da so lahko z veliko vejetnostjo izključili obstoj Higgsovega bozona z maso okoli 165 GeV. Na LHC bi morali meritve opravljati pri teh energijah in letos doseženi luminoznosti še lep del naslednjega leta, če bi želeli priti do enakega rezultata. Pri nekoliko višjih energijah in pričakovani povečani luminoznosti pa bi LHC svojega tekmeca prihodnje leto ne le ujel, temveč tudi prehitel.
Vendar so se Američani pred kratkim odločili, da Tevatrona kljub temu še ne bodo ugasnili.
Drži. V kvantni mehaniki en sam dogodek ne pomeni nič. Vsi procesi, pri katerih nastopa Higgsov bozon, imajo v ozadju še šum iz drugih procesov, ki vas lahko zavede. Poznamo tri stopnje. Na prvi ugotovimo, da pri določenih masah Higgsovega bozona enostavno ni, zato jih lahko izključimo. Druga stopnja je tako imenovani dokaz ( evidence ), da tam nekaj je, vendar to še ni dokončno potrjeno. V odstotkih to pomeni 99,7-odstotno verjetnost, da ne gre za šum iz ozadja. Tretja stopnja pa pomeni odkritje ( discovery ), kjer je to ugotovljeno, izmerjeno in potrjeno z 99,99-odstotno verjetnostjo. Za še večjo gotovost imamo fiziki delcev običajno vsaj dva eksperimenta, ki iščeta isti pojav. V LHC sta tako iskalca Higgsovega bozona detektorja ATLAS in CMS, na Tevatronu pa CDF in D0.
Kaj vas čaka v naslednjem letu?
Po optimističnem scenariju delovanja trkalnika v naslednjem letu bi lahko ob odsotnosti signala ugotovili, da Higgsovega bozona na celotnem nizkoenergijskem območju, tja do 500 GeV, ni. Poskusi na trkalniku LEP so namreč pokazali, da možnosti za odkritje tega delca pri energijah do 114 GeV tako rekoč ni. Vendar pa je treba pri tem upoštevati, da so pri energiji okoli 115 GeV zaznali majhen signal, žal premajhne intenzitete, da bi lahko z zadostno zanesljivostjo trdili, da gre za Higgsov bozon. Po pesimističnem scenariju bi torej lahko na nizkoenergijskem območju ostalo še neko okence, kjer bi bilo odkritje tega delca mogoče. Sicer pa bo naš trkalnik prihodnje leto pri masah Higgsovega bozona, kjer je bil doslej najbolj uspešen ameriški Tevatron, to je okoli 160 GeV, imel dovolj podatkov, da bo lahko bodisi zaznal signal bodisi z dovolj veliko gotovostjo izključil tudi to območje.
Iz povedanega je mogoče sklepati, da je iskanje Higgsovega bozona še najbolj podobno srečelovu.
Tako je. V Tevatron in trenutno tudi v LHC iščemo signal Higgsovega bozona na ozkem energijskem območju, ki je skupno obema trkalnikoma. S povečevanjem pogostosti trkov in energije snopa protonov pa bomo v LHC prišli na območje, kamor ameriški trkalnik ne more. Če je delec tam, ga bomo torej lahko zaznali samo v našem. Tevatron ima tudi po najbolj optimističnih scenarijih obratovanja možnost dokaza le na območju okoli 160 GeV, torej tam, kjer do sedaj niso zaznali nikakršnega presežka signala nad šumom.
Lov na Higgsov bozon je res osrednja naloga, ki ste si jo naložili pri kolaboraciji ATLAS, vendar ste pričakovanja presegli tudi pri trkih svinčevih ionov.
Izkazalo se je, da sta tako ATLAS kot CMS precej bolj uporabna za opazovanje nenavadnih dogajanj pri izjemno velikih gostotah energij, ki nastajajo pri trkih težkih ionov. To nas je kar malce presenetilo. Očitno je fizika težkih ionov še precejšnja neznanka za vse. Naša detektorja sta namreč meritve pljuskov (jet), ki izhajajo iz plazme kvarkov in gluonov, lahko opravila celo bolj natančno kot detektor ALICE, ki je bil narejen prav za opazovanje trkov težkih ionov.
Kaj pomeni jet quenching ?
Izraz jet quenching je težko prevedljiv, zato smo dr. Mikuža prosili, da nam ta fizikalni pojav pojasni s kar najbolj preprostim besednjakom.
Hitri ionizirajoči delec, ki potuje skozi snov, pri tem izgublja energijo. Povedano s številkami: izgubi okoli 1 MeV na centimeter vode. Ob visokoenergijskih trkih dveh kvarkov iz protonov odletita kvarka v nasprotnih smereh z enako energijo, ki jo v detektorjih zaznamo kot pljusk ( jet ) delcev. Ko pa smo izmerili take trke v svinčevih ionih, se je izkazalo, da je njuna energija različna. In to precej. Odvisna je od tega, ali sta se iona samo oplazila ali pa sta čelno trčila. Zakaj je nastala ta razlika? Po trku mora omenjeni par kvarkov zapustiti območje trka. Na tej poti kvarka, ki nimata naboja, temveč barvo, interagirata z okolico prek močne (barvne) sile – v tem primeru z gluoni. Če so v okolici nukleoni, ki so brezbarvni, kvarka z njimi ne interagirata tako močno. V plazmi pa kvarki in gluoni niso več vezani na nukleone, temveč so prosti. Zato je tu polno barve. Pri prehodu barvnega delca prek medija, ki je obarvan, pa gluoni letijo kot zmešani. Izmenjani gluoni pomenijo, da je kvark izgubil energijo, in ko v pljusku zapusti območje trka, je njegova energija manjša. Ta izguba energije je pošastna. Naj ponazorim s številkami: izgube kvarka, ki leti skozi plazmo iz kvarkov in gluonov, so v primerjavi z izgubami nabitega delca na enoto poti večje kar za 17 redov velikosti (10 17). Tej energijski izgubi fiziki pravimo jet quenching, kar bi lahko prevedli kot nenadno izgubo energije pljuska. To je ena izmed indikacij v teoriji kvantne termodinamike, da so kvarki in gluoni v plazmi res prosti.
Teorija strun in dimenzije v prostoru 
Oddajte komentar