نشانه‌ای از کوارک سر

گروه آزمایش‌‌گر UA1 که در برخورد دهنده پروتون پادپرتون سرن در ژنو سوییس مشغول کار است، در ماه ژوئیه نخستین نشانه مبنی بر وجود ششمین نوع کوارک را گزارش کرد. این تیم که توسط کارلو روبیا از سرن و دانشگاه هاروارد، رهبری می‌شود شش رویداد مشاهده کرد که می‌شد آن‌ها را واپاشی بوزون W به یک کوارک سر و یک پادکوارک نه و به دنبال واپاشی خود کوارک سر تعبیر کرد.
در مدل استاندارد نیروی الکترو ضعیف واینبرگ _سلام_ گلاشو، واحد‌های بنیادی ماده عبارتند از شش کوارک و شش لپتون عبارتند از الکترون، نوترینوی الکترون، میون، نوترینوی میون، تاز و نوترینوی تاز. پروتون و نوترون از کوارک‌های u و d ساخته شده‌اند؛ کوارک‌های سنگین‌تر ناپایدارند اما می‌توانند در برخوردهای بالا _انرژی خلق شوند و به مدت کمی باقی بمانند. تا سال ۱۹۷۴ تنها کوارک‌های u، d و s شناخته شده بودند، نشانهٔ کوارک افسون در ۱۹۷۴ کشف شد، و کوارک b که سنگینی آن پنج برابر پروتون است در سال ۱۹۷۷ کشف شد. از آن زمان جستجو برای یافتن کوارک سر که وجود آن پیش‌بینی شده بود قطع نشده است. آخرین بار در برخورد دهندهٔ الکترون پوزیترون پترا، در هامبورگ آلمان غربی، پژوهش بی‌ثمری به منظور یافتن حالت بستهٔ ti که توپونیوم نامیده می‌شود انجام گرفت؛ نتیجه این بود که جرم کوارک سر از ۲۲GeV تجاوز می‌کند.
بوزون W از طریق مشاهدهٔ واپاشی آن به زوج لپتون‌ها ، مثلاً به الکترون و نوترینوی الکترون یا میون و نوترینوی میون کشف شد. علاوه براین انتظار می‌رود که W به حالت‌های کوارک _ پادکوارک نیز وابپاشد. به دنبال کشف ۱۹۸۳ ی بوزون‌های W و Z در برخورد دهنده سرن، جستجوی شدیدی برای مشاهدهٔ آفرینش کوارک سر از طریق مد واپاشی W_tb آغاز شد.
جرم بزرگ (بیش از ۲۲GeV) و در نتیجه طول عمر کوتاه کوارک سر باعث می‌شود که تنها محصولات واپاشی آن قابل مشاهدهٔ مستقیم در آزمایشگاه باشد. انتظار می‌رود کوارک سر به سه کوارک سبک با یک کوارک سبک‌تر از خود و دو لپتون تجزیه شود. فیزیک‌دان‌های UA1 توجه خود را روی دو واپاشی متمرکز کرده‌اند، چرا که این دو مد واپاشی توپولوژی رویداد نسبتاً ساده و مشخصی دارند که در آن یک میون یا الکترون پر انرژی منفرد عمود بر باریکه‌های فرودی (به طور عرضی) گسیل می‌شود. هم‌چنین قابلیت آشکارساز UA1 برای آشکارسازی الکترون، میون، و نوترینوی به خوبی با این فرآیند تطبیق داده شده است.
در مورد واپاشی tb_W و واپاشی متعاقب کوارک سر حالت نهایی شامل یک جفت لپتون و یک زوج کوارک - پادکوارک خواهد بود. اگرچه کوارک‌ها باید به واسطهٔ بار کسریشان (۱/۳ یا ۲/۳ بار الکترون) قابل تشخیص باشند، با این حال تاکنون تولید کوارک آزاد در برهم‌کنش‌های بالا - انرژی مشاهده نشده است. در عوض کوارک‌ها - در این مورد کوارک‌های ته و پادته - به "جت" هایی از ذرات با بر هم کنش قوی (در ابتدا پیون) تبدیل می‌شوند.
در فرایند W__lvlbb هر چهار ذرهٔ دختر با مؤلفهٔ تکانهٔ ذاتی‌ای که عمود بر باریکهٔ پروتون و پادپروتون است گسیل می‌شوند. آزمایشگران در جستجوی کوارک سر (۱۳۶۳) بیش از سه میلیون برهم‌کنش را که در فاصله اکتبر ۱۹۸۳ و ژوئن ۱۹۸۴ ثبت شده‌اند بیخته‌اند. آن‌ها به دنبال رویدادهایی گشته‌اند که دارای (الف) یک الکترون یا میون منفرد با تکان عرضی بیش از 12GeV/c و (ب) دو جت (متناظر با کوارک‌های ته و پادته) هر یک با تکانهٔ عرضی بیش از ۸GeV/c باشند. نتیجهٔ جستجو سه رویداد از نوع الکترونی و سه رویداد از نوع میونی بوده است. در کلیهٔ این رویدادها مقدار معینی انرژی عرضی ناپدید می‌شود. این انرژی احتمالاً توسط نوترینو، که نمی‌توان مشاهده‌اش کرد، به تاراج می‌رود.
تعداد رویدادهای مشاهده شده با پیش‌گویی‌های مدل الکتروضعیف کم و بیش مطابقت می‌کند‌. از این مشاهدات جرم کوارک سر را می‌توان چیزی بین ۵۰GeV/c و ۳۰ حدس زد.
آگاهی دقیق‌تر از جرم کوارک سر در گرو افزایش داده‌ها و بررسی مفصل خطاهای سیستماتیک مربوط به تعیین انرژی کوارک است. باید تذکر داد که این نتیجه آزمایش، اگر تأیید شود، نخستین مشاهده ذره‌ای است که به چند کوارک وامی‌پاشد.