28/8/12

Όταν ο LEP “ανίχνευσε” το σωματίδιο Higgs

Η ανακοίνωση της ανακάλυψης του σωματιδίου Higgs προκάλεσε τεράστιο ενθουσιασμό στην τάξη των φυσικών αλλά και πολλές (δικαιολογημένες) απορίες στο ευρύτερο κοινό που δεν έχει και τις καλύτερες σχέσεις με τη φυσική. Τόσα και τόσα επιστημονικά επιτεύγματα ανακοινώνονται καθημερινά, γιατί έγινε τόσος ντόρος για ένα σωματίδιο; Άλλωστε, δεν ήταν και λίγα αυτά που είχαν ανακαλυφθεί μέχρι τότε.
Αυτές οι απορίες σχετικά με το Higgs (και όχι μόνο) ξεδιαλύνονται στο βιβλίο που έγραψε ο Ian Sample με τίτλο «Higgs, σωματίδιο του Θεού» [εκδόσεις Τραυλός, μετάφραση: Νίκος Αποστολόπουλος] Στο βιβλίο αυτό περιγράφεται όλο το ιστορικό της έρευνας – θεωρητικής και πειραματικής – σχετικά με το σωματίδιο Higgs. Μπορεί ο όρος «σωματίδιο του Θεού» που περιέχεται στον τίτλο να προκαλεί μια δυσφορία – το περιεχόμενο όμως του βιβλίο εξιστορεί ένα πλήθος γεγονότων που σχετίζονται με το μποζόνιο Χιγκς και την φυσική των υψηλών ενεργειών. Διαβάζοντάς το μαθαίνουμε: πως και γιατί ο Peter Higgs αλλά και άλλοι επιστήμονες την δεκαετία του 60 εισήγαγαν το σωματίδιο Χιγκς στη φυσική, πως ξεκίνησε η πειραματική έρευνα για την ανίχνευση του σωματιδίου Χιγκς και για τον ανταγωνισμό μεταξύ ΗΠΑ και Ευρώπης, πως και γιατί ενώ άρχισε να κατασκευάζεται ο υπερεπιταχυντής στο Τέξας τελικά δεν κατασκευάστηκε ποτέ, πως σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ο Μεγάλος Συγκρουστής Αδρονίων (Large Hadron Collider – LHC) που τελικά ανακάλυψε το σωματίδιο Higgs ... ... και πολλά άλλα γεγονότα σχετικά με το σωματίδιο Χιγκς, τους φυσικούς και την φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Ένα τέτοιο χαρακτηριστικό γεγονός ήταν η «παραλίγο ανακάλυψη» του σωματιδίου Χιγκς από τον επιταχυντή LEP. Ο επιταχυντής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων LEP (Large Electron-Positron Collider) υπήρξε ο πρόγονος του LHC. Επρόκειτο για κυκλικό επιταχυντή λεπτονίων με περιφέρεια 27 χιλιομέτρων που χτίστηκε σε μια σήραγγα σα σύνορα της Ελβετίας και Γαλλίας. Χρησιμοποιήθηκε από το 1989 μέχρι το 2000 και κατά τη διάρκεια λειτουργίας παρήγαγε και μέτρησε με μεγάλη ακρίβεια τις μάζες των μποζονίων Ζ και W. Και ενώ είχε προγραμματιστεί το κλείσιμό του έτσι ώστε να αρχίσει η κατασκευή του διαδόχου επιταχυντή LHC, στις 6 Ιουνίου του 2000, στα πλαίσια του γύρου λειτουργίας του LEP υπ’ αριθμόν 54698, ένας από τους ανιχνευτές του, ο Άλεφ (ALEPH), κατέγραψε μια χαρακτηριστική ένδειξη που παρέπεμπε στο σωματίδιο Higgs .... Το γεγονός αυτό - που προκάλεσε κάποια παράταση λειτουργίας του επιταχυντή και μια καθυστέρηση της έναρξης κατασκευής του LHC – περιγράφει ο Ian Sample στο βιβλίο του με γλαφυρό τρόπο:
“.... Στις 15 Ιουνίου (2000), ο έλληνας φυσικός Νίκος Κωνσταντινίδης, συνδέθηκε στο εσωτερικό δίκτυο του CERN προκειμένου να πάρει δεδομένα από τον Άλεφ, έναν από τους τέσσερις μεγάλους ανιχνευτές του επιταχυντή.
 Ήθελε να δει τα τελευταία αποτελέσματα. Κάθε πρωί, ο ανιχνευτής έτρεχε αυτομάτως ένα υπολογιστικό πρόγραμμα το οποίο ήλεγχε τις συγκρούσεις της προηγούμενης ημέρας και αναρτούσε στο εσωτερικό δίκτυο γεγονότα τα οποία έδειχναν ενδιαφέροντα. Εκείνο το πρωινό είχε βρει κάτι σημαντικό. 
O Kωνσταντινίδης κλίκαρε το συμβάν και άρχισε να το περιεργάζεται. Έδειχνε ξεκάθαρα τέσσερις πίδακες σωματιδίων, καθένας από τους οποίους είχε παραχθεί από ένα κουάρκ που ξεπεταγόταν από τη σύγκρουση. Μετά από λίγους ακόμη ελέγχους, ο Κωνσταντινίδης υπολόγισε ότι δυο από τα κουάρκ προέρχονταν από τη διάσπαση ενός σωματιδίου μάζας ίσης περίπου με 91 GeV – από ένα σωματίδιο Ζ, χωρίς αμφιβολία. 
Ωστόσο, τα άλλα δυο κουάρκ προέρχονταν από ένα σωματίδιο με μάζα ίση περίπου με 114 GeV. Ήταν πολύ βαρύ για να είναι σωματίδιο Ζ. 
Ο Κωνσταντινίδης πήγε στο διπλανό γραφείο και κουβέντιασε με τους συναδέλφους του. 
Ακούγοντας τις συμβουλές τους, έκανε μερικούς ακόμα ελέγχους. «Καθώς το κοιτούσα έθετα ερωτήματα αμφισβητώντας το. Μου πήρε μισή ώρα, ίσως μία. Και όσο περισσότερο το εξέταζα, τόσο περισσότερο το επιβεβαίωνα, τόσο περισσότερο έμοιαζε με Χιγκς. Ήταν ένα όμορφο, αξιοπρόσεκτο συμβάν», είπε.
Οι ανυπόμονοι δεν καταφέρνουν πολλά στη σωματιδιακή φυσική. Ο ανιχνευτής είχε συλλάβει κάτι που έμοιαζε με παράγωγο προϊόν της διάσπασης ενός σωματιδίου Χιγκς, όμως στη φυσική μια μόνο φευγαλέα εικόνα δεν είναι τίποτα. Πρέπει να ξαναδούμε το ίδιο πράγμα πολλές φορές για να είμαστε σίγουροι ότι δεν πρόκειται για τέχνασμα της φύσης. 
Στον κβαντικό κόσμο, αφθονούν πράγματα που προκαλούν σύγχυση. Οι κανόνες που προσδιορίζουν μια ανακάλυψη στη σωματιδιακή φυσική έχουν ως εξής: 
Πριν κάποιος αρχίσει να χοροπηδάει μέσα στο εργαστήριό του κραυγάζοντας «Εύρηκα!», πρέπει να είναι απολύτως σίγουρος ότι το νέο σωματίδιο δεν είναι κάτι ασήμαντο που απλά έτυχε να εμφανιστεί και να τρυπώσει στα δεδομένα του. Πως μπορεί να είναι απολύτως βέβαιος; 
Η εμφάνιση του σωματιδίου πρέπει να είναι τόσο ξεκάθαρη και αξιόπιστη ώστε οι πιθανότητες να αποτελεί στατιστική διακύμανση στα δεδομένα να είναι μικρότερες από μία σε μερικά εκατομμύρια. 
Για να το διαπιστώσουμε, συγκρίνουμε τα γεγονότα που παρατηρούμε με τις τιμές που αναμέναμε να καταγράψουμε εάν το σωματίδιο δεν υπήρχε. οι φυσικοί χρησιμοποιούν ένα στατιστικό μέτρο που ονομάζεται τυπική απόκλιση – και συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα σ – προκειμένου να ιεραρχήσουν την εμπιστοσύνη τους στις πιθανές ανακαλύψεις.
 Εάν έχουμε μια ανακάλυψη με τυπική απόκλιση ίση με 3σ, μπορούμε να τη χαρακτηρίσουμε ως «ένδειξη» ύπαρξης του νέου σωματιδίου, ωστόσο για να ισχυριστούμε ότι έχουμε μια πραγματική ανακάλυψη πρέπει να διαθέτουμε ένα σήμα με τυπική απόκλιση ίση τουλάχιστον με 5σ. 
Αυτό θα σήμαινε ότι η πιθανότητα το αποτέλεσμα να είναι εσφαλμένο είναι μικρότερη από ένα σε λίγα εκατομμύρια. 
Στην πράξη, η κλίμακα σ δεν περιορίζεται προς τα πάνω, με κάθε αύξηση της τιμής της τυπικής απόκλισης το αποτέλεσμα γίνεται όλο και πιο αξιόπιστο.
Στα τέλη Ιουνίου, η ομάδα του Άλεφ συναντήθηκε για να συζητήσει τα τελευταία αποτελέσματα. 
Ο Κωνσταντινίδης έλαβε το λόγο και μίλησε για το γεγονός που είχε διερευνήσει και ξεχώριζε ανάμεσα σε όλες τις άλλες συγκρούσεις. Ήταν ένα μόνο συμβάν όμως οι ερευνητές άρχισαν σταδιακά να διερωτώνται: μήπως, τελικά, είχαν συλλάβει μια φευγαλέα εικόνα του Χιγκς; (....)
Ο ανιχνευτής ALEPH
Από τον Ιούνιο, η ομάδα του Άλεφ είχε εντοπίσει δύο ακόμη συγκρούσεις που είχαν δώσει μοτίβα τρομερά όμοια με εκείνα του σωματιδίου Χιγκς. Έμοιαζαν με εκείνα του που είχε εντοπίσει ο Κωνσταντινίδης στις 15 Ιουνίου.
 Η στατιστική σημασία των σημάτων τους κυμαινόταν στα 3,9σ – ενθαρρυντικά, αλλά όχι αρκετά για να χαρακτηριστούν «ανακάλυψη». 
Μια δεύτερη ομάδα στον ανιχνευτή Ντέλφι (DELPHI)  είχε επίσης εντοπίσει δύο συγκρούσεις στις οποίες θα μπορούσαν να είχαν δημιουργηθεί σωματίδια Χιγκς, όμως τα μέλη της δεν εξέφρασαν βεβαιότητα. 
Όταν συνδυάστηκαν τα αποτελέσματα και από τους τέσσερις ανιχνευτές, οι ενδείξεις υπέρ της ύπαρξης του σωματιδίου Χιγκς χαρακτηρίζονταν από μια τυπική απόκλιση 2,7σ(...)
 Στις αρχές Οκτωβρίου 2000 (...) η κατάσταση δεν είχε αλλάξει δραματικά. τα μόνα πιθανά στιγμιότυπα του σωματιδίου Χιγκς προέρχονταν ακόμη από τον Άλεφ και τον Ντέλφι, και η τυπική απόκλιση των δεδομένων είχε πέσει στα 2,5σ 
(...) Λίγες εβδομάδες αργότερα (...) ο Ρος Μπερμπένκο, ένας φυσικός που εργαζόταν σε έναν άλλο ανιχνευτή του LEP, τον επονομαζόμενο L3, ξημερωνόταν στο εργαστήριο. 
Σε μια από τις τελευταίες προσπάθειες πριν από την τελική συνάντηση, επεξεργαζόταν τα δεδομένα που είχε καταγράψει ο ανιχνευτής τις δυο τελευταίες εβδομάδες. 
Το ρολόι στον τοίχο έδειχνε μεσάνυχτα. «Ήθελα απλώς να τελειώνω, να πάω σπίτι, να χαλαρώσω, να πάρω τηλέφωνο στο κορίτσι μου», είπε. Όταν η επεξεργασία τελείωσε, ο Μπερμπέκο κοίταξε τα δεδομένα. 
Εντόπισε ένα συμβάν που έμοιαζε με Χιγκς, το οποίο είχε καταγραφεί στις 10 μ.μ. της 16ης Οκτωβρίου. Ήταν ένα διαφορετικό είδος σήματος, το δεύτερο πιο πιθανό είδος διάσπασης ενός σωματιδίου Ζ σε νετρίνα. Ένας αριθμός άφησε αποσβολωμένο τον Μπερμπέκο. 
Τα στοιχεία στον υπολογιστή έδειχνα πόσο πολύ έμοιαζαν θραύσματα της σύγκρουσης με αυτό που θα αναμέναμε εάν επρόκειτο για το σωματίδιο Χιγκς. 
Ο αριθμός μπορούσε να λάβει τιμές από το 0 έως το 1, με την τιμή 1 να αναφέρεται στο καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. 
Η οθόνη έδειχνε 0,9995. Ο Μπερμπέκο συνέχισε να κοσκινίζει το συμβάν. Εκτέλεσε ξανά τους υπολογισμούς του για να διασφαλίσει το αποτέλεσμα. Στις τέσσερις το πρωί, αποφάσισε ότι είχε περάσει η ώρα. 
Πριν φύγει, έστειλε ηλεκτρονικό μήνυμα στο αφεντικό του ζητώντας του να κοιτάξει και ο ίδιος το συμβάν.
Σύντομα διαδόθηκε ότι ο L3 ίσως είχε ανιχνεύσει το Χιγκς. 
Τρία πράγματα έκαναν το συγκεκριμένο συμβάν τόσο σημαντικό: 
Α) οι υπολογισμοί έδειχναν ότι εάν ήταν ένα μποζόνιο Χιγκς τότε είχε μάζα ίση περίπου με το σωματίδιο που πιστευόταν ότι είχε ανιχνευθεί στον Άλεφ.
 Β) ήταν μια ανεξάρτητη επιβεβαίωση από έναν άλλο επιταχυντή, που καθησύχαζε τους φόβους ότι τα σήματα του Άλεφ οφείλονταν σε κάποια παραξενιά του εξοπλισμού του εξοπλισμού. 
Γ) το μοτίβο που ένοιαζε με το Χιγκς και είχε καταγράψει ο L3 ήταν διαφορετικό από εκείνα του Άλεφ. Όλα τα παραπάνω είναι αυτά ακριβώς που θα περίμενε κάποιος να δει στην περίπτωση που το σωματίδιο Χιγκς υπήρχε πραγματικά.(...)
H ισχύς του σήματος L3 στηριζόταν στο σωματίδιο Ζ, το οποίο δημιουργούνταν μαζί με το μποζόνιο Χιγκς, διασπώμενο σε δυο νετρίνα. 
Δεν μπορούμε να δούμε άμεσα τα νετρίνα διότι διαπερνούν τον ανιχνευτή, όπως μπορούμε να συναγάγουμε την παρουσία τους από την «ελλείπουσα ενέργεια» (ενεργειακό έλλειμα) που παίρνουν μαζί τους, και η οποία καταγράφεται στον ανιχνευτή. Η διαδικασία δεν μπορεί εύκολα να διακριθεί από άλλες διαδικασίες, όπως η διάσπαση άλλων σωματιδίων σε φωτόνια υψηλής ενέργειας, τις αποκαλούμενες ακτίνες γ.
Ο Μαϊάνι (ο Luciano Maiani ήταν τότε γενικός διευθυντής του CERN και είναι γνωστός για την πρόβλεψη που έκανε με τους Glashow και  Ηλιόπουλο το 1970, σχετικά με το γοητευτικό κουάρκ) επεξεργάστηκε το αναμενόμενο υπόβαθρο για το σήμα Χιγκς στον L3, το οποίο δίνει ένα μέτρο όλων των άλλων ειδών σωματιδίων που θα μπορούσαν να δώσουν εσφαλμένο σήμα. 
Το αποτέλεσμα, μου είπε, τον έκανε να «βρίσει σαν ναύτης», διότι ήταν μικρό.(...)
  Σιγά – σιγά, τα ίχνη του σωματιδίου Χιγκς στον LEP άρχισαν να ξεθωριάζουν. Μετά το κλείσιμο της μηχανής, οι επιστήμονες ανέλυσαν λεπτομερειακά όλα τα στοιχεία από κάθε ανιχνευτή.
 Όταν ολοκλήρωσαν τις αναλύσεις, μόνο τα σήματα Χιγκς από τον Άλεφ ξεχώριζαν μέσα από το υπόβαθρο των άλλων σωματιδίων που είχαν δημιουργηθεί στον επιταχυντή. 
Τα υπόλοιπα δεν άντεξαν στη δοκιμασία της εξονυχιστικής έρευνας. 
Η στατιστική σημασία των ενδείξεων είχε μειωθεί στο 1,7σ. 
Η απόφαση να κλείσει ο LEP θα ήταν λιγότερο τραυματική εάν το γνώριζαν τότε. Η τελευταία λέξη από τον LEP ήταν πως το μποζόνιο Χιγκς πρέπει να ζυγίζει περισσότερο από 114,4 GeV. 
Η πιο πιθανή τιμή της μάζας που προέκυπτε από τα ενδεικτικά σήματα ισούνταν με 115,6 GeV…..
indico.cern.ch
 Αποσπάσματα από το βιβλίο του Ian Sample: «Higgs, σωματίδιο του Θεού» [εκδόσεις Τραυλός, μετάφραση: Νίκος Αποστολόπουλος]

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...