Soarele straluceşte, pământul este cald, nu îngheţat. Mulţumită forţei slabe, viaţa este bună. Una dintre cele patru forţe cunoscute care dau formă Universului, forţa slabă, ne permite să traim pe Pământ prin faptul că este responsabilă de reacţiile nucleare ce produc energia Soarelui şi care încălzesc nucleul Pământului. Forţa slabă creează de asemenea dezintegrări radioactive care ajută la funcţionarea detectorului de fum, diagnosticarea şi tratarea cancerului şi la măsurarea vârstei scheletelor şi a uneltelor antice.

Fabrica de particule ce conţin cuarcul bottom, experimentul  BaBar de la Acceleratorul Linear din Stanford (SLAC), urmareşte dublarea datelor colectate în doar 2 ani, pentru a căuta să facă noi descoperiri în fizică. Poză: Reidar Hahn, Fermilab.

Cele doua experimente de tip fabrici B, Babar de la laboratorul Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), California şi Belle de la laboratorul KeK din Japonia, furnizează o nouă imagine asupra forţei slabe. Ele au facut descoperiri importante în primii opt ani ai lor de cercetare. Acum, cu numai doi ani înainte de închidere, experimentele se ţin lanţ pentru a se afla cat mai multe despre unele comportamente ciudate ale forţei slabe şi pentru a deschide noi porţi către misterele Universului. Despre forţa slabă înca există întrebări fără răspuns, dar BaBar şi Belle îşi propun să descifreze toate secretele acesteia.

Mesonul B, teren de joacă pentru forţa slabă

Unealta principală cu care se fac cercetări despre forţa slabă este o particulă grea numită mesonul B.  Fabricile B au realizat împreună aproape un miliard de perechi de mezoni B prin ciocnirea electronilor cu partenerii lor de antimaterie, numiţi pozitroni. Echipa BaBar se aşteaptă să işi dubleze cantitatea de date pâna la sfarşitul anului 2008. Mezonii B sunt produşi în perechi: unul alcătuit din materie şi altul din antimaterie. Fiecare conţine un cuarc bottom (sau pe scurt cuarc b), al doilea cuarc în ordinea greutatii (n.t. după cuarcul top). Cuarul b face pereche cu un alt cuarc mai uşor pentru a forma un mezon B.

„Mezonul B este un loc de joacă sau un laborator pentru forţa slabă”, spune colaboratorul BaBar, Steve Sekula de la MIT. „Lăsat singur fără forţa slabă, mezonul acesta ar exista pentru un tip infinit”.

Dar pentru că forţa slabă există, mezonii B se dezintegrează. Fizicieni au determinat ca aceia formaţi din materie se dezintegrează la un alt ritm decât cei formaţi din antimaterie. Aceasta înseamnă că forţa slabă nu se comportă în egală măsură cu materia şi cu antimateria, spre deosebire de alte forţe. Asimetria aceasta se numeşte violarea parităţii CP ( change parity symmetry violation ).

Fizicienii deja ştiau că violarea simetriei CP exista dinainte de a porni proiectul BaBar. Ştiau de asemenea că acest fenomen contribuie la explicarea dominaţiei materiei asupra antimateriei în Univers. Fabricile B au confirmat ca toate fenomenele de violare a parităţii CP pe care le vedem în natura sunt cauzate doar de forţa slabă, dar au observat şi că aceste fenomene nu sunt suficiente pentru a explica cantitatea mare de materie din Univers.

Neconcordanţa dintre rezultatele experimentale şi cunoştinţele actuale despre Univers arată faptul că teoria actuală despre cum funcţionează natura, numit Modelul Standard, este incompletă. Mai sunt nişte elemente în joc, iar BaBar şi Belle au o şansă să stabilească cine sunt jucătorii.

„Dezechilibrul dintre materie şi antimaterie rămâne încă unul din marile secrete al Universului. Şi se pare ca doar prin forţa slabă nu putem să rezolvăm acest mister. Indiferent de ce cauzează acest dezechilibru, efectele sunt foarte subtile”, spune Sekula.

Precizie

Cele două obiective principale ale programului BaBar sunt să înţeleagă modul în care forţa slabă acţionează asupra cuarcilor şi să folosească această cunoaştere precisă pentru a căuta fenomene rari şi noi în fizică (n.t. fizică dincolo de Modelul Standard).

Conducătorul BaBar, Hassan Jawaherz, profesor la universitatea din Maryland, spune: „Intrăm într-o lume nouă şi este necesar să cunoaştem lumea veche foarte bine, astfel încât atunci când observăm ceva nou să avem ceva cu care să îl comparăm.”

Tehnicieni reconectând elemente la detectorul BaBar după nişte îmbunătăţiri majore. Poze: David Harris. 

Succesul BaBar din urmatorii ani depinde de colectarea unor cantităţi mari de date în scopul de a reduce incertitudinile statistice în măsurători şi de a creste şansele de a înregistra evenimente extrem de rare. Într-adevăr, simpla existenţă a anumitor dezintegrări rare ar explica mai multe despre forţa slabă.

Ceea ce fabricile B vor descoperi sau măsura va fi vital pentru viitoarele experimente care vor să descopere noi fenomene ale fizicii, precum supersimetria, dimensiuni suplimentare, sau noi particule. BaBar şi Belle operează la doar o mica parte din energia la care vor lucra acceleratoare noi, cum este 'Large Hauldron Colider' (LHC) de la CERN. Deşi fabricile B nu pot observa direct particule noi, ele pot furniza indicaţii foarte folositoare despre energiile la care să fie căutate aceste particule.

Mascota Babar se odihneşte în tunelul acceleratorului PEP-II, iar detectorul cu acelaşi nume se găseşte în spatele zidului din spate. Poză: David Harris. 

„Dacă fizicienii de la LHC găsesc o nouă particulă se impune întrebarea: “Ceea ce văd acum este în concordanţă cu toate datele ce au fost înregistrate până acum?”, spune fostul coordonator al analizelor fizice de la BaBar, Riccardo Faccini de la INFN din Roma.  

Vânătoarea de pinguini

Fizicienii vor obţine informaţii despre noi tipuri de fizică prin devieri de la ceea ce se aşteaptă în Modelul Standard.

În căutarea de surprize, o fabrica B foloseste modul său tipic de operare: măsoară cantitatea de asimetrie dintre dezintegrările mezonilor B şi anti-B. După ce este creat, fiecare mezon B trăieşte aproximativ o miime de miliardime de secundă pentru ca apoi să se dezintegreze în unul din cele câteva sute de moduri, unele fiind întâlnite mai des decât celelalte.

Unul din modurile acestea rare se numeste „pinguin” (vezi explicaţia de mai jos). Acest tip de dezintegrare foloseşte atât forţa slabă şi o „buclă virtuală”. Această „buclă virtuala” este un loc unde particulele „virtuale” apar şi dispar apoi aproape instantaneu.

Deşi suna imposibil, aceste particule virtuale pot fi mult mai masive decât mezonii B originali. Mecanica cuantică ne spune ca aceste particule virtuale pot împrumuta pentru un interval scurt de timp energie de la vid. Totuşi, energia trebuie returnată înapoi vidului atât de repede încât o particulă virtuală nu este observată niciodată în mod direct. Dar, precum o pisică ce merge pe un strat de beton proaspăt, lasă o urmă inconfundabilă.

Fizicienii urmăresc atent aceste dezintegrări de tip „pinguin” pentru ca particulele virtuale ar putea fi şi mult căutaţii bosoni Higgs, sau particule supersimetrice, sau alte tipuri de particule prezise de diverse modele teoretice încă nevalidate.

Dacă particule noi patrund în bucle de tip „pinguin”, ele  vor introduce interacţiuni ce schimbă valoarea asimetriei materie-antimaterie. În acest caz, experimentele pot observa rate diferite de dezintegrare faţă de cele prevăzute de Modelul Standard, iar acesta ar fi un un semnal clar al existenţei unei fizici noi, dincolo de Modelul Standard.

„Dezintegrările pinguin sunt foarte rare, ceea ce le face utile, pentru că dacă apare ceva nou, ar putea schimba asimetria în moduri apreciabile”, spune Jawahery. 

BaBar a observat multe tipuri de dezintegrări „pinguin”, dintre care una întâlnită doar de 1200 de ori din cele un miliard de dezintegrări observate în detector. Cantitatea de asimetrie observată în acel tip de dezintegrare este apropiată de cea prezisă de Modelul Standard, însă încă există o şansă să dezvăluie contribuţia unui tip nou de fizică. Doar mai multe date, ce ar creşte numărul de dezintegrări „pinguin” şi reduce erorile experimentale, ar putea rezolva acest dubiu.

Chiar daca şansa de a vesti o descoperire nouă nu se va concretiza, fabricile B tot vor lăsa rezultate substanţiale ca moştenire pentru viitoarele experimente din fizica particulelor.

„Fabricile B au o tradiţie a măsurătorilor exacte. Chiar daca nu apar diferenţe mari faţă de Modelul Standard, toate teoriile din viitor trebuie să corespundă cu ceea ce am observat pâna acum”, spune profesorul de fizică de la Stanford, Patricia Burchat. Teritoriul nou explorat de noi aduce dupa sine reducerea teritoriilor încă necercetate din fizică.

Originea pinguinilor – istorisire de John Ellis:

„Am devenit interesat de diagramele pinguin împreuna cu Mark K. [Gailard] şi cu Dimitri [Nanopoulos] în timp ce studiam violarea parităţii CP în Modelul Standard în 1976. Numele de „pinguin” a aparut în anul 1977, dupa cum urmează.

În primavara anului 1977, eu, Mike Chanowitz şi Mary K. am facut o lucrare despre GUT (Grand Unified Theories, Teorii ale Marii Unificări) care prezicea masa cuarcului b înainte ca acesta să fie descoperit. Când a fost descoperit, după câteva săptămâni, Mary K., Dimitri, Serge Rudaz şi cu mine  am început imediat să  studiem fenomenologia cuarcului bottom.

În acel an, la CERN era studentă Mellisa Franklin, care acum este experimentatoare la Harvard. Într-o seara, am fost împreună cu ea şi cu Serge la o terasă, şi am început cu ea un joc de darts (n.t. tras cu săgeţi mici la ţintă). Am pus un pariu ca daca eu pierd va trebui să includ cuvantul „pinguin” în următorul meu articol. De fapt ea a părăsit jocul înainte de sfârşit şi a fost inlocuită de Serge care m-a învins. Aşadar, a trebuit  să îmi respect obligaţiile pariului.

Pentru ceva timp, nu mi-am dat seama cum să introduc cuvântul pinguin în articolul despre cuarcul b pe care îl pregăteam în acel timp. Mai tarziu, mi-am dat brusc seama că diagramele faimoase arătau ca niste pinguini. Aşa ca am pus cuvântul în lucrare şi restul, după cum se spune, e istorie.”

John Ellis în textul scris de Mikhail Shifman numit „Prelegeri ITEP în fizica particulelor şi teoria câmpului”, găsit la hep-ph/9510397.

Babar e mai mult decât o fabrică B

Fizicienii  de la BaBar au multe motive să cerceteze intens în aceşti ultimi doi ani înainte de inchiderea experimentului, pentru ca aceasta ar putea fi ultima şansă de a face anumite tipuri de măsurători. Deşi acceleratorul 'Large Hadron Collider' de la CERN va avea şi un experiment dedicat studiului cuarcului b, fabricile B existente pot face anumite măsurători ce vor fi dificile, dacă nu imposibile, la experimentele viitoare.

Poza: David Harris  

BaBar şi Belle servesc de asemenea ca fabrici excelente pentru alte particule, în special mezonii ce conţin cuarcul charm (cuarc c) şi particule tau (cea mai grea rudă a electronului). De fapt, fizicienii folosesc supraabundenţa particulelor tau pentru a căuta fenomene noi de fizică în un mod total nou. În prezent ei caută dezintegrări ale particulelor tau care se termină fără producerea unui neutrino de tip tau. Găsirea unor astfel de dezintegrări ar fi o dovadă clară a faptului că se întâmplă ceva inedit. De asemenea. ar putea rezolva misterul asupra modului în care neutrinii se schimbă dintr-un tip în altul.

„Detectorul are multe scopuri şi cu ajutorul lui putem realiza o gamă largă de măsurători ce au tangenţă cu multe subiecte”, spune Jim Olsen, profesor la Princeton şi coordonator al analizelor fizice pentru BaBar. „Aflăm lucruri care pot schimba manualele de şcoală”.

Multe altele vor mai veni

Ambele fabrici B muncesc din răsputeri în scopul unei luminozităţi mai mari, adică un număr tot mai mare de ciocniri de particule produse.

Poza: David Harris  

Acceleratorul Pep-II de la SLAC, ce furnizeaza fasciculele de electroni şi pozitroni pentru experimentul BaBar, a produs deja o luminoziate de patru ori mai mare decât cea propusă iniţial. Colaborarea BaBar şi echipa PEP-II au facut recent îmbunătăţiri majore detectorului şi acceleratorului pentru a mări luminozitatea cu 70% şi a face detectorul chiar mai apt pentru a detecta fenomene rare. Perioada finală de colectare de date va avea loc din ianuarie 2007 până în septembrie 2008.

Poza: David Harris 

„Avem de făcut cel puţin 100 de tipuri de măsurători în următorii doi ani”m spune Olson. El se aşteaptă la aproximativ 150 de studii să fie publicate în acest timp. „Cantitatea de analize fizice produse de BaBar este uriaşă.”

Chiar mult timp după ce ultimul eveniment ce îşi arunca particulele prin detectorul BaBar, fizicienii din colaborarea internaţională de 600 de persoane vor studia încă munţii de date adunaţi până atunci în scopul de a elucida multe mistere, printre care şi cele legate de forţa slabă.

(Tradus de Dragoş Vasilescu din revista "Symmetry", din ianuarie-februarie 2007, originalul putând fi găsit aici, autorul articolului fiind Heather Rock Woods.)