home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ TIME: Almanac 1995 / TIME Almanac 1995.iso / time / 050994 / 0509300.000 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1995-02-15  |  9.3 KB  |  178 lines

  1. <text id=94TT0568>
  2. <title>
  3. May  09, 1994: Science:Gotcha!
  4. </title>
  5. <history>
  6. TIME--The Weekly Newsmagazine--1994                  
  7. May  09, 1994  Nelson Mandela                        
  8. </history>
  9. <article>
  10. <source>Time Magazine</source>
  11. <hdr>
  12. SCIENCE, Page 69
  13. Gotcha!
  14. </hdr>
  15. <body>
  16. <p>     After 17 years of searching, physicists believe they have found
  17. a missing building block of matter
  18. </p>
  19. <p>By J. Madeleine Nash/Chicago
  20. </p>
  21. <p>     It was once called the great white whale of physics. The longer
  22. the "top" quark managed to elude capture, the more obsessed
  23. its pursuers became with the importance of hunting it down.
  24. For in the subatomic world, the top was, scientists believed,
  25. the sixth and last of the quarks--pointlike particles that
  26. constitute the basic building blocks of matter. As the years
  27. passed, failure to find the top became a source of consternation
  28. and potential embarrassment to the theorists who swore it must
  29. exist.
  30. </p>
  31. <p>     But last week the scientific equivalent of "thar she blows"
  32. echoed around the world. The news came from several hundred
  33. particle hunters working at Fermi National Accelerator Laboratory
  34. near Chicago, who presented compelling evidence that not one
  35. but 12 top quarks had briefly surfaced inside a mammoth detector
  36. in their lab.
  37. </p>
  38. <p>     The first sightings of this long sought trophy have still to
  39. be confirmed, but when they are, they will culminate one of
  40. the richest periods of discovery in the history of science.
  41. They will also justify the confidence physicists have placed
  42. in the so-called Standard Model, a powerful theoretical edifice
  43. that has reduced a once bewildering array of subatomic particles
  44. to just a few fundamental constituents. These include three
  45. pairs of light particles known as leptons, of which the negatively
  46. charged electron and chargeless neutrino are the most familiar,
  47. and three pairs of heavier particles known by the whimsical
  48. name of quarks. "Up" and "down" quarks combine to create protons
  49. and neutrons, the components of everyday matter, while "charm"
  50. and "strange" quarks conspire to make more exotic particles,
  51. the sort produced in deep space by quasars and high-energy cosmic
  52. rays. In 1977, when a fifth quark called "bottom" was discovered,
  53. physicists quickly deduced that it too must have a partner.
  54. </p>
  55. <p>     That partner turns out to be well worth years of searching.
  56. Its apparent characteristics contain intriguing hints of an
  57. unexplored microcosmos, one that may be populated by particles
  58. far odder than any discovered to date. For the top quark is
  59. extraordinarily heavy. It is, to be exact, 200 times heavier
  60. than a proton and almost as hefty as an entire atom of gold.
  61. That an elementary particle can weigh so much, says University
  62. of Chicago physicist Henry Frisch, amounts to a "tantalizing
  63. clue." It suggests that the top is intricately entwined with
  64. the mysterious mechanism that is responsible for creating mass.
  65. </p>
  66. <p>     Why are some particles, like the top quark, so heavy, while
  67. others, like the photon, have no mass at all? The favored explanation
  68. for this striking asymmetry invokes a still hypothetical class
  69. of particles known as Higgs bosons, which are imagined to suffuse
  70. the universe like a dense fog. The force exerted by this field
  71. of Higgs particles can be loosely compared to the tug of gravity.
  72. A massless photon navigates through the Higgs field as though
  73. it were not there, while other particles experience such great
  74. drag that they, in essence, gain weight. Knowing the mass of
  75. the top quark should help flesh out the very preliminary sketch
  76. theorists have made of the Higgs boson and suggest to experimentalists
  77. clever ways of looking for it. There is even a chance, some
  78. physicists speculate, that the Higgs will turn out to be an
  79. odd couplet made up of the top and its antimatter twin. "Is
  80. the top the Yeti?" wonders Fermilab theorist Christopher Hill,
  81. referring to the mythical creature that is said to inhabit the
  82. high Himalayas, "or is it the footprint of the Yeti? We don't
  83. know the answer to that question. What we do know is that the
  84. Standard Model is incomplete."
  85. </p>
  86. <p>     Nearly two decades ago, when physicists started designing the
  87. collider detector at Fermilab (CDF), they had no idea the search
  88. for the top would drag on for so long. Theorists predicted that
  89. the top should be no more than three times the size of its partner,
  90. bottom, putting it well within the range of particle accelerators
  91. then available in both the U.S. and Europe. In 1984 Carlo Rubbia
  92. and his collaborators at CERN, the European center for nuclear
  93. research near Geneva, Switzerland, claimed to have discovered
  94. the top, but that turned out to be a mistake. By the end of
  95. 1990, other accelerators had all but dropped out of the top
  96. hunt save for Fermilab's Tevatron, then as now the most powerful
  97. collider.
  98. </p>
  99. <p>     To trap the top quark required the sustained effort of 440 physicists
  100. from 36 institutions in five countries. They spent six years
  101. building a gigantic detector, a mass of steel and electronics
  102. that weighs five tons and stands more than three stories tall.
  103. This ungainly contraption sits inside the four-mile circular
  104. tunnel of the Tevatron; and in the detector's hollow center,
  105. protons and antiprotons, accelerated to nearly the speed of
  106. light, smash into one another many thousands of times a second.
  107. The enormous energies unleashed by these collisions create sparkling
  108. showers of short-lived particles whose tracks flicker across
  109. computer screens. Searching among these streaks, scientists
  110. finally spotted, they believe, the top quark, one of nature's
  111. earliest and most ephemeral creations.
  112. </p>
  113. <p>     The original top quarks supposedly emerged from the roiling
  114. sea of primordial radiation less than a trillionth of a second
  115. after the Big Bang. Then, as the universe expanded and cooled,
  116. they all but disappeared. Now they occur naturally only under
  117. certain conditions. To conjure them up, scientists have to re-create
  118. the fiery conditions that followed the Big Bang, not an easy
  119. task. Because the top is so heavy, only the most energetic collisions
  120. in the Tevatron are capable of producing the particle at all.
  121. In addition, this king of quarks has such an infinitesimal lifetime
  122. that its presence can be inferred only from the whispery contrails
  123. of other particles into which it promptly decays. Thus the detector
  124. designed by Fermilab's scientists consists of more than 100,000
  125. components, each intended to track different types of particles.
  126. A superconducting magnet, for example, helps measure the energy
  127. of electrons and muons. The less these charged particles are
  128. bent by the electromagnetic field, the more energetic they are--and the more likely that they were created by a top quark.
  129. </p>
  130. <p>     Among the CDF's most vital parts are the fast electronics that
  131. sift through torrents of incoming data, instantaneously separating
  132. the mundane from the rare. "We're looking for needles in haystacks,"
  133. observes University of Michigan physicist Myron Campbell, "and
  134. to find them, we have to process a haystack every second." During
  135. the last experimental run, for instance, a trillion collisions
  136. between protons and antiprotons occurred inside CDF's big particle
  137. trap. Yet of these, only 16 million were deemed promising enough
  138. by the detector's electronic gate-keepers to be worth more detailed
  139. analysis. Further winnowing occurred as banks of computers examined
  140. myriad measurements associated with each collision, flagging
  141. only the most interesting. Out of all this, a dozen candidates
  142. for the top emerged. "If collisions were dollars, it's like
  143. starting with the entire federal budget," quipped William Carithers
  144. Jr., a physicist at the Lawrence Berkeley Laboratory in California,
  145. "and ending up with 12 bucks."
  146. </p>
  147. <p>     The search for the top quark taught its hunters the true meaning
  148. of the word marathon. "This has been a part of my life for so
  149. long," says Harvard University physicist John Huth, "that there's
  150. a sense of exhaustion." The time scientists once spent working
  151. with the detector is now consumed by meetings, some 20 a week.When
  152. the CDF team comes together, it is so large it must convene
  153. in the Fermilab auditorium, and the result sometimes resembles
  154. pandemonium. The 152-page paper reporting evidence for the top
  155. quark was sent off to the Physical Review two weeks ago. It
  156. could have been submitted two months ago, but questions erupted
  157. from members of the collaboration that triggered further soul
  158. searching and the insertion of more caveats.
  159. </p>
  160. <p>     Even now, some of CDF's scientists fret that they have overlooked
  161. some fatal flaw. They believe there is still 1 chance in 400
  162. that they could be wrong, which seems extremely small to laypeople.
  163. But it is sobering to remember that odds that seem like a sure
  164. bet at a racetrack are not enough to support scientific claims.
  165. Over the coming months, the lingering uncertainty that surrounds
  166. last week's announcement should be dispelled as more data are
  167. collected, not just by CDF but by a rival detector that goes
  168. by the name of DZero. If the top really is out there, as most
  169. physicists believe, then it will gradually come into focus.
  170. If not, even greater excitement will ensue. For if the top quark
  171. is not creating those bursts of particles deep inside the detector,
  172. then what is?
  173. </p>
  174. </body>
  175. </article>
  176. </text>
  177.  
  178.