كشف كوارك سر

كوارك سر, ششمین و به احتمال قریب به یقین آخرین كوارك است كوارك ها همراه با لپتون ها الكترون و هم خانواده هایش واحدهای سازنده ماده هستند سبك ترین كوارك ها كه بالا و پایین نام دارند, پروتون و نوترون معمولی را به وجود می آورند و این دو همراه الكترون, تمام عناصر جدول تناوبی را می سازند

● یافتن ششمین كوارك نیازمند پرانرژی ترین برخوردها و صرف هزینه های هنگفتی بود

مارس سال ۱۹۹۵ (اسفندماه ۱۳۷۳) فیزیكدانان بسیاری از سراسر جهان در نشست اضطراری آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی در ایالات متحده (فرمی لب) شركت كردند تا رویدادی تاریخی را جشن بگیرند. سمینار پشت سمینار، پژوهشگران عملكرد و نتایج آزمایش های فراوان خود را ارائه كردند و در نهایت اعلام كردند ذره جدیدی را به نام كوارك سر كشف كرده اند. بدین سان ده ها سال جست وجوی فیزیكدانان برای یافتن یكی از آخرین قطعات گمشده مدل استاندارد فیزیك ذرات به نتیجه رسید.

كوارك سر، ششمین و به احتمال قریب به یقین آخرین كوارك است. كوارك ها همراه با لپتون ها (الكترون و هم خانواده هایش) واحدهای سازنده ماده هستند. سبك ترین كوارك ها كه بالا و پایین نام دارند، پروتون و نوترون معمولی را به وجود می آورند و این دو همراه الكترون، تمام عناصر جدول تناوبی را می سازند. كوارك های سنگین تر (شگفت، افسون، سر و ته) و دیگر لپتون ها هم تنها در شتاب دهنده ها تولید می شوند؛ البته این بدان معنی نیست كه این ذرات هیچ گاه در طبیعت به وفور وجود نداشته اند، چرا كه در نخستین لحظات پس از مهبانگ، عالم مملو از این ذرات بنیادی بود. مدل استاندارد ذرات بنیادی می تواند تعامل بین این واحدهای سازنده ماده را به خوبی توضیح دهد، اما لازمه اش این است كه هر یك از لپتون ها و كوارك ها به صورت جفت ذره وجود داشته باشند كه معمولاً آنها را نسل ذرات می نامند.

فیزیكدانان از سال ۱۹۷۷ (۱۳۵۶) می دانستند كه كوارك سر باید وجود داشته باشد؛ چرا كه جفت آن، كوارك ته، كشف شده بود. اما آزمایش های مختلف نشان داد كه كوارك سر ذره ای بسیاربسیار دردسرساز است كه حاضر نیست خود را نشان دهد. درست است كه برای كوارك سر هیچ ساختار مشخصی تعریف نشده است، اما آزمایش ها نشان می دهد سنگینی این ذره ۱۷۵گیگاالكترون ولت (GeV ۱۷۵) است كه معادل سنگینی یك اتم طلا و بسیار سنگین تر از آنی است كه بسیاری از نظریه پردازان پیش بینی كرده بودند. پروتون كه از دو كوارك بالا و یك كوارك پایین تشكیل شده است، جرمی كمتر از ۱GeV دارد. الكترون ولت یكی از واحدهای انرژی است و با معادله مشهور E=mc۲ به جرم تبدیل می شود. بدین ترتیب هر یك میلیارد الكترون ولت معادل ۲۶-۱۰*۷۷/۱ كیلوگرم است كه تقریباً یك میلیارد میلیارد میلیارد بار سبك تر از یك وزنه یك كیلوگرمی است!

مشخص است كه برای خلق كردن ذره ای مانند كوارك سر باید مقدار بسیار زیادی انرژی را در حجم بسیار كوچكی از فضا متمركز كرد. فیزیكدانان برای این كار، دو ذره را در شتاب دهنده های بزرگ شتاب می دهند و سپس آنها را به سوی برخوردی رودررو با یكدیگر هدایت می كنند. آنها امیدوارند درمیان هزاران میلیارد آزمایش برخورد، انرژی حاصل از برخورد در تعداد قابل قبولی از آنها منجر به تولید كوارك سر شود. اما آنها تا مدت ها نمی دانستند كه برای تولید چنین ذره ای به چه مقدار انرژی نیاز دارند و همین عامل بود كه كشف كوارك سر را این قدر به تاخیر انداخت. مدل استاندارد می توانست برخی از خواص این ذره را مانند بار الكتریكی و اسپین (تكانه زاویه ای ذاتی ذره) مشخص كند، اما در مورد جرم آن نمی توانست هیچ حدی تعیین كند.

درست است كه ماده را می توان فقط با استفاده از انرژی تولید كرد، اما برخی خواص ماده را مانند بارالكتریكی نمی توان با انرژی تولیدكرد، زیرا این خواص در طبیعت ثابت هستند. یك كوارك سر هم خودبه خود تولید نمی شود. ساده ترین راه برای تولید یك كوارك سر این است كه آن را همراه با پادذره اش (پادكوارك سر) تولید كنیم. پادذره همان جرم ذره را دارد، اما دیگر خواصش قرینه خواص ذره است و در صورت برهمكنش با ذره، خواص ثابت یكدیگر را خنثی می كنند.

در سال ۱۹۸۵ (۱۳۶۴) كه برخورددهنده فرمی لب آغاز به كار كرد، هشت سال از آغاز جست وجوی دانشمندان برای یافتن كوارك سر گذشته بود. آزمایش های انجام شده در مركز شتاب دهنده خطی استانفورد در كالیفرنیا و آزمایشگاه DESY در هامبورگ آلمان به نتیجه ای نرسیده بود. به تدریج، شتاب دهنده های پرانرژی تر دیگر آغاز به كار كردند و تلاش برای شكار این ذره گسترده تر شد.

در اوایل دهه ،۱۹۸۰ در سرن (آزمایشگاه اروپایی فیزیك ذرات در ژنو) جریانی از پروتون ها و پادپروتون ها در انرژی ۳۱۵Gev با هم برخورد كردند و دو ذره جدید را به نام های W و Z خلق كردند. كوارك ها و لپتون ها ساختار داخلی ماده را تشكیل می دهند، اما ذراتی مانندW و Z نیروهای بین ذرات را منتقل می كنند. این دو ذره نیروی ضعیف را انتقال می دهند كه عامل برخی واپاشی های رادیواكتیو است. كشف این ذرات اعتبار مدل استاندارد ذرات را بیشتر كرد، چرا كه جرم این دو ذره را به دقت پیش بینی كرده بود. همه انتظار داشتند كه سرن به زودی كوارك سر را نیز كشف كند.

اما یافتن این ذره هنوز مشكل بود. وقتی پروتون ها و پادپروتون ها در انرژی های زیاد باهم برخورد می كنند، برخورد واقعی بین كوارك ها و گلوئون های درونشان روی می دهد. هر كوارك یا گلوئون تنها كسری از انرژی بالای پروتون یا پادپروتون میزبانش را حمل می كند. از سوی دیگر انرژی برخورد باید آن قدر زیاد باشد كه بتواند كوارك سر را خلق كند. چنین واكنش هایی بسیار نادرند و هرچه انرژی لازم بیشتر باشد، یعنی كوارك سر سنگین تر باشد، احتمال وقوعش هم كمتر است.

چند سال گذشت و تا سال ۱۹۸۸ (۱۳۶۷) این ذره در سرن مشاهده نشد. پژوهشگران اروپایی تنها توانستند به این نتیجه برسند كه جرم كوارك سر بیش از ۴۱GeV است. در این زمان، برخورددهنده فرمی لب در ایالات متحده در حال راه اندازی آشكارساز جدید خود به نام CDF بود. رقابت نزدیك و حساسی بین سرن و فرمی لب آغاز شد. دهه ۱۹۸۰ به پایان رسید و كوارك سر خود را نشان نداد، اما دانشمندان توانستند بفهمند كه جرم این ذره كمتر از ۷۷GeV نیست!

سرن به حد بالای انرژی خود رسیده بود. باریكه ذرات این شتاب دهنده نمی توانست كوارك های سنگین تر از ۷۷GeV را تولید كند؛ در نتیجه رقابت به آزمایشگاه ملی فرمی محدود شد، آن هم بین CDF و یك آزمایش جدید در حلقه شتاب دهنده كه به دلیل موقعیتش در مسیر شتاب دهنده، D۰ (دی صفر) نام گرفت. در اوایل دهه ،۱۹۸۰ لئون لدرمن (Leon Lederman) كه مدیریت فرمی لب را برعهده داشت، تصمیم گرفت كهCDF باید رقیبی داخلی نیز داشته باشد. این شد كه در فرمی لب گروه جدیدی تشكیل شد كه D۰ را بسازد. در سال ۱۳۷۱/ ،۱۹۹۲ آزمایش D۰ آغازشد و نخستین داده ها را تولید كرد. جدا از رقابت ایجاد شده بین دو گروه تحقیقاتی فرمی لب كه تلاش ها را دوچندان می كرد، داشتن دو آزمایش كامل كه یك موضوع را بررسی می كردند، این مزیت را داشت كه می شد از صحت نتیجه های به دست آمده اطمینان حاصل كرد. همیشه ممكن است اشتباهی در یك آزمایش پیش بیاید و سازگار نبودن نتایج این دو آزمایش می توانست این اشتباه ها را نشان دهد.

هم اعضای آزمایش CDF و هم اعضای D۰ از گروه هایی بین المللی تشكیل شده بودند كه بیش از چهارصد فیزیكدان در آنها عضویت داشتند. علاوه بر اینها تعداد زیادی مهندس، تكنسین و پرسنل خدمات نیز مشغول به كار بودند. گروه های رقیب مستقل از یكدیگرند؛ هیچ گاه در تحلیل های علمی دیگران مشاركت نمی كنند و هریك در تلاش است دیگری را از دور حذف كند. اما این رقابتی دوستانه است و اگر در زمان های صرف غذا یا استراحت به رستوران و كافه سری می زدید، اعضای گروه های مختلف را می دیدید كه پشت یك میز نشسته اند و باهم گپ می زنند!

این یك قانون نانوشته در هر برنامه تحقیقاتی است كه نتایج هر تحلیل فیزیكی تا وقتی كه تحلیل داده ها به پایان نرسیده است، به بیرون از گروه درز پیدا نكند. اما از همان آغاز هم معلوم بود كه رازداری در مورد موضوعی به اهمیت كشف كوارك سر كاری بسیار دشوار است. در هر گروه تحقیقاتی، حداقل سه نفر پیدا می شد كه همسرشان عضو گروه رقیب بود! برای آنكه از پخش مهارنشدنی شایعات جلوگیری شود، دو گروه باهم قرار گذاشتند اگر در تحلیل های خود به نتایجی رسیدند كه ارزش خبری داشت، گروه دیگر را با اعلانی یك هفته ای خبردار كنند.

حساس ترین بخش هر آزمایش انرژی زیاد، آشكارساز است كه بقایای برخوردها را ثبت می كند. دانشمندان بر اساس بهترین محاسبه های نظری، انتظار داشتند از بین هر ده میلیارد برخورد پروتون و پادپروتون، یك برخورد منجر به تولید كوارك سر شود. بقیه برخوردها برای مقاصد دیگری مناسب بود و دشواری كار اینجا بود كه از بین این همه برخورد به دردنخور، برخوردی باید پیدا می شد كه كوارك سر را تولید می كرد.

دانشمندان هر دو گروه CDF و D۰ در طول یك دهه ابزارهای پیچیده و غول آسایی را ساخته بودند كه هریك از آنها دارای صدهاهزار مدار الكترونیكی بود و همه آنها تنها برای یك هدف طراحی شده بودند: یافتن ردپای كوارك سر. آشكارساز CDF این توانایی را دارد كه مسیر هر ذره ای را در میدان مغناطیسی به دقت مشخص كند و از این راه تكانه آن ذرات را تعیین كند؛ اما دستگاه D۰ به یك گرماسنج بسیار حساس و دقیق مجهز است كه می تواند انرژی هر برخورد را اندازه گیری كند.

در صورتی كه كوارك و پادكوارك سر خلق شوند، تقریباً در همان لحظه واپاشی می كنند. این ذره برخلاف كوارك های بالا و پایین كه ذرات پایداری هستند، بسیار ناپایدارند و نیمه عمرشان تنها

۲۴-۱۰ ثانیه است، یعنی پس از این مدت نیمی از كوارك ها و پادكوارك های سر واپاشیده می شوند و به ذرات دیگری تبدیل می شوند. مدل استاندارد پیش بینی می كند اگر كوارك سر به اندازه كافی سنگین باشد، تقریباً همیشه به یك ذره W و یك كوارك ته واپاشیده می شود. بنابراین اگر یك زوج كوارك و پادكوارك سر تشكیل شوند، باید دو ذرهW، یك كوارك ته و یك پادكوارك ته تولید كنند.

متاسفانه نمی توان هیچ یك از ذرات W و كوارك ته را مستقیماً دید. نیمه عمر ذره W تقریباً برابر نیمه عمر كوارك سر است. كوارك ته هم ناپایدار است، اما خیلی بیشتر از كوارك سر عمر می كند. از سوی دیگر، تاكنون هیچ كواركی به تنهایی دیده نشده است. (دانشمندان اصطلاحاً می گویند كه كوارك ها هیچ وقت «برهنه» نمی شوند). نیروی هسته ای قوی كه كوارك ها را در كنار هم نگه می دارد، آنها را ملزم می كند كه همیشه در كنار دیگر كوارك ها و پادكوارك ها ظاهر شوند؛ اگر كوارك ها دوتادوتا باشند ذره حاصل مزون نام دارد و اگر كوارك ها سه تایی باشند، آن ذره باریون نامیده می شود (پروتون ها و نوترون ها باریون هستند). وقتی كواركی در یك برخورد آزاد می شود، ابری از دیگر كوارك ها و پادكوارك ها آن را می پوشانند و نمی گذارند برهنه بماند. آنچه دیده می شود، یك جت است، باریكه ای جهت دار از ذرات كه در همان مسیر كوارك اولیه حركت می كند.

● بمبارانی از جت ها

ذرهW می تواند به یك كوارك و پادكوارك هم نسل تبدیل شود، مانند یك كوارك بالا و یك پادكوارك پایین كه در آشكارساز به صورت دو جت ذرات دیده می شوند. اما این ذره می تواند واپاشی لپتونی نیز داشته باشد، یعنی به یك لپتون باردار و یك لپتون خنثای هم نسل واپاشیده شود، مانند یك الكترون و یك نوترینو!

اگر لپتون باردار، الكترون یا میون (لپتونی سنگین تر از الكترون) باشد، می توان آن را مستقیماً در آشكارساز مشاهده كرد. اما اگر لپتون تاو باشد (ذره ای شبیه الكترون ولی خیلی سنگین تر)، به سرعت واپاشی می كند و پیدا كردنش بسیار دشوار می شود. نوترینوی حاصل در واپاشی W جرم بسیار اندكی دارد و بدون دیده شدن از آشكارساز عبور می كند. خوشبختانه می توان حضورش را تشخیص داد، زیرا این ذره بخشی از تكانه برخورد را با خود می برد. مجموع تكانه ذرات در هر برخوردی ثابت است؛ اگر تكانه تمام ذراتی كه در آشكارساز دیده می شوند باهم جمع شوند و به مقدار قابل توجهی كم باشد، نتیجه این می شود كه یك نوترینو آن مقدار را با خود برده است.

آزمایشگاه فرمی در آگوست ۱۹۹۲ (مردادماه ۱۳۷۱ ) شكار كوارك سر را مجدداً آغاز كرد. در آن ماه دانشمندان حد پایین جرم این ذره را ۹۱GeV تعیین كردند. این گام بزرگی بود. ذره W برهمكنش هایی را بین كوارك های هم نسل ایجاد می كند و خوشبختانه كوارك های سر و ته هم جزء آن نسل هستند. اگر كوارك سر به اندازه كافی سبك می بود (یعنی سبك تر از ۷۵GeV) ذره W می توانست در واپاشی خود، این ذره را به همراه یك پادكوارك ته تولید كند. اما با رسیدن به حد ۹۱GeV مشخص شد تنها راهی كه می توان كوارك سر را پیدا كرد، خلق یك زوج كوارك-پادكوارك سر است.

Scientific American,Sep.۱۹۹۷

تونی لیس- پال تیپتون

ترجمه: ذوالفقار دانشی

---