Kisah Konfirmasi Quark Top

PENGANTAR REDAKSI
AWAL Maret lalu Laboratorium Akselerator Nasionai Fermi yang lebih dikenal sebagai Fermilab kembali mengumumkan menemukan partikel elementer quark top, hampir setahun setelah pengumuman pertama bulan April 1994. Jika pengumuman pertama dilakukan hanya oleh kelompok CDF dari Fermilab, pengumuman terakhir ini dilakukan oleh kelompok CDF dan DZero, keduanya dari Fermilab juga.

Tiap kelompok beranggotakan 450 fisikawan dari berbagai negara yang sedang belajar di Chicago. Warga Indonesia yang fisikawan muda Stephan van den Brink ikut dalam riset akbar ini, masuk kelompok CDF, kandidat doktor dari Universitas Pittsburgh, dan mengirimkan tulisan tentang eksperimen quark top yang terakhir untuk pembaca Kompas.

Fermilab tanggal 2 Maret lalu mengumumkan konfirmasi penemuan partikel subatomis quark top, satu dari enam jenis quark yang eksistensinya masih belum pasti. Ilmuwan di seluruh dunia telah berburu quark top sejak quark bottom ditemukan tahun 1977 di Fermilab. Penemuan ini memberikan dukungan kuat bagi teori quark untuk menjelaskan struktur materi.

Dua makalah riset mengenai temuan ini dari dua kelompok eksperimen Fermilab yang saling bersaing – CDF (Collider Detector Facility) dan Dzero – sudah diserahkan kepada jurnal fisika berwibawa Physical Review Letters. Makalah-makalah itu menjelaskan observasi quark top yang dihasilkan oleh tabrakan energi tinggi antara proton dan antiproton.

Kedua eksperimen beroperasi simultan. Keduanya menggunakan berkas partikel proton dan antiproton yang dipercepat oleh mesin akselerator partikel Tevatron berenergi tertinggi di dunia kini. Kedua kelompok, masing-masing beranggotakan 450 fisikawan, menyajikan hasil kerja mereka dalam sebuah seminar di Fermilab tanggal 2 Maret 1995 di Batavia, Illinois.

“Bulan April 1994, CDF mengumumkan untuk kali pertama bukti eksperimental langsung mengenai eksistensi quark top,”kata William Carithers Jr, salah seorang juru bicara eksperimen CDF.

”Tapi saat itu kami masih sangat berhati-hati mengatakan penemuan quark top dengan pasti tanpa kinfirmasi lebih lanjut,” kata Giorgio Bellettini, juru bicara Iain CDF yang merupakan pemimpin grup Italia di CDF.

”Sekarang dengan analisis data sekitar tiga kali Iebih banyak, kami dmgan pasti mengonfirmasikan bukti pertama yang telah diumumkan April 1994 dan dengan ini mengukuhkan penemuan quark top,” tambah Bellettini.

Kelompok DZero juga telah menemukan quark top dalam penelitian terpisah. ”Observasi DZero mengenai quark top sangat bergantung pada karakteristik dan jumlah peristiwa quark top yang kami amati,” kata Paul Grannis dan Hugh Montgomery, keduanya juru bicara Dzero.

”Tahun Ialu, kami tidak punya data untuk menyatakan eksistensi quark top, tapi sekarang dengan jumlah data yang cukup kami berhasil melihat sinyalnya,” tambah Montgomery.

PARA fisikakawan mengidentifikasi quark top dengan mengamati sinyal elektronik yang dihasilkan quark top. Namun, ada fenomena lain yang kadang bisa menyerupai sinyal quark top. Fenamena seperti ini dikenal sebagai latar. Untuk mengklaim suatu penemuan partikel, para eksperimentalis harus mengamati cukup banyak peristiwa quark top, sekaligus menghilangkan sinyal yang berasal dari latar.

Dalam tabrakan proton dan antiproton, dihasilkan quark top yang sangat jarang muncul . CDF berhasil menemukan 43 peristiwa yang konsisten dengan produksi quark top. Untuk mengamati ke-43 peristiwa ini, kami harus meneliti 50 juta peristiwa yang direkam dalam peta magnetik oleh CDF.

Produksi quark top yang dominan pada tingkat energi 1,8 TeV atau 1.800 milyar elektronvolt ini adalah melalui jalur anihilasi pasangan quark-antiquark yang berasal dari proton dan antiproton. Anihilasi ini menghasilkan gluon, yang kemudian terbelah menjadi pasangan quark top (t) dan antiquark top (t’).

Quark top tidak stabil karena massanya yang besar, oleh karena itu terurai menjadi boson W positif dan quark bottom (b). Antiquark top terurai menjadi boson W negatif dan antiquark bottom (b’). Boson W dapat terurai menjadi pasangan lepton – elektron bersama neutrino-elektronnya ataupun muon bersama neutrino-muonnya- atau semburan quark yang lebih ringan.

Mari kita lihat kedua kemungkinan penguraian boson W itu.
– Peristiwa di mana kedua boson W terurai menjadi dua pasangan lepton merupakan peristiwa “tebersih” – sedikit latar – tapi juga merupakan peristiwa penguraian quark top yang sangat jarang. Hanya lima persen dari peristiwa tt’ yang mengambil jalur penguraian ini.
Tt’ —>W+bW-b’ —>l+l-vvbb’
l= lepton bermuatan, elektron (e) atau muon (u)
v= neutrino elektron atau neutrino muon
– Peristiwa di mana salah satu dari kedua boson W yang terurai menjadi pasangan lepton dan boson W yang lain terurai menjadi jet quark merupakan peristiwa yang lebih sering muncul. Jalur penguraian ini disebut jalur lepton plus jet.
Tt’ —> W+bW-b’ —>l+bjjb’
J= jet, semburan partikel yang mengandung quark ringan.

Sekitar 30 persen peristiwa tt’ terurai melalui jalur ini. Tapi, sinyal latar lebih besar bagi boson W yang terurai menjadi lepton. Hal ini berarti, boson W yang terurai menjadi jet lebih sulit untuk diamati.
Untuk memisahkan W boson jenis ini dari sinyal latarnya, kita cari quark bottom yang dihasilkan bersma dengan boson ini oleh penguraian quark top.

Quark bottom berumur sekitar seperseribumilyar detik dan bergerak sejauh beberapa ratus mikrometer (seperseratus sentimeter) sebelum kemudian terurai melalui jalur semileptonik menjadi pasangan lepton.

Karena itu, quark bottom ini bisa diamati dengan dua teknik:
– Dengan mengidentifikasi elektron ataupun muon hasil penguaian semileptonik quark bottom. Cara ini disebut Soft Lepton Tag (SLT) atau pengidentifikasian lepton ”lunak”. Lunak di sini berarti bermomentum transversal rendah, yang juga berarti berenergi rendah.
– Dengan mengidentifikasi verteks penguraian sekunder yang berjarak beberapa ratus mikron dari titik penguraian utama. Titik penguraian utama adalah titik di mana quark top terurai menjadi boson W dan quark bottom. Titik penguraian sekunder adalah titik di mana quark bottom terurai secara semileptonik. Cara ini disebut Secondary Vertex Tag (SVX).

Teknik ini dapat dilakuakn di CDF karena adanya detektor verteks silikon yang menggunakan teknologi canggih kristal silikon beresolusi tinggi. Karena resolusinya yang sangat tinggiyakni sekitar delapan mikron, detektor SVX ini dipasang paling dekat dengan lokasi tabrakan proton-antiproton untuk mengamati posisi verteks sekunder quark bottom.

Resolusi delapan mikron ini berarti, detektor SVX sanggup membedakan jarak sekecil delapan mikrometer, yakni delapan kali sepersejuta meter. Ini berarti, posisi verteks sekunder yang berjarak beberapa ratus mikron dari posisi verteks utama dapat dengan “mudah” diamati detektor SVX.

Jadi di CDF, kami mencari quark top yang jumlahnya melebihi jumlah peristiwa yang mungkin ditiru oleh latar, dengan tiga cara diatas: jalur dileptonik, jalur lepton plus jet dengan teknik SLT, dan jalur lepton plus jet dengan teknik SVX.

SYARAT-SYARAT utama penemuan quark top:
– Peristiwa di atas latar peristiwa yang jumlahnya melebihi jumlah yang mungkin ditiru latar –yang terdiri atas dua boson W dan dua jet. Juga dicari jet yang berasal dari quark bottom.
– Peristiwa di atas latar yang terdiri dari satu boson W ditambah tiga atau lebih jet dengan identifikasi quark bottom.
– Kinematika yang konsisten dengan produksi dan penguraian top.
– Adanya puncak maksimum dalam plot distribusi massa bagi peristiwa yang dapat direkonstruksi secara lengkap.
– Hasil analisis data tahun 1992-1993 yang diumumkan April 1994 untuk luminositas proton antiproton sebesar 19,3 inverse picobarn sebagai berikut.
– Ditemukan dua peristiwa top di jalur dileptonik dengan ketidakpastian dibawah harga rata-rata 0,13 sedangkan ketidakpastian di atas harga rata-rata 0,25.
– Ditemukan tujuh peristiwa top melalui teknik SLT dengan tahap latar sebesar 3,1 dengan toleransi 0,3.
– Ditemukan enam peristiwa top melalui teknik SVX dengan tahap latar sebesar 2,3 dengan toleransi 0,3.

Teknik SLT dan SVX menemukan tiga peristiwa yang sama. Kombinasi probabilitas yang konsisten dengan latar untuk ketiga cara itu adalah 0,26 persen atau 2,8 deviasi standar Gaussian. Ini berarti, ada 0,26 persen kemungkinan, peristiwa top di atas ditiru latar.

Statistik yang diperoleh tahun lalu belum cukup untuk menetapkan eksistensi quark top dengan kukuh, tetapi dengan mempertimbangkan kemungkinan yang sangat kecil bahwa peristiwa itu dapat ditiru latar sampai ke tahap yang diamati, maka interpretasi yang wajar adalah peristiwa itu muncul akibat produksi pansangan quark top dan antiquark top.

Hasil analisis data terakhir yang diumumkan 2 Maret 1995, juga mencakup hasil yang diumumkan tahun lalu, dari sampel data sebesar 67 inverse picobarn tabrakan proton antiproton sebagai berikut.
– Ditemukan enam peristiwa dileptonik dengan tingkat latar 1,3 dan toleransi 0,3. Ini berarti latar dapat meniru peristiwa top ini, tapi dengan probabilitas yang sangat kecil: 3.10-3.
– Ditemukan 23 peristiwa melalui identifikasi SLT dengan tingkat latar sebesar 15,4 dan toleransi 2,0. Probabilitas bagi latar meniru peristiwa ini adalah 6.10-2.
– Ditemukan 27 peristiwa melalui identifikasi SVX dengan tingkat latar sebesar 6,7 dan toleransi 2,1. Probabilitas bagi latar untuk meniru peristiwa ini adalah 2.10-5.
Kombinasi ketiga probabilitas latar itu menghasilkan nilai sebesar 4,8 deviasistandar. Artinya, ada sekitar sepersejuta kemungkinan bagi latar untuk meniru peristiwa top tersebut.

Dengan hasil yang sangat solid ini, kami para kolaborator di CDF mengonfirmasikan penemuan quark top yang merupakan penelitian lanjutan akan pengumuman bukti eksistensi quark top bulan April 1994.

Kolaborator Dzero juga turut melaporkan hasil riset mereka. Hasilnya dari sampel data sebesar 50 inverse picobarn, diamati 17 peristiwa top yang terurai sebagai berikut:
– Ditemukan tiga peristiwa dileptonik dengan ekspektasi latar sebesar 0,65.
– Ditemukan delapan peristiwa lepton plus jet tanpa identifikasi muon dengan tingkat latar sebesar 1.9.
– Ditemukan enam peristiwa lepton plus jet dengan identifikasi muon.

Sumber: Kompas, Kamis, 6 April 1995