Οι επιστήμονες στο Fermilab έχουν παρατηρήσει συγκρούσεις σωματιδίων που παράγουν μονόκλινα κουάρκ, ένα εύρημα 1 στα 20 δισεκατομμύρια. Αυτή η αλληλεπίδραση οδηγεί στην παραγωγή ζευγών κορυφαίων κουάρκ. Η παραγωγή μονόπλευρων κουάρκ περιλαμβάνει την αδύναμη πυρηνική δύναμη και είναι πιο δύσκολο να αναγνωριστεί πειραματικά. Αυτή η παρατήρηση πραγματοποιήθηκε σχεδόν 14 χρόνια έως την ημέρα της ανακάλυψης του κορυφαίου κουάρκ το 1995.
Το Tevatron του Fermilab, που βρίσκεται κοντά στο Σικάγο, το Ιλινόις είναι σήμερα ο πιο ισχυρός επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο και η ανακάλυψη έγινε από επιστήμονες που εργάζονται από κοινού σε συνεργασίες. Οι επιστήμονες λένε ότι η εύρεση μεμονωμένων κουάρκ είναι σημαντική για τη συνεχιζόμενη αναζήτηση για το σωματίδιο Higgs.
«Η παρατήρηση της παραγωγής single quark είναι ένα σημαντικό ορόσημο για το πρόγραμμα Tevatron», δήλωσε ο Δρ Dennis Kovar, Αναπληρωτής Διευθυντής του Γραφείου Επιστήμης Φυσικής Υψηλής Ενέργειας στο Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ. "Επιπλέον, η εξαιρετικά ευαίσθητη και επιτυχημένη ανάλυση είναι ένα σημαντικό βήμα στην αναζήτηση των Higgs."
Η αναζήτηση παραγωγής single-top καθιστά εύκολη την εύρεση βελόνας σε άχυρα. Μόνο μία στις 20 δισεκατομμύρια συγκρούσεις πρωτονίων-αντιπρωτονίων παράγει ένα μοναδικό κορυφαίο κουάρκ. Ακόμα χειρότερα, το σήμα αυτών των σπάνιων περιστατικών μιμείται εύκολα από άλλες διαδικασίες «φόντου» που εμφανίζονται σε πολύ υψηλότερα ποσοστά.
Η ανακάλυψη της παραγωγής ενός κορυφαίου κουάρκ παρουσιάζει προκλήσεις παρόμοιες με την αναζήτηση Higgs boson στην ανάγκη εξαγωγής ενός εξαιρετικά μικρού σήματος από ένα πολύ μεγάλο υπόβαθρο. Οι προηγμένες τεχνικές ανάλυσης που πρωτοπορούν για τη μοναδική κορυφαία ανακάλυψη χρησιμοποιούνται τώρα για την αναζήτηση Higgs boson. Επιπρόσθετα, η ενιαία κορυφή και τα σήματα Higgs έχουν κοινά υπόβαθρα και η μοναδική κορυφή είναι η ίδια υπόβαθρο για το σωματίδιο Higgs.
Για να γίνει η ανακάλυψη single-top, οι φυσικοί των συνεργασιών CDF και DZero πέρασαν χρόνια χτενίζοντας ανεξάρτητα μέσα από τα αποτελέσματα συγκρούσεων πρωτονίων-αντιπρωτονίων που καταγράφηκαν από τα πειράματά τους, αντίστοιχα.
Το CDF είναι ένα διεθνές πείραμα 635 φυσικών από 63 ιδρύματα σε 15 χώρες. Το DZero είναι ένα διεθνές πείραμα που διεξήχθη από 600 φυσικούς από 90 ιδρύματα σε 18 χώρες.
Κάθε ομάδα εντόπισε αρκετές χιλιάδες συμβάντα σύγκρουσης που έμοιαζαν με τον τρόπο που οι πειραματιστές αναμένουν ότι θα εμφανιστούν μοναδικά κορυφαία γεγονότα. Η εξελιγμένη στατιστική ανάλυση και η λεπτομερής μοντελοποίηση υποβάθρου έδειξαν ότι μερικές εκατοντάδες γεγονότα σύγκρουσης παρήγαγαν το πραγματικό πράγμα. Στις 4 Μαρτίου, οι δύο ομάδες υπέβαλαν τα ανεξάρτητα αποτελέσματά τους στο Physical Review Letters.
Οι δύο συνεργασίες νωρίτερα είχαν αναφέρει προκαταρκτικά αποτελέσματα στην αναζήτηση της single top. Έκτοτε, οι πειραματιστές έχουν διπλασιάσει τον αριθμό των δεδομένων που αναλύθηκαν και βελτίωσαν τις τεχνικές επιλογής και ανάλυσης, καθιστώντας δυνατή την ανακάλυψη. Για κάθε πείραμα, η πιθανότητα ότι τα γεγονότα στο παρασκήνιο έχουν παραπλανήσει το σήμα είναι τώρα μόνο μία στα σχεδόν τέσσερα εκατομμύρια, επιτρέποντας και στις δύο συνεργασίες να διεκδικήσουν μια καλόπιστη ανακάλυψη που ανοίγει το δρόμο για περισσότερες ανακαλύψεις.
«Είμαι ενθουσιασμένος που το CDF και ο DZero πέτυχαν αυτόν τον στόχο», δήλωσε ο διευθυντής του Fermilab, Pier Oddone. «Οι δύο συνεργασίες αναζητούν αυτήν τη σπάνια διαδικασία τα τελευταία δεκαπέντε χρόνια, ξεκινώντας πριν από την ανακάλυψη του κορυφαίου κουάρκ το 1995. Η διερεύνηση αυτών των υποατομικών διεργασιών με περισσότερες λεπτομέρειες μπορεί να ανοίξει ένα παράθυρο σε φαινόμενα φυσικής πέρα από το πρότυπο μοντέλο.»
Πηγή: Fermilab
