Particula misterioasa? Cum are loc o descoperire stiintifica

Acceleratoarele de particule au fost din nou saptamana aceasta in atentia presei si a publicului. De data aceasta Tevatron, acceleratorul de la FermiLab, din Statele Unite, de unde a inceput povestea aparitiei unei particule misterioase. O noua particula, nevazuta de nimeni niciodata, ba chiar una care sa arunce in aer fizica cunoscuta, sa contrazica Modelul Standard si sa relanseze epoca acceleratoarelor. Despre ce este vorba ?

Ce se vede cand apar particule Foto: Fermilab

O serie de evenimente misterioase par sa fi avut loc in interiorul acceleratorului de particule de la FermiLab. La prima vedere, pare sa fie vorba despre o noua particula. „Semnatura” ei pare sa fi aparut suficient de frecvent pentru a spune ca este vorba de ceva mai mult decat de o fluctuatie statistica.

Doar ca descoperirea, inca neconfirmata, este extrem de controversata. Mai mult de o treime din cei peste 600 de cercetatori care participa la experiment au refuzat sa semneze lucrarea care anunta descoperirea si care a fost trimisa spre publicare. Stirea a explodat in presa inainte ca descoperirea sa fie confirmata de comunitatea stiintifica.

E un bun prilej pentru a arunca o privire in modul in care se lucreaza si se fac descoperiri in fizica contemporana.

Cum se lucreaza in fizica particulelor

Adrian Buzatu este doctorand la McGill University si lucreaza, impreuna cu colegii sai, la experimentul de detectie care pare sa fi facut descoperirea. Si tot impreuna cu colegii sai de la McGill, s-a retras de pe lista celor 600 de autori care urmau sa semneze lucrarea prin care descoperirea era anuntata. Motivatia este simpla : o descoperire nu se face asa.

De fapt, cum functioneaza un astfel de experiment ?

Collider Detector de la Fermilab (CDF) este unul dintre cele doua detectoare de particule ale Tevatronului. Cum functioneaza acceleratorul

• Produce protoni si antiprotoni pe care-i accelereaza pana la energii foarte mari (1 Tev)
• Particulele astfel accelerate ajung la viteze de 99.99% din viteza luminii
• Un fascicul de protoni contine aproximativ 100 de miliarde de protoni
• Fasciculele astfel accelerate sunt puse sa se ciocneasca : au loc aproximativ 2 milioane de ciocniri pe secunda
• La fiecare ciocnire interactioneaza in medie doar cate una-doua perechi de particule (protoni si antiprotoni)
• Fiecare proton/antiproton este format din cuarci si gluoni, astfel incat putem spune ca la o astfel de ciocnire are loc o interactie intre un cuarc si un anti-cuarc sau o pereche de gluoni
• Prin astfel de ciocniri apar noi particule elementare care nu pot fi produse/observate decat la energii foarte mari si care se dezintegreaza rapid
• Aceste noi particule ajung sa fie captate sau sa lase « urme » in diferitele tipuri de detectori

Detectarea particulelor

Principiul de detectare este simplu : particulele elementare sunt puse in situatia de a crea « urme » in detectori : asta inseamna ca trec printr-un gaz, ciocnesc in drumul lor atomi, producand fenomene de ionizare sau modificari ale energiei care sunt apoi masurate cu tot felul de dispozitive sofisticate.

Apoi, toate aceste « urme » trebuie analizate. Cum se face acest lucru ? Cum arata experimentul in care cercetatorii sustin ca au descoperit o noua particula ? Adrian Buzatu :

Adrian Buzatu Foto: Hotnews

„Pentru fiecare coliziune in parte, programe dezvoltate reconstruiesc toti candidatii de muoni, electroni, neutrino, jerbe (sau jeturi) provenidn din cuarci. Apoi, cei aproape 600 de cercetatori la CDF se organizeaza in grupuri si subgrupuri si studiaza datele experimentale colectate pentru anumite tipuri de evenimente, ce lasa anumite urme in detector. In cazul de fata, cercetatorii s-au uitat la cazurile in care se detecta doi candidati de muoni, dar de sarcini electrice opuse. Se cautau astfel cazuri de producere de perechi de materie si antimatere (muon, antimuon). Aceste particule par sa se iveasca chiar pe locul coliziunii, sau la cativa milimetri distanta”

Aici incep si problemele. In evenimentele nou masurate, pe langa particulele aparent « noi » care apar, unele din particulele « vechi » si deja cunoscute par sa se comporte ciudat. Astfel, unele perechi de muoni si antimuoni par sa « izvorasca » de la o distanta de aproape 50 de ori mai mare, o distanta de aproape 10 cm de locul coliziunii. Ce inseamna acest lucru?

„Daca ar fi cu adevarat asa, ar putea fi o fluctutatie statistica (adica exista cateva cazuri rale cand hadronii se dezintegreaza si dupa distante lungi). Dar ar mai putea fi o posibilitate, anume ca o particula noua, inca nedescoperita, masiva, sa se descopuna in aceasta pereche muon-antimuon. Aceasta ar fi o prima indicatie pentru existenta unor procese inca noi in fizica. Intrebarea este insa, cat de siguri suntem ca acei muoni si antimuoni sunt de fapt chiar asa si nu sunt alte particule care par a fi muoni?”

Exista, in fizica particulelor, si astfel de «false » evenimente. Ele provin din faptul ca un jet de mare energie trece de pragurile detectorului de particule obisnuit si ajunge in detectorul care cauta muoni.

„Niciodata in fizica particulelor nu vorbesti de muoni (si aceasta e valabil oricarei particule) ci de candidati de muoni. Caci poate este, poate nu. De cele mai multe ori este, dar cateodata nu, iar masurarea precisa a raportului dintre ele vine din o intelegere buna a detectorului, ceea ce ia ani sa se dezvolte.”

Intrebarea este, desigur, daca evenimentele nou descoperite au fost « bine masurate » sau nu. De masurarea aceasta s-a ocupat un grup mic de cercetatori. Descoperirea, insa, daca este vorba de o descoperire, le apartine prin conventie tuturor celor 600 de cercetatori care au lucrat la experiment. Acesta este, sustine Adrian Buzatu, specificul fizicii particulelor : se considera ca fiecare membru al colaborarii contribuie la procesul de colectare de date, datele culese se folosesc apoi in comun, iar rezultatele obtinute sunt ale tuturor. Aici, insa, lucrurile incep sa se complice :

„Deoarece articolul exprima opinia si raspunderea stiintifica a autorului, este recomandat ca toti sa citeasca fiecare articol trimis spre publicare. Cum colaborarea CDF produce aproxiativ 50 de articole de an, adica aproximativ unul pe saptamana, un singur om nu poate tine pasul cu toate.

De aceea prin tragere la sorti sunt alese cateva institutii care trebuie sa citeasca atent si sa trimita comentarii la un anumit articol. Exista doua runde de corectura, exista niste cercetatori ce supravegheaza articolul in curs spre publicare in mod constant si interactioneaza cu autorii. Aceasta este in mod normal. (Foto : Wilson Hall, cladirea principala de la FermiLab a fost construita in forma de H, de la Higgs (bosonul Higgs, misterioasa particula pe care o cauta toti)

Wilson Hall Foto: Fermilab

De data aceasta, datorita potentialului de a descoperi cu adevarat pentru prima data un semnal clar de fizica dincolo de Modelul Standard, conducerea CDF a decis ca fiecare instututie trebuie sa citeasca articolul si sa urmareasca aceasta analiza.

La inceput, autorii doreau sa spuna clar in articol ca s-ar fi gasit o fizica noua si chiar propuneau un model teoretic simplificat care reproducea acele rezultate. Majoritatea colaboratorilor insa s-au opus, nefiind convinsi ca aceia erau cu adevarat muoni, cerand o analiza mai detaliata. S-au efectuat noi studii si s-a propus din nou articolul, fara a se mai pretinde in articol ca se observa fenomene de fizica noua (o mare schimbare!).

Se spunea insa pe buna dreptate ca aceste evenimente explica unele neconcordate ce existau in masuratori precedente de la CDF care implicau hadroni continand cuarci bottom care se dezintegrau in muoni. Se spunea tot corect ca aceste evenimente nu pot fi explicate la nivelul pe care il avem in prezent de intelegere a detectorului

CDF si a teoriei Modelului Standard. Se spunea tot corect ca studiile vor continua. Insa ceea ce nu se accentua este faptul ca este vorba de candidati de muoni, iar nu muoni. Adica aici mai mult ca niciodata trebuia accentuat si mai clar ca prin definitie nu tot ce vedem in detector este ceea ce pare sa fie.”

Ca urmare, o treime din cercetatorii implicati in experiment au decis sa nu semneze articolul. Ceea ce nu inseamna, insa, ca ei n-ar spera intr-o mare descoperire, ci doar ca nu sunt de acord cu anuntarea ei in acest moment. Ce se intampla insa mai departe ?

Autorii articolului au trimis articolul spre publicare unei reviste stiintifice. In acelasi timp, urmand practica curenta, l-au pus si pe un site specializat pe internet, ArXIv, site-ul pe care fizicienii publica articolele pe care le-au trimis la reviste stiintifice. Pentru a fi publicat de o revista stiintifica serioasa, orice articol trece printr-un proces de evaluare care ia cam jumatate de an.

Varianta unui site cu articole online inca nepublicate pune, in principiu, la dispozitia colegilor, rezultatele descoperirii. Pe de alta parte, pana cand nu apare intr-o revista stiintifica serioasa, o descoperire nu poate fi validata. Ea e doar o propunere care isi asteapta confirmarea sau infirmarea, iar aceasta va veni, probabil, abia peste cateva luni.

“Pe de alta parte, la doar cateva zile distanta a aparut pe acelasi site si un articol teoretic care explica ce particula ar putea produce in dezintegrarea ei acei muoni. Acei „teoreticieni” care au produs articolul sunt de fapt autorii intiali ai analizei din CDF. Calaborarea nu le-a dat voie sa lege teoria lor de numele colaborarii, asa ca au trimis-o spre publicare pe cont propriu.

Presa din intreaga lume imediat s-a aruncat asupra stirii, accentuand desigur ca este necar daca este vorba de fizica noua sau de o neintelegere a detectorului nostru. Merita sa fim entuziasmati, dar trebuie sa fim precauti. Ia mult timp pentru ca experimentul sa isi confirme propriile rezultate. Ideal ar fi ca si alt experiment sa incearca sa reproduca aceasta si sa vada daca observa sau nu acelasi efect.”

• Adrian Buzatu este doctorand in fizica particulelor la McGill University, Canada. In Romania a absolvit Colegiul National „Fratii Buzesti” din Craiova in anul 2001. A studiat doi ani la departamentul european al scolii de ingineri INSA din Lyon, apoi un an la Universitatea Joseph Fourier din Franta. A efectuat stagii de cercetare in cadrul experimentului ATLAS de la CERN si la laboratorul KEK din Tsukuba, Japonia. Ca masterand si apoi doctorand la Montreal a inceput sa lucreze la  experimentul CDF de la Fermilab. Lucreaza, impreuna cu colegii sai, la cautarea bosonului Higgs.
• Adrian Buzatu se ocupa intens si de popularizarea stiintei si educatia stiintifica a tinerilor. Este unul dintre autorii paginii fizicaparticulelor.ro si are un site de stiinta StiintaAzi.ro.