Znajdź zawartość

Przed czterema miesiącami zamknięto Tevatron, niezwykle zasłużony dla nauki akcelerator cząstek z amerykańskiego Fermilab. Jednak prowadzone w nim w przeszłości prace ciągle umożliwiają dokonywanie kolejnych odkryć. Akcelerator dostarczył olbrzymiej ilości danych, których analiza i interpretacja ciągle nie zostały zakończone. Podczas konferencji we Włoszech poinformowano, że dane z Tevatronu wskazują, iż podczas zderzeń protonów z antyprotonami pojawiały się liczne sygnały, których źródłem może być bozon Higgsa o masie pomiędzy 117-131 GeV. Statystyczne prawdopodobieństwo wynosi 2,6 sigma, co oznacza, że istnieje 0,5% szansy, iż sygnały są przypadkowe. Jest więc ono zbyt niskie, by jednoznacznie rozstrzygnąć o istnieniu bozonu w tym przedziale, jednak znaczenie odkrycia polega na tym, iż potwierdza ono obserwacje dokonane w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Wynika z nich, że Boska Cząstka, o ile istnieje, może mieć masę około 125 gigaelektronowoltów. Dane z Tevatronu są tym cenniejsze, iż akcelerator pracował w inny sposób niż LHC i obserwował inne rodzaje rozpadu cząstek, zatem można stwierdzić, że podobne wyniki uzyskano różnymi metodami. Ponadto LHC uzyskało swoje wyniki z 5 odwrotnych femtobarnów, ale przy energii 7 teraelektronowoltów. Ilość danych z Tevatrona to 10 odwrotnych femtobarnów uzyskanych przy energii 2 TeV. W bieżącym roku, jak informowaliśmy, LHC będzie pracował z energią 8 TeV. To powinno pozwolić na uzyskanie danych o statystycznym prawdopodobieństwie wynoszącym 5 sigma. To wystarczy, by ogłosić odkrycie bozonu Higgsa. O ile, oczywiście, on istnieje.

Tevatron, najbardziej zasłużony dla nauki akcelerator cząstek, przechodzi na emeryturę. Dzisiaj o godzinie 14 czasu miejscowego (godzina 21 czasu polskiego) Pier Oddone, dyrektor Fermilab, które zarządza Tevatronem, wyda polecenie wyłączenia akceleratora na zawsze. Zatrzymane zostaną dwie wiązki, pomiędzy którymi od 1985 roku zachodziły kolizje, umożliwiające fizykom badanie świata subatomowego. Znaczenie amerykańskiego akceleratora dla nauki trudno jest przecenić. To dzięki niemu odkryto 3 z 17 znanych cząstek elementarnych. To Tevatron był podstawowym narzędziem pracy dwóch pokoleń fizyków. Największym sukcesem w historii akceleratora było odkrycie w 1995 roku kwarka wysokiego, ostatniego z brakujących budulców materii. Decyzję o powstaniu Tevatronu podjęto w latach 70. ubiegłego wieku. Urządzenia, które powstały na jego potrzeby, takie jak nadprzewodzące magnesy, pozwoliły na pojawienie się szpitalnych maszyn do rezonansu magnetycznego. Dzięki Tevatronowi istnieje też Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), gdyż zastosowano w nim te same technologie. Nie ma mowy o tym, by LHC mógł powstać bez Tevatronu - mówi fizyk Christopher Quigg, który w Fermilab pracuje od 1974 roku. Tevatron ma olbrzymie zasługi, ale zdaniem wielu uczonych, mógłby dokonać jeszcze więcej. Najnowsze badania wykazały, że bozon Higgsa, którego znalezienie jest jednym z głównych zadań LHC, jest w zasięgu Tevatronu. Między innymi dlatego grupa wpływowych fizyków apelowała do Departamentu Energii, do którego należy Fermilab, by akcelerator mógł pracować do roku 2014. Urzędnicy stwierdzili jednak, że utrzymanie Tevatronu pochłania zbyt dużo pieniędzy - 25 milionów dolarów rocznie - i lepiej jest przeznaczyć te fundusze na dwa nowe eksperymenty w Fermilab. Ponadto, jak zauważył dyrektor Biura Nauki Departamentu Energii, LHC ma większe możliwości niż Tevatron. W związku z zamknięciem Tevatronu z pracy w Fermilab odeszły 42 osoby, jednak reszta z 1800 pracowników pozostaje. Wyłączenie akceleratora oznacza też, że teraz to Amerykanie będą jeździli do Europy, by korzystać z LHC. Przez dwa dziesięciolecia podróże naukowców odbywały się w przeciwną stronę. Od 1985 roku z Tevatronu skorzystało 6361 fizyków, z czego 1684 było obywatelami USA. Przez najbliższe lata to LHC będzie dla fizyki tym, czym był Tevatron. Amerykańscy naukowcy mieli nadzieję, że w USA powstanie następca akceleratora z Fermilab. Zostały one zniweczone w 1993 roku, gdy Kongres nie zgodził się na dalsze finansowanie prac nad Superconducting Super Collider. Wcześniej zdążono nań wydać 2 miliardy dolarów i wydrążono 22,5 kilometra tuneli. Całkowita długość SSC miała wynosić 87 kilometrów. Obecnie USA nie mają żadnych planów dotyczących ewentualnej budowy własnego akceleratora. Niewykluczone zresztą, że tak wyjątkowy projekt jak Tevatron - duży akcelerator zbudowany przez pojedyncze państwo - nigdy nie powstanie. W dawnych czasach Stany samodzielnie zbudowały Tevatron. Ale budowa następnej takiej maszyny będzie wyglądała inaczej. Będziemy potrzebowali pomocy innych - powiedział doktor Rob Roser, dyrektor jednego z dwóch detektorów Tevatronu. Jednak w najbliższej perspektywie Roser nie widzi możliwości powstania w USA akceleratora. Na przeszkodzie stoją dwa czynniki. Po pierwsze budżety na naukę są układane z roku na rok, trudno zatem byłoby przekonać Kongres do podjęcia decyzji o finansowaniu urządzenia, którego budowa potrwałaby wiele lat i które trzeba by utrzymywać przez kolejne dziesięciolecia. Ponadto w ciągu ostatniej dekady USA wprowadziły liczne ograniczenia w podróżowaniu, co utrudniłoby wizyty naukowców z zagranicy. A to z kolei utrudni przekonanie innych rządów do partycypowania w budowie akceleratora. Dlatego przez wiele najbliższych lat to Amerykanie będą podróżowali do Europy, by pracować na LHC, którego powstanie amerykański rząd dofinansował kwotą 531 milionów dolarów. Dyrektor Oddone nie wyklucza, że tunele Tevatronu zostaną zamienione w ogólnodostępne muzeum.

Dyrektor generalny CERN-u Rolf Heuer twierdzi, że do końca 2012 roku Wielki Zderzacz Hadronów ostatecznie dowiedzie istnienia bądź nie bozonu Higgsa. Aby to sprawdzić potrzebujmy więcej danych, nawet dziesięciokrotnie więcej niż obecnie - stwierdził Heuer. Fizycy z CERN już wiedzą, że jeśli bozon Higgsa istnieje, to jego masa wynosi od 115 do 140 gigaelektronowoltów. Jeśli zostanie on znaleziony w tym zakresie, to będzie on bozonem przewidzianym w Modelu Standardowym bądź też bozonem Higgsa z teorii o supersymetrii. Bozon o masie ponad 450 GeV wykluczy supersymetrię, stwierdził Heuer. Supersymetria to zestaw teorii stwierdzających, że każda znana cząstka ma co najmniej jednego, nieznanego nam, partnera. Jeśli chodzi o bozon Higgsa to mamy dane dotyczące jego masy i kilka intrygujących fluktuacji. Prawdopodobnie masa bozonu Higgsa jest niska. Jeśli nie znajdziemy go w przedziale niskich mas, to będzie oznaczało, że Model Standardowy jest nieprawidłowy. O bozonie Higgsa wiemy wszystko, z wyjątkiem tego, czy istnieje - dodał Heuer. Uczeni z cernowskiego Compact Muon Solenoid Experiment już wcześniej poinformowali o tym, że znaleźli bozon Higgsa, jednak nie mają wystarczającej ilości danych, by to potwierdzić. Uczeni z amerykańskiego Fermilab, które korzysta z akceleratora Tevatron, również informowali o zauważeniu czegoś, co może być bozonem Higgsa. Także i oni nie są w stanie obecnie tego potwierdzić. Jeśli bozon Higgsa istnieje, to Tevatron może wkrótce zanotować wiele sygnałów świadczących o jego obecności. Biorąc pod uwagę liczbę dokonanych kolizji Tevatron jest obecnie unikatowym urządzeniem pod względem możliwości badania rozpadów bozonów Higgsa w kwarki spodnie - oświadczyli przedstawiciele Fermilab. Także i oni twierdzą, że do końca przyszłego roku będą w stanie potwierdzić lub wykluczyć istnienie Boskiej Cząstki. Przed kilkoma dniami Fermilab poinformowało o odkryciu nowej cząstki - Xi-sub-b.

Naukowcy z Fermilab odkryli nową cząstkę. Jest nią obojętna Ξb0 (Xi-sub-b), ciężki „krewny" neutronu. Składa się ona z trzech kwarków: dziwnego (strange), górnego (up) i spodniego (bottom). Od nich pochodzi „sub" w nazwie. Istnienie Xi-sub-b zostało przewidziane w Modelu Standardowym. Ξb0 należy do barionów, cząstek stworzonych z trzech kwarków. Najbardziej znanymi barionami są proton i neutron. Xi-sub-b to barion spodni. Tego typu bariony są około 6-krotnie cięższe od protonu i neutronu, gdyż zawierają ciężki kwark spodni. Xi-sub-b powstają tylko podczas wysokoenergetycznych kolizji. Trudno je zaobserwować, gdyż żyją przez niezwykle krótki czas. Przed rozpadem zdążą przemieścić się tylko ułamki milimetra. Wychwycenie Xi-sub-b wymagało przeprowadzenia w akceleratorze Tevatron niemal 500 biliardów zderzeń protonów i antyprotonów. Dzięki temu zanotowano 25 sygnałów, mogących świadczyć o odkryciu wspomnianej cząstki. Sygnały oceniono na 7 sigma. Poziom 5 sigma pozwala już mówić o odkryciu.

Zespoły naukowe z Fermilab, korzystające z akceleratora Tevatron, spierają się, czy ostatnio dokonano odkrycia sygnałów wskazujących na pojawienie się nowej cząsteczki, której właściwości wykraczają poza standardowe modele fizyczne. W kwietniu grupa badaczy korzystająca z aparatury Collider Detector w Fermilab (CDF) poinformowała o zauważeniu bozonu W oraz strumieni licznych cząstek, których istnienia nie przewidują standardowe modele. Miesiąc później przeprowadzili eksperymenty, które dostarczyły informacji popierających ich wcześniejsze twierdzenia. Fizycy teoretyczni zdążyli opublikować w arXiv kilkanaście artykułów, próbujących objaśnić to, co znaleziono. Tymczasem w ubiegły piątek, 10 czerwca, inna grupa naukowców, używająca w swojej pracy narzędzia DZero ogłosiła, że uzyskane przez nią dane nie potwierdzają twierdzeń ich kolegów. Wyniki nie są dobre dla grupy CDF. Nie potwierdzamy istnienia sygnału. Niczego tam nie widzimy - napisali w oświadczeniu uczeni. To niezwykła sytuacja. Grupy DZero i CDF bardzo rzadko uzyskują inne wyniki. W ciągu ostatnich 10 lat obie grupy opublikowały około 500 dokumentów i tylko dwa lub trzy razy się ze sobą nie zgadzały. Dmitri Denisov, rzecznik DZero mówi, że jego grupa jest pewna swoich wyników, a to oznacza, że coś jet nie tak z rezultatami uzyskanymi przez CDF. Z kolei Rob Roser, rzecznik CDF twierdzi, że także są pewni swoich rezultatów. Jego zdaniem jedynym wyjściem z tej sytuacji jest spotkanie obu grup i wspólna analiza uzyskanych wyników. To trudne zadanie i zajmie chwilę, zanim znajdziemy rozwiązanie - dodaje Roser. Grupa CDF po zderzeniu protonów z antyprotonami zauważyła bozon W oraz dwa strumienie innych cząstek. W ich spektrum energetycznym pojawił się mocniejszy sygnał, wskazujący na istnienie cząstek, kŧórych nie przewidują obecnie używane modele. Znaczenie statystyczne uzyskanego sygnału wynosi 4,1 sigma, czyli nieco mniej od 5 sigma, co pozwoliłoby na bezsprzeczne potwierdzenie odkrycia. Tymczasem DZero w tym samym spektrum energetycznym nie zauważyła żadnego sygnału, co odpowiada -4,3 sigma. Swoje dane sprawdzali też naukowcy pracujący z LHC, którzy również nie zauważyli niczego szczególnego we wspomnianym paśmie. Uczeni dodają jednak, że LHC zebrał dotychczas zbyt mało danych, by definitywnie rozstrzygać spór. Fizycy teoretyczni z niecierpliwością czekają na zakończenie sporu. Pran Nath z Northeastern University, który zaproponował nowy model obejmujący odkrycie CDF mówi, że będzie rozczarowany, jeśli okaże się, że nie znaleziono nowych cząstek. Z kolei Scott Thomas z Rutgers University stwierdził, że będzie dokładnie analizował wyniki uzyskane przez DZero. Już przeanalizował dane opublikowane przez CDF i nie znalazł w nich błędu. To bardzo trudny pomiar, ale wydaje się, że zrobili wszystko tak, jak należy - mówi.

Głównym celem Wielkiego Zderzacza Hadronów jest znalezienie bozonu Higgsa, czyli Boskiej Cząstki. Jednak najnowsze badania amerykańskich fizyków wskazują, że może istnieć kilka, dokładnie pięć, wersji poszukiwanego bozonu. Jeśli Amerykanie mają rację, to konieczna będzie zmiana obowiązującego obecnie Modelu Standardowego. Koncepcję istnienia wielu odmian bozonu zasugerowały wyniki eksperymentu DZero, przeprowadzonego w akceleratorze Tevatron w Fermilab. W sędziwym już Tevatronie zderzane są protony i antyprotony. W wyniku kolizji powstaje minimalnie więcej par cząstek materii od antymaterii. Ostatnie eksperymenty wykazały jednak, że w Tevatronie powstało o 1% więcej par mionów niż antymionów. Tego typu różnice znane są od dawna jako naruszenie symetrii CP. Nigdy jednak nie zaobserwowano tak dużych różnic jak w DZero. To wskazuje na istnienie czegoś więcej niż po prostu asymetrię materii i antymaterii. Takich różnic nie tłumaczy Model Standardowy. Bogdan Dobrescu, Adam Martin i Patrick J. Fox z Fermilab uważają, że tak duża asymetria może wskazywać na istnienie wielu odmian bozonu Higgsa. Ich zdaniem eksperyment sugeruje istnienie pięciu rodzajów bozonu o podobnych masach, ale różnym ładunku elektrycznym. Trzy z nich mogą być obojętne, jeden dodatni, a jeden ujemny. Teoria o istnieniu tylu bozonów istnieje już od pewnego czasu, a teraz zyskała pewne podstawy eksperymentalne. W modelu z dodatkowym dubletem Higgsa jest miejsce na wyniki, jakie uzyskaliśmy podczas eksperymentu DZero. Problemem jest natomiast uzyskanie takich wyników, bez zniszczenia tego, co zmierzono wcześniej - mówi doktor Martin. Przyznaje jednocześnie, że możliwe jest wytłumaczenie uzyskanych wyników w Modelu Standardowym. Jednak Model ten jest przez coraz większe rzesze specjalistów uznawany za niewystarczający. Teoria o dodatkowym dublecie bozonów Higgsa częściowo wpasowuje się w Model i nie wymaga wprowadzania w nim rewolucyjnych zmian.

Naukowcy z amerykańskiego Fermi National Accelerator Laboratory, w którym znajduje się Tevatron, liczący sobie już 22 lata akcelerator cząstek, twierdzą, że istnieje 50% szansa, iż do końca bieżącego roku udowodnią istnienie bozonów Higgsa. Jak pamiętamy, ich odkrycie ma być jednym z najważniejszych osiągnięć Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), który wciąż jest naprawiany i ma ruszyć pod koniec września. Swoje szacunki Amerykanie opierają na wydajności Tevatronu oraz nadziei, że maszyna jest w ogóle w stanie wykryć bozon Higgsa. Jeśli mu się to uda, ponownie przejdzie do historii nauki. Wśród dotychczasowych osiągnięć Tevatronu należy wymienić odkrycie kwarka wysokiego i zmierzenie jego masy, zaobserwowanie dwóch barionów sigma czy barionu omega. Z Modelu Standardowego wynika, że masa bozonu Higgsa wynosi od 114 do 184 gigaelektronowoltów, a więc jego wykrycie znajduje się w zasięgu Tevatronu i jest tylko kwestią czasu. Przed rokiem Fermilab wykluczyło, że masa Boskiej Cząsteczki wynosi 170 GeV i poszukuje jej po obu stronach wyznaczanych przez tę wartość. Za kilka miesięcy, jeszcze zanim LHC wystartuje, Amerykanie powinni wiedzieć, czy bozonu należy szukać w okolicach 150 GeV. Tevatron, mimo iż ma swoje lata, ma tę przewagę na LHC, że zderzane są w nim protony z antyprotonami, co produkuje znacznie mniej zakłóceń. Oczywiście oficjalnie różne laboratoria ze sobą współpracują i dzielą się wiedzą, jednak, jak możemy się domyślać i jak przyznają sami naukowcy, istnieje silne poczucie rywalizacji. Ta jest korzystna dla wszystkich, gdyż, jak mówi Dmitri Denisov z Fermilab, oni [CERN - red.] na pewno czują tę rywalizację i bardziej przykładają się do pracy.

Ponowne uruchomienie Wielkiego Zderzacza Hadronów zostało po raz kolejny przełożone. Urządzenie zostało wyłączone po awarii, do której doszło 19 września 2008 roku. Początkowo informowano, że LHC rozpocznie pracę w kwietniu 2009, a następnie start urządzenie przełożono na wrzesień. Teraz dowiadujemy się, że akcelerator zostanie uruchomiony w październiku. Przedstawiciele CERN powiedzieli również, że dopiero w sierpniu będą w stanie podać dokładną datę rozpoczęcia pracy Wielkiego Zderzacza Hadronów. Wówczas bowiem powinny zakończyć się wszystkie testy. Ponadto CERN nie zdecydował jeszcze, czy urządzenie będzie pracowało z energią 4 teraelektronovoltów czy 5 TeV. Obecnie najpotężniejszym działającym akceleratorem cząstek jest leciwy amerykański Tevatron, pracujący w Fermilab z energią 1 TeV.