Çarpışma Analizleri > W Bozunmaları

W Bozunmaları:
Yine Standart Model'e göre, bir W parçacığın dört farklı şekilde;

* bir elektron ve elektron nötrinosuna,
* bir muonla muon nötrinosuna,
* bir tau parçacığı ile tau nötrinosuna,
* veya bir kuarkla karşıtkuarka

bozunabiliyor. Bunlardan ilk üçüne lepton ('leptonic') , sonuncusuna da hadron ('hadronic') bozunması deniyor.
WW bozunmalarının resimleri incelenmek suretiyle, bu farklı bozunma biçimlerinin gerçekleşme olasılıklarını saptamak ve Standart Model'in önögörüleriyle kıyaslamak mümkün.

Örneğin yukarıdaki resimdeki patikaların her ikisi de, iz saptama katmanında iz bıraktıklarına göre, yüklü parçacıklara ait. Kırmızı renkle gösterilenin, muon katmanında bir çarpı işareti uzantısı var. Demek ki bir muona ait ve W'lardan birisi, bir muon ile, gözlemden kaçmış olan muon nötrinosuna bozunmuş. Diğer, yeşil renkli patika ise, elektromanyetik kalorimetrede son buluyor ve burada büyük miktarda enerji bırakılmış olduğuna işaret ediyor. Demek ki bir elektrona ait ve diğer W parçacığı, bir elektronla, keza gözlemden kaçmış olan elektron nötrinosuna bozunmuş. Patikaların birbirlerine göre 180 derecelik bir açı yapmıyor olması, momentumu korunmamış gösteriyor. Bunun nedeni, gözlenememiş olan nötrinoların, hesaba katılamayısan momentumları.

Buradaki, kırmızı renkle gösterilmiş olan patika bir muona ait. Dolayısıyla, W'lardan birisi bir muonla, gözlemden kaçmış olan muon karşıtnötrinosuna bozunmuş. Yeşil ve mavi renkle gösterilen diğer patikalar, iki parçacık yağmuru oluşturuyor ve bir kuark çiftinin bozunmasına işaret ediyor. Demek ki diğer W, bir kuarkla karşıtkuarka bozunmuş. Yani W'lardan birisi lepton, diğeri hadron bozunmasına uğramış. Buna 'yarı-lepton' ('semi-leptonic') bozunma deniyor.

WW bozunmalarına yol açan çarpışmaların incelenmesi genelde, Z bozunması içerenlere oranla çok daha zor. Çünkü bu çarpışmalar çok daha yüksek, 200GeV düzeyinde enerjiye sahip bulunuyor ve çarpışmada, iki vektör bozon birden bozunuyor. Dolayısıyla, dedektörde çok sayıda parçacık patikası görülüyor ve iki W parçacığından kaynaklanan parçacıkları, birbirinden ayırmak zor olabiliyor. Örneğin W'lardan birinden kaynaklanan bir elektron, diğer W'dan kaynaklanan jetin yönüne kayabiliyor. Bu durumda, elektron bu ikinci jetin parçası gibi görünüyor ve diğer W parçacığına ne olduğu anlaşılamıyor. Halbuki elektronların tek başlarına, elektromanyetik kalorimetrede tüm diğerlerinden ayrı sinyaller halinde görülmesi, en arzu edilen durum iken.

Tau parçacıkları özellikle karmaşık. Çünkü taunun kendisi bir elektrona ve muon artı nötrinolara bozunabiliyor. Böyle durumlarda, W parçacığının doğrudan elektrona mı bozunduğunu, yoksa önce tauya bozunup, elektrona dolaylı olarak mı yol açtığını anlamak çok zor oluyor. Fakat lepton tipi bozunmaların üç tipi arasında ayırım güdülmeksizin; sadece hadron ve lepton tipi bozunma oranlarına bakıldığında, karmaşık tau bozunmalarının tanınması sorunundan kaçınılabiliyor. Bu dahi, kuramla deney arasındaki uyumu irdelemek açısından, çok güçlü bir araç.

Higgs parçacığına yönelik en son aramalar, 1999 yılında LEP hızlandırıcısında gerçekleştirilen dört deneyle yapıldı. Araştırmacılar özellikle, Higgs olayı olarak bilinen ve bir Higgs parçacığı ile bir Z parçacığının oluşmasına yol açan çarpışmalara, yani
e+ + e- Z + H Z + aşağı + aşağı karşıt
olaylarına bakıyordu. Higgs parçacığı çok kısa bir yarı ömüre sahipti ve hemen başka parçacıklara bozunuyor, Standart Model'e göre, olabildiğince ağır olması gerekiyordu. Ancak bozunması sonucunda alt veya üst kuarklardan, birine ya da diğerine yol açabilirdi. Halbuki LEP hızlandırıcısının enerji düzeyi, alt kuarkın oluşması için yeterli, fakat daha ağır olan üst kuarkın oluşturulması için yetersizdi. Dolayısıyla, alt kuark çiftine yol açan kanalın tercih edilmesi halinde, Higgs olayı gerçekleşebilecek ve parçacığı gözlenebilecekti. Aksi halde, sonuç yok... Nefesler kesilip, deney sonuçları beklendi.
Sonuçlar gelmeye başladığında; Z parçacığı farklı olasılıklarla değişik şekillerde bozunabildiğinden, değişik araştırmacı grupları, Z'nin farklı bozunmalarına yol açan çarpışmaları incelemeye başladı. Örneğin, Stockholm'lu araştırmacılar, Z parçacığının iki nötrinoya bozunduğu Higgs tipi çarpışmalara bakıyor, dolayısıyla iki alt kuarkla iki nötrino içeren çarpışmaları inceliyordu. İki kuark, iki parçacık jetine yol açacak, nötrinolar ise dedektörden, farkedilemeden çıkıp gidecekti. Böyle bir çarpışmada, enerjinin bir kısmı nötrinolar tarafından taşındığı için, beklenenden az enerji ölçülecekti.

Yandaki şekilde, bu çarpışmaların en ilginçlerinden birisinin, DELPHI dedektöründe kaydedilmiş ve farklı bir yazılımla inşa edilmiş grafik gösterimi veriliyor. Parçacık patikaları iki grup halinde toplanıp, kırmızı ve yeşille renklendirilmiş. Kaydedilmiş olan enerji miktarı beklenenden az çıktığından, dedektörü bir veya daha fazla nötrinonun terketmiş olması gerekiyor. Siyah oklar iki parçacık jetine ait olan, mavi ok ise eksik kalan momentumu simgeliyor.

Şema; Higgs bozonu ile, iki nötrinoya bozunan bir Z parçacığını içeren bir çarpışmadan beklentilere uyuyordu. Elde edilen veri birikimi sonunda, araştırmacılar Higgs parçacığının izlerine rastlamış olduklarını düşünmüşlerdi. Fakat, daha ayrıntılı bir inceleme, bu çarpışmanın daha büyük olasılıkla, Higgs parçacığı devreye girmeksizin, iki Z parçacığının bozunmasına ait olduğunu gösterdi.

Varılan sonuçlar şunlar oldu: LEP'te ortaya çıkabilecek olan en ağır bozunma ürünleri, alt kuarklardı. Üst kuark alt kuarktan daha ağır olduğundan, LEP'in enerji düzeyinin bunlara yol açması mümkün değildi. Daha güçlü bir hızlandırıcı lazımdı ve en iyisi, tasarımlanan LHC'nin devreye girmesini beklemekti. Fakat, Higgs parçacığına yönelik LEP deneylerinden en azından, parçacığın kütlesinin 114GeV'den büyük olması gerektiği sonucu elde edilmişti. 2000 yılından itibaren, LEP deneylerine son verildi ve LHC'nin inşasına başlandı. 2007 yılında tamamlanması planlanan bu hızlandırıcıyla çok çeşitli deneyler yapılacak ve bunlardan birisi, Higgs parçacığının aranmasına yönelik olacak. LHC'nin sayesinde, Higgs parçacığının varlığının nihayet kanıtlanacağı ve kütlesinin ölçüleceği sanılıyor.