Büyük Hadron Çarpıştırıcısı W Bozonunun Kütle Gizemini Aydınlattı
Önemli bir bilimsel başarıya imza atan CMS deneyi, W bozonunun kütlesini Standart Model öngörüleriyle mükemmel bir uyum içinde, dikkate değer bir doğrulukla doğruladı.
Parçacık Fiziğinde Çığır Açan Buluş
2022 yılında Fermilab’daki Çarpıştırıcı Dedektörü (CDF) deneyi, doğanın kuvvet taşıyan parçacıklarından biri olan W bozonunun beklenmedik bir ölçümünü yapmıştı. Şimdi de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki Kompakt Müon Solenoid deneyindeki fizikçiler W bozonunun yeni bir kütle ölçümünü duyurdu.
CMS deneyi için bir ilk olan bu yeni ölçümde, W bozonunun kütlesinin bugüne kadar yapılan en ayrıntılı araştırması olmasını sağlayan yeni bir teknik kullanılıyor. Yaklaşık on yıllık bir analizin ardından CMS, W bozonunun kütlesinin tahminlerle tutarlı olduğunu buldu ve nihayet birkaç yıldır süren bir gizemi sona erdirdi.
Kompakt Müon Solenoidi (CMS), Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) bulunan genel amaçlı bir dedektördür. Standart Model’i (Higgs bozonu dahil) incelemekten karanlık maddeyi oluşturabilecek ekstra boyutları ve parçacıkları aramaya kadar uzanan geniş bir fizik programına sahiptir. CMS dedektörü devasa bir solenoid mıknatıs etrafında inşa edilmiştir. Bu, Dünya’nın manyetik alanının yaklaşık 100.000 katı olan 4 tesla’lık bir alan üreten silindirik bir süper iletken kablo bobini şeklindedir. Alan, dedektörün 14.000 tonluk ağırlığının büyük kısmını oluşturan çelik bir “boyunduruk” ile sınırlandırılmıştır. Kredi: CERN
Hassasiyet ve İşbirliği W Bozonu Çalışmasını Geliştiriyor
Son analizde, LHC’nin 2016’daki çalışmasından toplanan 300 milyon olay ve 4 milyar simüle edilmiş olay kullanıldı. Ekip bu veri setinden 100 milyondan fazla W bozonunun kütlesini yeniden oluşturdu ve ölçtü. W bozonunun kütlesinin 80 360,2 ± 9,9 megaelektron volt (MeV) olduğunu ve bunun Standart Model’in 80 357 ± 6 MeV’lik öngörüleriyle uyumlu olduğunu buldular. Ayrıca teorik varsayımları çapraz kontrol eden ayrı bir analiz de gerçekleştirdiler.
ABD Enerji Bakanlığı’nın Fermi Ulusal Araştırma Laboratuvarı’nda seçkin bir bilim insanı ve eski CMS sözcüsü olan Patty McBride, “Yeni CMS sonucu, hassasiyeti ve belirsizlikleri belirleme şeklimiz nedeniyle benzersizdir” dedi. “CDF’den ve W bozonu kütlesi sorusu üzerinde çalışan diğer deneylerden çok şey öğrendik. Onların omuzlarında duruyoruz ve bu çalışmayı büyük bir adım ileriye götürebilmemizin nedenlerinden biri de bu.”
W bozonunun kütlesinin diğer deneylerle ve Standart Model tahminiyle karşılaştırmalı ölçümleri. Nokta ölçülen değerdir ve çizginin uzunluğu kesinliğe karşılık gelir; çizgi ne kadar kısaysa ölçüm o kadar kesindir. Kredi: Görsel, CMS işbirliği tarafından üretilen bir şekle dayanmaktadır. Samantha Koch, Fermilab tarafından oluşturulmuştur.
Evrenin Atomaltı Dengesinin Ortaya Çıkarılması
W bozonu 1983 yılında keşfedildiğinden bu yana fizikçiler 10 farklı deneyde W bozonunun kütlesini ölçtüler.
W bozonu, doğayı en temel düzeyde tanımlayan teorik çerçeve olan Standart Model’in köşe taşlarından biridir. W bozonunun kütlesinin kesin olarak anlaşılması, bilim insanlarının Higgs alanının gücü ve elektromanyetizmanın radyoaktif bozunmadan sorumlu olan zayıf kuvvetle birleşmesi de dahil olmak üzere parçacıkların ve kuvvetlerin etkileşimini haritalandırmasına olanak tanır.
CMS deneyinin sözcü yardımcısı ve Fermilab’da kıdemli bir bilim insanı olan Anadi Canepa, “Tüm evren hassas bir dengeleme hareketidir” dedi. “W kütlesi beklediğimizden farklıysa, oyunda yeni parçacıklar ya da kuvvetler olabilir.”
Ölçüm Tekniklerindeki Gelişmeler
Yeni CMS ölçümü %0,01’lik bir hassasiyete sahiptir. Bu hassasiyet seviyesi, 4 inç uzunluğundaki bir kalemin 3,9996 ila 4,0004 inç arasında ölçülmesine karşılık gelmektedir. Ancak kurşun kalemlerin aksine, W bozonu fiziksel hacmi olmayan ve kütlesi tek bir gümüş atomundan daha az olan temel bir parçacıktır.
Canepa, “Bu ölçümü yapmak son derece zor,” diye ekledi. “Değeri çapraz kontrol etmek için birden fazla deneyden birden fazla ölçüme ihtiyacımız var.”
Temel Parçacık Tespitinde Hassasiyetin Artırılması
CMS deneyi, kompakt tasarımı, müon adı verilen temel parçacıklar için özel sensörleri ve dedektörden geçerken yüklü parçacıkların yörüngelerini büken son derece güçlü bir solenoid mıknatısı nedeniyle bu ölçümü yapan diğer deneylerden benzersizdir.
McBride, “CMS’nin tasarımı onu hassas kütle ölçümleri için özellikle uygun hale getiriyor” dedi. “Bu yeni nesil bir deney.”
Partikül Ölçümünde Zorluklar ve Yenilikler
Çoğu temel parçacık inanılmaz derecede kısa ömürlü olduğundan, bilim adamları kütlelerini, bozundukları her şeyin kütlelerini ve momentumlarını toplayarak ölçerler. Bu yöntem, W bozonunun kuzeni olan ve iki müona bozunan Z bozonu gibi parçacıklar için işe yarıyor. Ancak W bozonu büyük bir zorluk teşkil ediyor çünkü bozunma ürünlerinden biri nötrino adı verilen küçük bir temel parçacık.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde bu analiz üzerinde çalışan bilim insanı Josh Bendavid, “Nötrinoları ölçmek herkesin bildiği gibi zordur,” dedi. “Çarpıştırıcı deneylerinde nötrino tespit edilemiyor, bu yüzden resmin sadece yarısı ile çalışabiliyoruz.”
Resmin sadece yarısıyla çalışmak fizikçilerin yaratıcı olması gerektiği anlamına geliyor. Analizi gerçek deneysel veriler üzerinde çalıştırmadan önce, bilim insanları ilk olarak milyarlarca LHC çarpışmasının simülasyonunu yaptılar.
Bendavid, “Bazı durumlarda dedektördeki küçük deformasyonları bile modellemek zorunda kaldık” dedi. “Hassasiyet o kadar yüksek ki, küçük bükülme ve kıvrılmaları önemsiyoruz; bunlar bir insan saçının genişliği kadar küçük olsalar bile.”
Çarpıştırıcı Deneylerinin Sanatı ve Bilimi
Fizikçiler ayrıca çarpıştıklarında protonların içinde neler olduğu, W bozonunun nasıl üretildiği ve bozunmadan önce nasıl hareket ettiği gibi çok sayıda teorik girdiye ihtiyaç duyuyor.
McBride, “Teori girdilerinin etkisini anlamak gerçek bir sanattır” dedi.
Parçacık Fiziği Araştırmalarına Uzun Vadeli Bağlılık
Geçmişte fizikçiler teorik modellerini kalibre ederken Z bozonunu W bozonunun yerine kullanıyorlardı. Bu yöntem birçok avantaja sahip olsa da, sürece bir belirsizlik katmanı da ekliyor.
California Los Angeles Üniversitesi’nde araştırmacı ve analizcilerden biri olan Elisabetta Manca, “Z ve W bozonları kardeştir, ancak ikiz değildir” dedi. “Fizikçilerin Z’den W’ye ekstrapolasyon yaparken bazı varsayımlarda bulunmaları gerekiyor ve bu varsayımlar hala tartışılıyor.”
Bu belirsizliği azaltmak için CMS araştırmacıları, teorik girdileri kısıtlamak için yalnızca gerçek W bozonu verilerini kullanan yeni bir analiz tekniği geliştirdiler.
Bendavid, “Daha büyük bir veri seti, daha önceki bir W bozonu çalışmasından edindiğimiz deneyim ve en son teorik gelişmelerin bir kombinasyonu sayesinde bunu etkili bir şekilde yapabildik” dedi. “Bu, referans noktamız olarak Z bozonundan kurtulmamızı sağladı.”
Bu analizin bir parçası olarak, CMS dedektörünün büyük bir bölümünü daha hassas hale gelene kadar yeniden kalibre etmek için iyi bilinen parçacıkların bozunumlarından gelen 100 milyon izi de incelediler.
Manca, “Bu yeni hassasiyet düzeyi, W, Z ve Higgs bozonlarını içeren ölçümler gibi kritik ölçümleri daha yüksek doğrulukla ele almamızı sağlayacak” dedi.
Analizin en zorlu kısmı, yeni bir analiz tekniği oluşturmayı ve CMS dedektörü hakkında inanılmaz derecede derin bir anlayış geliştirmeyi gerektirdiği için zaman yoğunluğuydu.
Manca, “Bu araştırmaya bir yaz öğrencisi olarak başladım ve şimdi postdoc olarak üçüncü yılımdayım” dedi. “Bu bir maraton, koşusu değil.”
Kaynak: https://scitechdaily.com