kozmos.hr
Znanost

Uočen nastanak jednog gornjeg kvarka i fotona

LHC CERN
objavljeno

U sklopu eksperimenta ATLAS pri CERN-u fizičari su po prvi put u sudaru protona uočili nastanak pojedinačnog gornjeg kvarka u paru s fotonom.

ATLAS (od A Toroidal LHC ApparatuS) je trenutno najveći opći eksperiment za detekciju čestica koji se provodi u Švicarskoj pomoću Velikog hadronskog sudarivača (LHC-a), čestičnog akceleratora Europske organizacije za nuklearna istraživanja, odnosno CERN-a. Tim koji provodi taj eksperiment ovog proljeća na 56. konferenciji Rencontres de Moriond predstavio je novo otkriće: prvi uočeni nastanak jednog samostalnog gornjeg kvarka u paru s elektronom u sudaru protona i protona. U stručnom jeziku, taj proces se označava kao „tqγ-produkcija“, gdje tq označava gornji kvark, a γ (grčno slovo gama) foton.

Gornji kvark jedna je od elementarnih čestica od kojih je izgrađena sva tvar. Iako postoji ukupno šest vrsta kvarkova, najznačajniji su gornji (najteži) i donji, od kojih su izgrađeni protoni i neutroni—čestice koje pak zajedno tvore jezgru svakog atoma. Svaki neutron izgrađen je jednog gornjeg kvarka i dva donja, a svaki proton od dva gornja i jednog donjeg. Iako smo kvarkove otkrili prije 27 godina, o njima za sada još uvijek znamo jako malo, i tome svjedoči činjenica da ih uočavamo relativno teško. Znamo da kada sudarimo protone da bi iz sudara između ostalog trebali izletiti i kvarkovi, no u kojim točno uvjetima i na koji se način to događa još uvijek je tema rasprave. Mjereći i proučavajući sudare i procese koji nastaju iz tih sudara polako otkrivamo od čega je zapravo izgrađen naš svemir.

Jedan od tih procesa upravo je detektiran po prvi put. Proučavajući set podataka sakupljen između 2015. i 2018. kojem je dano ime „LHC Run-2“, fizičari su uspjeli izdvojiti tqγ-produkciju iz pozadinskih procesa i sa sigurnošću potvrdili da se ona zapravo desila u određenom broju sudara protonskih zraka. To je veliki korak, jer pozadinskih procesa u svakom sudaru ima jako puno i razaznavanje bitnog iz nastalog kaosa težak je proces. Kada kažemo pozadinski procesi, mislimo na cijeli niz drugih produkcija čestica koje su se također dogodile u sudaru zraka, kao što je produkcija dvaju gornjih kvarkova i fotona („ttγ”), produkcija W-bozona i fotona („Wγ“), produkcija „lažnih fotona“, odnosno elektrona ili hadrona koji liče na fotone ali to nisu, itd. U detekciji nastanka jednog gornjeg kvarka i fotona pomoglo im je to što su znali koja je jedna od karakteristika tog procesa: uz njega će se pojaviti i tzv. „mlaz prema naprijed“, odnosno mlaz čestica koje se nakon sudara u izbiju pod malim kutom u odnosu na pravac po kojem su putovali prvotni ubrzani protoni.

Da bi izdvojili traženi proces iz pozadinske buke, tim je upotrijebio neuralnu mrežu, tj. računalni algoritam kojem je određen niz parametara pomoću kojih on analizira neki set podataka i u njemu pronalazi rezultate koji najbolje odgovaraju zadanim vrijednostima. U ovom slučaju, algoritam je pazio na kinematička svojstva čestica koje nastaju u sudaru i razlučio je odvojene procese koji su se odigrali.

cern nastanak čestica
Distribucija procesa koju je izbacila neuralna mreža za najosjetljivije područje nakon sudara. Narančastom bojom je označen proces nastanka jednog gornjeg kvarka i fotona. Izvor: ATLAS Collaboration/CERN.

Pri detekciji novih čestica ili događaja, fizičari koriste statistiku. Kod svakog mjerenja, promatra se odstupanje nekog podatka ili seta podataka od uobičajenog stanja stvari, i to odstupanje računa se kao standardna devijacija, označena grčkim slovom sigma (σ). Da bi neko otkriće u čestičnoj fizici bilo sigurno, minimalno odstupanje podataka koji nagovještavaju to otkriće mora biti 5σ, a ovo otkriće tqγ-produkcije i više je nego zadovoljilo to odstupanje s čak 9,1 standardnom devijacijom.

Ovo otkriće samo je jedno od mnogih koji se još očekuju u budućnosti. Prvo želimo ponoviti potragu za ovom produkcijom pomoću novog, većeg skupa podataka koji uskoro dolazi iz sudarivača („Run 3“), a ono u budućnosti možda dovede i do otkrića novih čestičnih interakcija koje LHC nije u stanju isproducirati.

 


Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr


Izvori:

ATLAS collaboration. „ATLAS nets top quark produced together with a photon“. CERN, 2022. https://home.cern/news/news/physics/atlas-nets-top-quark-produced-together-photon (19.6.2022.).

ATLAS collaboration. „ATLAS reports first observation of single top-photon production“. ATLAS Experiment, 2022. https://atlas.cern/updates/briefing/single-top-photon-observation (19.6.2022.).

„kvark“. Hrvatska enciklopedija, 2021. https://enciklopedija.hr/natuknica.aspx?ID=34882 (19.6.2022.).

Zaljubljenik u astronomiju od malih nogu. Diplomirani anglist. U slobodno vrijeme vjerojatno s frendovima u obližnjem kafiću. U paralelnom svemiru sam nešto od sljedećeg: pomorac, avanturist, fizičar, astronaut, pisac, željezničar.