Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki ATLAS İşbirliği ilk kez bir üst kuark ve bir fotonun eşzamanlı olarak üretildiği kaydedildi.
Hızla gelişen parçacık fiziği alanında (evrenin temel yapı bileşenlerinin doğasını inceleyen) dünyada bir ilk kadar heyecan yaratan başka bir şey yoktur. CERN’deki ATLAS İşbirliği, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki (LHC) proton-proton çarpışmalarında tek bir üst kuark ve fotonun eşzamanlı olarak oluşumunu keşfederek bu türden bir ilki gerçekleştirmiş oldu. Bu bulgu, bilinen en ağır temel parçacık olan üst kuarkın elektrozayıf etkileşim olarak adlandırılan karmaşık doğasına yeni bir bakış açısı sunuyor.
Temel parçacık davranışını düzenleyen yasalar, parçacık fiziğinin standart modeli tarafından tanımlanır. Model elli yıl önce oluşturuldu ve tahminlerinin her deneysel testine dayandı. Ancak model kusursuz değildir. Fikirle ilgili önemli bir teorik sorun, diğer temel parçacıkların Higgs bozonundan nasıl kütle aldığı ile ilgilidir. Elektrozayıf simetri kırılması, Higgs’in bu kütleyi sağladığı süreçtir; standart model mekanizmanın iyi bir tanımını sağlarken, elektrozayıf simetri kırılmasının kesin mekanizması henüz bilinmemektedir.
Şu anda LHC’nin bilimsel gündeminin ön sıralarında yer alan Higgs bozonunun titizlikle incelenmesi, bu muamma tarafından motive edilmektedir. Higgs’i daha iyi anlayabilmek için bilim insanları, Higgs’in en güçlü etkileşime girdiği ve ona en yakın olan parçacıkları da incelemeye başladılar. Standart modeldeki en büyük kütleli parçacıklar, elektrozayıf etkileşimin kuvvet taşıyıcıları olan üst kuark ile W ve Z bozonlarını içeren bu parçacıklardır. Bir üst kuark ve bir fotonun (tqγ) birlikte üretilmesi gibi çarpışma kaynaklı olaylarda bu parçacıkların özelliklerini hassas bir şekilde ölçerek parçacık davranışlarındaki mütevazı sapmaları tespit etmeyi ve ardından bu sonuçları standart modelden gelen tahminlerle karşılaştırmayı amaçlıyoruz.
Bu sapmalar yeni parçacıkların keşfine yol açabilir ve Higgs kütlesi bilmecesinin çözülmesine yardımcı olabilir. Ancak, çarpışmaların neden olduğu bu süreçler tipik olarak oldukça nadirdir.
Geçmişte, tek başına bir üst kuark yalnızca bir W veya Z bozonu ile korelasyon halinde gözlemleniyordu; foton, gerçekleşme olasılığı yüksek olmasına rağmen kayıptı. Tek üst kuark olaylarının üretim süreçleri üst kuark elektrozayıf etkileşimlerine karşı son derece hassastır. Bununla birlikte, üst-antitop kuark çifti gibi parçacık çiftleriyle sonuçlanan üretim süreçleriyle karşılaştırıldığında, bunların görülmesi çok daha zordur. Bu zorluk, tekli üst-kuark olaylarının çiftli olanlardan çok daha az yaygın olmasından ve tekli üst-kuark sinyallerinin, karşılaştırılabilir görünen üst-antitop kuark çifti olayları tarafından gölgelenebilmesinden kaynaklanmaktadır.
ATLAS İşbirliği’nin tqγ ölçümü, bir tqγ olayını takiben W bozonunun “leptonik bozunumuna” odaklandı. Üst kuark üretilir üretilmez bir W bozonuna ve bir alt kuarka bozunur. Daha sonra W bozonu bir nötrino ve yüklü bir lepton (elektron ya da müon) üretmek üzere bozunur. Lepton kanalları üst-kuark süreçlerini incelemek için her zaman ilk tercihtir çünkü yüklü leptonların özelliklerini tanımlamak ve ölçmek, çiftler halinde hadronları oluşturmak için birleşen kuarklardan çok daha kolaydır.
tqγ’da yaratılması beklenen tüm son hal parçacıklarını (bir foton, bir lepton ve bir miktar kayıp enerji – dedektörlerde iz bırakmayan bir nötrinonun imzası) içeren olayların alt kümesi, ATLAS ekibinin gözlemi için incelediği tek olaydı. Araştırmacılar bu örnekleri tanımlamak için simüle edilmiş veriler üzerinde eğitilmiş makine öğrenimi algoritmalarını kullandılar. Deneysel tq oranı ve belirsizliği de makine-öğrenme sisteminin çıktılarından çıkarıldı. Grup, tqγ gözleminin 9,8 σ’lık bir öneme sahip olduğu sonucuna vardı; bu gözlemin rastgele bir veri dalgalanmasından kaynaklanma olasılığı düşünüldüğünde neredeyse sıfırdır.
İlginç bir şekilde, deneysel olarak belirlenen 688 femtobarn tqγ oranı, standart model tarafından beklenen 515 femtobarn’dan yaklaşık %30-40 daha fazladır. Ölçülen orandaki iddia edilen %10’luk belirsizliğin de gösterdiği gibi, veriler ve model arasında bir tutarsızlık olabilir. CERN’deki CMS İşbirliği tarafından daha önce yapılan bir araştırmada da tqγ oranının beklenenden daha büyük olabileceği öne sürülmüştü.
Bu ölçüm, üst kuark fiziğinin küresel ortamında yeni parçacık arayışları için çok önemli olarak görülebilir. Araştırmacılar, yeni parçacıkların varlığına işaret edecek standart model parçacıkları arasındaki beklenmedik etkileşimleri bulmak amacıyla önceki yüzlerce LHC ölçümünü kullanarak çok sayıda büyük ölçekli istatistiksel çalışma yürüttü.
Bu yeni gözlemin yapılmasının nedenlerinden biri, bu araştırmaların gün ışığına çıkardığı üst kuark elektrozayıf etkileşimlerinin nispeten zayıf bir şekilde anlaşılmasıydı. Kişisel olarak, bu verilerin üst kuark hakkındaki bilgilerimizi ve elektrozayıf simetri kırılmasını çevreleyen bulmacanın diğer önemli bileşenleriyle bağlantılarını nasıl etkilediğini görmek için sabırsızlanıyorum.
Ek verilerle, analistler toplam oranın ötesinde tqγ olaylarının özelliklerini çıkarabilmeli ve bu da potansiyel yeni etkileşimleri belirlemeyi kolaylaştırmalıdır. Umarım bu gözlem buzdağının sadece görünen kısmıdır. Bu verilerin kullanılabilir hale gelmesinin veya ardından gelecek analizlerin uzun süreceğini sanmıyorum. Ancak, bu sonucun gerçekten standart modelin ötesinde bir fiziğe işaret edip etmediği hala tartışmaya açık.
Kaynak: physics aps org/articles
