Proton-Proton Çarpışmalarında Foton-Tausun İlk Gözlemi

Proton-Proton Çarpışmalarında Foton-Tausun İlk Gözlemi

 CERN tarafından yapılan açıklamada, CMS dedektörünün olağanüstü takip yeteneklerini kullanan işbirliği, proton-proton çarpışmalarında iki fotonun iki tau-lepton ürettiğini gözlemledi.

Mart 2024'te CMS işbirliği, iki fotonun proton-proton çarpışmalarında iki tau leptonu oluşturduğunun gözlemlendiğini duyurdu. Bu süreç, CMS dedektörünün hassas izleme yeteneklerinin kullanılmasıyla mümkün olan proton-proton çarpışmalarında ilk kez görülüyor. Bu aynı zamanda tau'nun anormal manyetik momentinin en hassas ölçümüdür ve yeni fiziğin varlığını sınırlamanın yeni bir yolunu sunar.

Bazen tauon olarak da adlandırılan tau, lepton ailesinden tuhaf bir parçacıktır. Genel olarak leptonlar kuarklarla birlikte Standart Modelin (SM) “madde” içeriğini oluşturur. Tau ancak 1980'lerin sonlarında SLAC'ta keşfedildi ve onunla ilişkili nötrino - tau nötrino - 2000 yılında Fermilab'daki DONUT işbirliğiyle keşfedilmesiyle somut madde kısmını tamamladı. Ancak tau'nun ömrü çok kısa olduğundan kesin araştırma yapmak oldukça zordur: yalnızca 290.10-15 saniye (saniyenin yüz katrilyonda biri) kadar sabit kalır.

Diğer iki yüklü lepton, elektron ve müon oldukça iyi incelenmiştir. Manyetik momentleri ve bunlarla ilişkili anormal manyetik momentler hakkında da pek çok şey bilinmektedir. İlki, bir parçacık içindeki hayali bir çubuk mıknatısın gücü ve yönelimi olarak anlaşılabilir. Bununla birlikte, bu ölçülebilir miktarın, manyetik anı çeken sanal parçacıkların onu tahmin edilen değerden saptırmasından kaynaklanan kuantum düzeyinde düzeltmelere ihtiyacı vardır. Anormal manyetik moment olarak adlandırılan kuantum düzeltmesi %0,1 mertebesindedir. Eğer teorik ve deneysel sonuçlar uyuşmuyorsa, o zaman bu anormal manyetik moment, a1, SM'nin ötesindeki fiziğe kapılar açar.

Elektronun anormal manyetik momenti, parçacık fiziğinde en kesin olarak bilinen niceliklerden biridir ve SM ile mükemmel bir uyum içindedir. Onun muonik karşılığı ise en çok araştırılanlardan biridir ve üzerinde araştırmalar devam etmektedir. Teori ve deneyler şu ana kadar çoğunlukla fikir birliğine varmış olsa da, son sonuçlar daha fazla araştırma gerektiren bir gerilime yol açıyor.

Ancak tau için yarış hala devam ediyor. Tau'nun ömrünün kısa olması nedeniyle anormal manyetik momentini ( τ) ölçmek özellikle zordur . Tau'nun keşfinden sonra τ'yı ölçmeye yönelik ilk girişimler, kuantum düzeltmelerinin boyutundan 30 kat daha yüksek bir belirsizlikle geldi. CERN'de LEP ve LHC dedektörleriyle yapılan deneysel çalışmalar, kısıtlamaları iyileştirerek belirsizlikleri kuantum düzeltmelerinin boyutunun 20 katına düşürdü.

Çarpışmalarda araştırmacılar özel bir süreç ararlar: iki foton etkileşime girerek iki tau leptonu üretir; bu leptona di-tau çifti de denir; bunlar daha sonra müonlara, elektronlara veya yüklü pionlara ve nötrinolara bozunur. Şu ana kadar hem ATLAS hem de CMS bunu ultra çevresel kurşun-kurşun çarpışmalarında gözlemledi. Şimdi CMS, proton-proton çarpışmaları sırasında aynı sürecin ilk gözlemini rapor ediyor. Bu çarpışmalar, çarpışma enerjisiyle birlikte yeni fizik efektleri arttıkça SM'nin ötesinde fiziğe daha yüksek bir hassasiyet sunar. CMS dedektörünün olağanüstü izleme yetenekleri sayesinde işbirliği, tausların 1 mm kadar küçük mesafelerde başka herhangi bir iz olmadan üretildiği olayları seçerek bu özel süreci diğerlerinden ayırmayı başardı. CMS analiz ekibinden Michael Pitt, "Ultra periferik proton-proton çarpışmalarını tespit etmedeki bu olağanüstü başarı, CMS deneyi ile bu türden birçok çığır açıcı ölçüm için zemin hazırlıyor" dedi.

Bu yeni yöntem, tau anormal manyetik momentini sınırlamak için CMS işbirliğinin hemen denediği yeni bir yol sunuyor. Önem gelecekteki çalışma verileriyle iyileştirilecek olsa da, yeni ölçümleri şimdiye kadarki en sıkı kısıtlamaları her zamankinden daha yüksek bir hassasiyetle yerleştiriyor. Tahminlerdeki belirsizliği kuantum düzeltmelerinin yalnızca üç katına indiriyor. CMS analiz ekibinden Izaak Neutelings, "Sonunda bulunması zor tau leptonun bazı temel özelliklerini daraltabilmemiz gerçekten heyecan verici" dedi. Analiz ekibinin diğer bir üyesi olan Xuelong Qin, "Bu analiz, tau g-2'yi araştırmak için yeni bir yaklaşım getiriyor ve yirmi yılı aşkın süredir sabit kalan ölçümleri yeniden canlandırıyor" diye ekledi.

Kaynak

CERN

Resim: CMS collaboration

 CERN Hakkında

Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü CERN, parçacık fiziği alanında dünyanın önde gelen laboratuvarlarından biridir. Örgüt, Fransa-İsviçre sınırında yer almakta olup genel merkezi Cenevre'dedir. Üye Devletleri şunlardır: Avusturya, Belçika, Bulgaristan, Çek Cumhuriyeti, Danimarka, Finlandiya, Fransa, Almanya, Yunanistan, Macaristan, İsrail, İtalya, Hollanda, Norveç, Polonya, Portekiz, Romanya, Sırbistan, Slovakya, İspanya, İsveç, İsviçre ve Birleşik Krallık. Kıbrıs, Estonya ve Slovenya, Üyeliğin ön aşamasındaki Ortak Üye Devletlerdir. Brezilya, Hırvatistan, Hindistan, Letonya, Litvanya, Pakistan, Türkiye ve Ukrayna Ortak Üye Devletlerdir.  Japonya ve Amerika Birleşik Devletleri, Avrupa Birliği ve UNESCO gibi şu anda Gözlemci statüsüne sahiptir. Rusya Federasyonu'nun ve JINR'nin Gözlemci statüsü, sırasıyla 8 Mart 2022 ve 25 Mart 2022 tarihli CERN Konsey Kararları uyarınca askıya alınmıştır.