کوارک سر

کشف کوارک سر 

کوارک سر
ترکیب:	ذرات بنیادی اولیه
خانواده:	فرمیون
گروه:	کوارک
رده:	سوم
کشف شده:	۱۹۹۵
نماد:	t
جرم:	174.2±3.3 GeV/c2
ذرات حاصل از واپاشی:	بوزون w وکوارک ته
بار الکتریکی:	+2/3 e
اسپین:	½

 

کوارک سر از آنجایی که اسپینش یک دوم است جزء فرمیون‌ها محسوب می‌گردد. و در سال ۱۹۹۵ کشف گردید جرمش ۳.۳ گیگا الکترون ولت است و بار الکتریکی اش دو سوم بار الکترون محسوب می‌گردد.

کوارک سر، ششمین و به احتمال قریب به یقین آخرین کوارک است. کوارک ها همراه با لپتون ها (الکترون و هم خانواده هایش) واحدهاى سازنده ماده هستند.  

در اوایل دهه ،۱۹۸۰ در سرن (آزمایشگاه اروپایى فیزیک ذرات در ژنو) جریانى از پروتون ها و پادپروتون ها در انرژى ۳۱۵Gev  با هم برخورد کردند و دو ذره جدید را به نام هاى W و Z  خلق کردند. کوارک ها و لپتون ها ساختار داخلى ماده را تشکیل مى دهند، اما ذراتى مانند W و Z  نیروهاى بین ذرات را منتقل مى کنند. این دو ذره نیروى ضعیف را انتقال مى دهند که عامل برخى واپاشى هاى رادیواکتیو است. کشف این ذرات اعتبار مدل استاندارد ذرات را بیشتر کرد، چرا که جرم این دو ذره را به دقت پیش بینى کرده بود. همه انتظار داشتند که سرن به زودى کوارک سر را نیز کشف کند. دهه ۱۹۸۰ به پایان رسید و کوارک سر خود را نشان نداد، اما دانشمندان توانستند بفهمند که جرم این ذره کمتر از ۷۷ GeV  نیست!
سرن به حد بالاى انرژى خود رسیده  بود. باریکه ذرات این شتاب دهنده نمى توانست کوارک هاى سنگین تر از ۷۷ GeV  را تولید کند؛ در نتیجه رقابت به آزمایشگاه ملى فرمى محدود شد، آن هم بین CDF  و یک آزمایش جدید در حلقه شتاب دهنده که به دلیل موقعیتش در مسیر شتاب دهنده، D0  (دى صفر) نام گرفت.دانشمندان هر دو گروه CDF و D0  در طول یک دهه ابزارهاى پیچیده و غول آسایى را ساخته بودند که هریک از آنها داراى صدهاهزار مدار الکترونیکى بود و همه آنها تنها براى یک هدف طراحى شده بودند: یافتن ردپاى کوارک سر. آشکارساز CDF  این توانایى را دارد که مسیر هر ذره اى را در میدان مغناطیسى به دقت مشخص کند و از این راه تکانه آن ذرات را تعیین کند؛ اما دستگاه D0  به یک گرماسنج بسیار حساس و دقیق مجهز است که مى تواند انرژى هر برخورد را اندازه گیرى کند. در صورتى که کوارک و پادکوارک سر خلق شوند، تقریباً در همان لحظه واپاشى مى کنند. این ذره برخلاف کوارک هاى بالا و پایین که ذرات پایدارى هستند، بسیار ناپایدارند و نیمه عمرشان تنها 10 ^-24  ثانیه است، یعنى پس از این مدت نیمى از کوارک ها و پادکوارک هاى سر واپاشیده مى شوند و به ذرات دیگرى تبدیل مى شوند. مدل استاندارد پیش بینى مى کند اگر کوارک سر به اندازه کافى سنگین باشد، تقریباً همیشه به یک ذره W  و یک کوارک ته واپاشیده مى شود. بنابراین اگر یک زوج کوارک و پادکوارک سر تشکیل شوند، باید دو ذره W،  یک کوارک ته و یک پادکوارک ته تولید کنند.
متاسفانه نمى توان هیچ یک از ذرات  W  و کوارک ته را مستقیماً دید.  وقتى کوارکى در یک برخورد آزاد مى شود، ابرى از دیگر کوارک ها و پادکوارک ها آن را مى پوشانند و نمى گذارند برهنه بماند. آنچه دیده مى شود، یک جت است، باریکه اى  جهت دار از ذرات که در همان مسیر کوارک اولیه حرکت مى کند  

آزمایشگاه فرمى در آگوست ۱۹۹۲ (مردادماه ۱۳۷۱ ) شکار کوارک سر را مجدداً آغاز کرد. در آن ماه دانشمندان حد پایین جرم این ذره را ۹۱ GeV  تعیین کردند. این گام بزرگى بود. ذره W   برهمکنش هایى را بین کوارک هاى هم نسل ایجاد مى کند و خوشبختانه کوارک هاى سر و ته هم جزء آن نسل هستند. اگر کوارک سر به اندازه کافى سبک مى بود (یعنى سبک تر از ۷۵ GeV)  ذره W  مى توانست در واپاشى خود، این ذره را به همراه یک پادکوارک ته تولید کند. اما با رسیدن به حد ۹۱ GeV  مشخص شد تنها راهى که مى توان کوارک سر را پیدا کرد، خلق یک زوج کوارک-پادکوارک سر است.

   یکى از جذاب ترین رویدادهاى خلق یک کوارک سر، جت هایى از ذرات است که کوارک هاى ته آنها را به وجود مى آورند. 

 دانشمندان امیدوار بودند با یافتن ردپاى ذرات جت و امتداد دادن مسیرشان بتوانند نقطه آغاز واپاشى را بیابند و کوارک ته موجود در جت را شناسایى کنند 

از میان هزاران میلیارد برخورد پرانرژى روى داده در CDF،  تنها ۱۲ رویداد ثبت شده بود که از شرایط مناسب براى نامزدى خلق جفت کوارک-پادکوارک سر برخوردار بودند. مشکل اینجا بود که انبوهى از فرآیندهاى فیزیکى دیگر وجود داشت که مى توانست همین نشانه ها را تولید کند و فیزیکدانان مى بایست از کشف خود مطمئن مى شدند. پس از ماه ها تلاش آنها توانستند تخمین بزنند حدود ۷/۵ رویداد زمینه نیز همین علایم را تولید مى کنند. احتمال این که فقط رویدادهاى زمینه عامل این ۱۲ رویداد انتخابى باشند ۱به۴۰۰ بود. بنابراین هنوز این احتمال وجود داشت که هیچ کوارک سرى به دام نیفتاده  باشد   

چند سالى است آزمایشگاه ملى فرمى در حال نوسازى و ارتقاى تجهیزات آزمایشگاهى خود است. با بهسازى شتاب دهنده، آهنگ تولید کوارک هاى سر به بیست برابر قبل افزایش خواهد یافت و با ارتقاى تجهیزات آشکارساز، بازده شناسایى کوارک هاى سر نیز بهبود خواهد یافت. بدین ترتیب هر دو گروه CDF و D0  خواهند توانست این ذرات را سى بار سریع تر از قبل شناسایى کنند و بهتر بتوانند خواص این ذره را بررسى کنند.   

مرجع:دانشنامه شرق