Çarpışma Analizleri > Z Bozunmaları


Daha önce de sözü edildiği gibi, CERN'deki en büyük dairesel hızlandırıcı olan LEP, 2000 yılında sökülmesine başlanılana kadar, daha çok elektron pozitron çarpıştırma deneylerinde kullanılıyordu. Bu çarpışmaların yol açtığı yokediliş sürecinin başlangıcında Z parçacıkları, daha sonraki aşamalarında da, kuark karşıtkuark çiftleri oluşuyor. Bu parçacıklar daha sonra bozunuyorlar. Elde edilen çarpışma resimlerinde bu bozunmaların izlerini aramak suretiyle Standart Model'i sınamak ve geliştirmeye çalışmak mümkün.
Çünkü örneğin, Standart Model'e göre, bir Z parçacığı, toplamı 1 olmak üzere farklı olasılıklarla;
* elektronla karşıtına (e -, e +),
* muonla karşıtına (μ+ ,μ-),
* tau ile karşıtına (τ -, τ +)
* bir kuarkla karşıtına (k,kk) veya,
* iki nötrinoya
bozunabilir.

Bir Z parçacığı bir kuarkla karşıtkuarka bozunduğunda, bu ikisi birbirinden yüksek hızla uzaklaşır. Halbuki Standart Model'e göre; kuarklar yalnız başlarına bulunamaz ve yalnız kalmayısa zorlandıklarında; hızla bozunup, bir parçacık yağmuru veya jetine yol açarlar. Her kuarkın parçacık jetinde, genellikle 10 veya daha fazla parçacık bulunur. Jetlerdeki parçacıklar, çoğunlukla mezonlardan oluşur. Eğer kuarklardan birisi bu arada bir gluon salarsa, bu gluon da bir jet oluşturur ve çarpışma olayında sonuç olarak, üç jet üretilmiş olur. Hatta bazen birkaç gluon ışınlanmıştır ve üçten fazla jetle karşılaşılır. Fakat bu, pek sık karşılaşılan bir durum değildir. Öte yandan kuarklar, yaklaşık 1fm (1 Fermi, fm=10-15 m) uzaklığa kadar bozunmamışlarsa eğer, güçlü kuvvet daha fazla uzaklaşmalarına izin vermez ve yeni kuark-karşıtkuark çiftlerinin oluşmasına yol açar. Sayısı artan kuarkların her biri sonunda, jetler halinde bozunur ve bu süreç, çarpışma resmindeki parçacık jeti sayısının artmasıyla son bulur. Dolayısıyla, bir çarpışmada ortaya kuarklar çıkmışsa eğer, bunun anlaşılması kolay oluyor. Çünkü yol açtıkları parçacık jetleri, dedektörde net olarak görülebiliyor.
Z parçacığının iki nötrinoya bozunma olayları, geride hiçbir iz bırakılmamış olduğundan, gözlenemezler. Dolayısıyla, bu türden kaç bozunmanın yer almış olduğu bilinemez. Ancak, yeterince çok sayıda çarpışmanın incelenmesi sonucunda, diğer tür bozunma olasılıkları belirlenmişse eğer; bunların toplamını 1'den çıkarmak suretiyle, nötrino bozunmalarının olasılığı hesaplanabilir.

Dolayısıyla Z bozunmalarını; elektron, muon, tau, nötrino çiftlerinin izleri ve 2, 3 ya da 4'lü kuark jetleri şeklinde yakalamak mümkün. Bu bozunmalardan her birinin farklı olasılıkları, Standart Model tarafından, kuramsal olarak hesaplanabiliyor. Dolayısıyla, yeterince sayıda Z bozunması gözleyip, hangi tür bozunmanın hangi sıklıkla yer aldığını hesaplamak ve böylelikle Standart Model'in öngörülerini sınamak mümkün.

Öte yandan; doğadaki dört tür etkileşimden her birinin, ilgili etkileşimin gücünü belirleyen bir 'bağlantı' ('coupling') sabiti var. Örneğin, en düşük güce sahip olan kütleçekimi kuvvetinin bağlantı sabiti G. Elektromanyetik ve güçlü etkileşimlerin bağlantı sabitleri α ve α s ile gösteriliyor. Bu sabitler, farklı süreçlerin gücünü belirliyor ve doğadaki en temel parametreler arasında yer alıyorlar. Örneğin bir kuarkın gluon ışınlama olasılığı, 'güçlü bağlantı' ('strong coupling') sabitine bağlı. Dolayısıyla, Z parçacığının kuark çiftine bozunduğu olayların kaçında gluon ışınlandığını sayıp yüzdesini hesaplayarak, bu sabitin değerini bulmak da mümkün.
Şimdi bu bilgilerin ışığında, bazı resimleri inceleyerek, farklı Z bozunmalarının nasıl tanınabileceğine bir bakalım.

Z parçacığının elektron pozitron çiftine bozunmasına bir örnek. Çünkü açığa çıkan parçacıklar; elektromanyetik kalorimetrede durdurulduklarına göre, hafif parçacıklar. Öte yandan, iz saptama katmanında iz bıraktıklarına ve de zıt yönlerde hareket ettiklerine göre, zıt işaretli elektrik yükü taşıyan bir çift olmalılar. Örneğin bir elektron pozitron çifti. Parçacık patikaları birbirine göre 180 derece açı yaptığından, momentum korunabiliyor. Dolayısıyla, bu olayda nötrino yok.

Elektromanyetik kalorimetrenin hemen dışında, parçacıkların patikaları renginde, iki uzun dikdörtgen bulunuyor ve bu kalorimetrede bırakmış oldukları enerji miktarlarını gösteriyor. Dikdörtgenler, patikaların uzantısını oluşturmuyor, ya da parçacıkların nereye kadar gittiğini göstermiyor. Z parçacığının elektronla pozitrona bozunma olaylarının önemli bir özelliği, sadece iki patikanın bulunması ve parçacık enerjilerinin hemen tümüyle kaydedilmiş olması. Z'nin muonlara bozunması da buna benzer şekilde, fakat iki patikanın uzantısı olarak, muon odasında iki çarpı işaretiyle gösteriliyor.

Burada; yeşil renkle gösterilen soldaki patika, tek bir parçacığa ait. Bu parçacık yüklü ve bir muon. Sağdaki grupta ise (kırmızı), bazıları yüksüz olan bir parçacık yağmuru var ve aralarında muon yok. Gerçi böyle bir jet, bir kuarkın bozunmasından kaynaklanabilirdi. Fakat o durumda, bir de karşıt kuarkın bulunup, en az bir jete daha yol açmış olması gerekirdi. Dolayısıyla bu ikinci grup, en ağır lepton olan bir taunun bozunmasının sonucu.

O halde soldaki muon da, bu taunun karşıtının bozunma ürünü olmalı. Demek ki bu, Z parçacığının bir tau-karşıttau çiftine, tau parçacıklarının da başka parçacıklara bozunmasının bir örneğini oluşturuyor. Tau parçacıklarından biri, yeşil renkle gösterilen muon ile, gözlenemeyen bir nötrinoya; diğeri ise bir parçacık yağmuruna bozunmuş.

Z parçacığı bir tau çiftine bozunduğunda, tau parçacıkları çok kısa bir süre içerisinde bozunduklarından, kendileri gözlenemiyor. Ancak bozunma ürünleri gözlenebiliyor. Genel olarak, buna benzer tau olaylarından geriye; herhangi bir sayıda yüksüz ve 2, 4 veya 6 yüklü parçacık patikası kalıyor. (Bu durumda üç kırmızı ile bir yeşil olmak üzere 4.) Dolayısıyla tau olayları, çift sayıda yüklü parçacık patikasının varlığıyla tanınabiliyor. Yüklü olanlar parlak, yüksüz olanlar mat renklerle gösterilmiş oluyor. Ayrıca, gözlemden kaçan nötrinolar nedeniyle, hatırı sayılır miktarda enerji eksiği ile karşılaşılıyor. Momentum da korunmamış görünebiliyor.
Burada iki parçacık yağmuru var. Z parçacığı bir kuarkla karşıtına bozunmuş, bunlar da yeşil ve kırmızı renkle gösterilen jetlere yol açmış olmalı. Jetler esas olarak; proton, mezon veya nötron gibi hadronlardan oluşuyor. Ancak, yeşil renkle gösterilen gruptaki çarpı işaretleri, grupta bir muonun bulunduğunu belirtiyor.

Z parçacığı bir kuark çiftine bozunduğunda bazen, kuarklardan birisi bozunmadan önce gluon ışınlar ve her gluon, ek parçacık yağmularına yol açar. Yandaki resimde buna bir örnek veriliyor. Z parçacığı burada, aslında bir kuark çiftine bozunuyor. Ancak kuarklardan birisi, bozunmadan önce bir gluon ışınlamış. Dolayısıyla sonuç olarak, resimde üç parçacık jeti var. Bunlardan yeşil ve kırmızı renklerle gösterilenler, birer muon içeriyor.

Bu resim, çok seyrek rastlanan bir Z bozunmasını gösteriyor. Burada beş farklı parçacık grubu (jeti) var. Hepsi de parçacık yağmuru olduğuna göre, bunlara kuarklar yol açmış olmalı. Halbuki Z parçacığı iki kuarka bozunduğunda, iki adet parçacık yağmuru oluşur. Demek ki, Z bozunduğunda ortaya çıkan kuarklar, üç gluon ışınlamışlar ve yağmurlardan üçüne, bu gluonların bozunması yol açmış. Sonuç olarak, beş parçacık jeti oluşmuş.

Çarpışma resimlerinin incelenmesi, her zaman bu kadar kolay olmuyor tabii ve bazen, çarpışmada hangi parçacıkların yer almış olduğunu tanımlamak zor olabiliyor. En sık karşılaşılan sorun, çarpışma ürünü olan parçacıklardan birinin, ışın tüpüne doğru kaçması veya dedektörün yarıklarından birine girip kaybolması. Kaybolan parçacıklar fazla enerji taşıyorsa, bu durum, sahte nötrino sinyallerine neden oluyor.



Tau parçacıkları, tanınması en zor olan parçacıklardan. Bozunmalarında aranan '2, 4 veya 6 yüklü parçacık patikası' şeklindeki 'imza,' parçacıklardan birinin dedektörce farkedilmemesi halinde kayboluyor. Ayrıca, bir tau parçacığı sık olarak, iki nötrino ile bir elektron veya muona bozunabiliyor. Bu durumda, çarpışma sonrasında gözlemlenen elektron veya muonun; tau bozunmasından mı, yoksa çarpışmanın kendisinden mi kaynaklandığını anlamak zor olabiliyor.
Kaybolan parçacıklar; çarpışmanın resminin, olması gerektiğinden farklı görünmesine de yol açabiliyor. Örneğin, ışın tüpüne yönelik bir kuark jeti, parçacıklardan bazıları tüpün içinde kaybolduğunda, bir tau parçacığının bozunmasından kaynaklanan bir minik jet gibi görünüyor. Öte yandan bilgisayar, çarpışma analizi sonucunda parçacıkların patikalarını, ait oldukları jete göre farklı renklerle gösteriyor. Dolayısıyla genelde, patikaların farklı renklerini sayarak, jet sayısını kolayca belirlemek mümkün. Fakat programın bazen hata sonucu, iki ayrı jeti birleştirdiği veya tek bir jeti ikiye ayırdığı da oluyor.
Dolayısıyla, tek bir çarpışmayısı incelerken, hata yapmak mümkün ve kolay. Fakat bu büyük bir sorun oluşturmuyor. Çünkü, çok sayıda çarpışmanın incelenmesi gerekiyor ve yeterli veri toplandığında, tek tek çarpışmalar üzerinde yapılmış olan hataların, istatistiksel değerlendirme üzerindeki etkisi zayıflıyor.
Son olarak bir de, W bozunmalarına bakalım..