Vetviace pomery Z-častíc

V strašidelnom kvantovom svete, ktorý častice obývajú, každá jednotlivá Z-častica je nútená rozpadnúť sa, ale nie je vopred možné vedieť, na aký typ častíc sa rozpadne. Všetko, čo možno povedať, je to, že existuje určitá pravdepodobnosť rozpadu na isté typy častíc.

Je to trochu ako keď sa autá približujú ku križovatke tvaru T. Predtým než si zapnú svoje smerovky, je nemožné predpovedať, či zabočia doprava, alebo doľava. Pri dostatočne dlhom pozorovaní takej situácie by si zistil, že približne polovica áut zabočila doprava, takže by si bol schopný povedať, že každé prichádzajúce auto malo 50 percentnú pravdepodobnosť zabočiť doľava.

Fyzici vykonávajú rovnaký spôsob triedenia s časticami. Spočítavajú, koľkokrát sa určitý typ častíc rozpadol na rôzne druhy častíc a výsledok nazývajú vetviaci pomer. Napríklad, ak zistia, že Z-častica sa rozpadá na mióny v 60% prípadov, povedia, že vetviaci pomer pre rozpad Z-častice na mióny je 60%. Toto ale nie je to, čo hľadajú. Meranie vetviacich pomerov Z-častice je tvoja úloha.

Prečítaj si všetky tieto inštrukcie predtým, než pôjdeš ďalej. Mohol by si si vytvačiť túto stranu a riadiť sa ňou, pokiaľ budeš robiť svoj experiment.

  1. Spusti program WIRED kliknutím na súbor obsahujúci 100 prípadov zrážok, ktorý ti stanovil tvoj učiteľ.

  2. Použi tlačidlo Zoom a myš na zväčšenie detailov a tlačidlo Rotate a myš na otočenie prípadu zrážky na obrazovke.

  3. Za využitia toho, čo si sa práve naučil o časticových detektoroch, rozhodni, či sa Z-častica rozpadla na elektróny, mióny, tau leptóny, alebo kvarky. Urob si záznam o tom, na aký typ sa Z-častica rozpadla.

  4. Keď si sa už rozhodol, na aký typ častíc sa Z-častica rozpadla v evente, ktorý skúmaš, choď na ďalší prípad zrážky kliknutím na ">".

  5. Keď si prezrel všetky prípady zrážok, ktoré ti určil učiteľ, vypočítaj percentuálny podiel rozpadov Z-častice na elektróny, mióny, tau leptóny a kvarky.

  6. Toto sú tvoje hodnoty vetviacich pomerov Z-častice, ale tvoja práca zatiaľ nekončí.

  7. Napíš svoje riešenia na tabuľu, jedno za druhým.

  8. Sú všetky rovnaké? Ak nie, prečo?

Tu sú konkrétne prípady zrážok:

  1. - Zrážky pri energii 91 GeV, rozpady Z-častíc z roku 1998 (1-100)
  2. - Zrážky pri energii 91 GeV, rozpady Z-častíc z roku 1998 (101-200)
  3. - Zrážky pri energii 91 GeV, rozpady Z-častíc z roku 1998 (201-300)
  4. - Zrážky pri energii 91 GeV, rozpady Z-častíc z roku 1998 (301-400)
  5. - Zrážky pri energii 91 GeV, rozpady Z-častíc z roku 1998 (401-500)
  6. - Zrážky pri energii 91 GeV, rozpady Z-častíc z roku 1998 (501-600)
  7. - Zrážky pri energii 91 GeV, rozpady Z-častíc z roku 1998 (601-700)
  8. - Zrážky pri energii 91 GeV, rozpady Z-častíc z roku 1998 (701-800)
  9. - Zrážky pri energii 91 GeV, rozpady Z-častíc z roku 1998 (801-900)
  10. - Zrážky pri energii 91 GeV, rozpady Z-častíc z roku 1998 (901-1000)

Hodnoty nie sú všetky rovnaké pre niekoľko dôvodov. Možno si zle identifikoval niektoré eventy, čo spôsobilo, že máš zlé čísla. Nechceme sa tu však zaoberať týmto druhom chýb a budeme predpokladať, že si identifikoval jednotlivé prípady so stopercentnou presnosťou!

Iný zdroj chýb, ktorým sa budeme zaoberať, sa nazýva štatistická chyba. Vzniká kvôli malému počtu eventov, ktoré si prezrel (CERN-ský fyzici majú výkonné počítačové programy na analýzu dát, a tak prezerajú milióny eventov). Spomeň si na autá na križovatke. Ak by si sledoval iba jedno auto a ono by odbočilo vľavo, mohol by si povedať, že pravdepodobnosť zabočenia doľava je 100%, ale zjavne by to bolo nesprávne. Dokonca, ak by nasledujúce auto zabočilo tiež doľava, stále by si sa mýlil, ale mal by si väčšiu dôveru pre svoje rozhodnutie. Keby si sledoval milión áut a všetky by odbočili doľava, ešte stále by si vnášal nejakú chybu do svojich výpočtov, pretože milión prvé auto by stále mohlo odbočiť doprava.

Čo to znamená, je to, že čím väčšia je tvoja vzorka, tým viac istoty môžeš mať vo svoje výsledky. Z tohto dôvodu počítajú fyzici to, čo nazývajú štatistická chyba, aby boli v zhode s výsledkami. Pri výpočte štatistickej chyby pre vetviaci pomer, napríklad miónov:

Tak, napríklad, ak si prezrel 100 prípadov zrážok a našiel 30 eventov, kedy sa Z-častica rozpadla na mióny, tvoj vetviaci pomer by bol 30 +/- 6%.

Keď si spočítal chyby pre svoje výsledky, sčítaj výsledky analýzy od každého, kto analyzoval iný súbor, vypočítaj chyby a znázorni si skombinovaný výsledok do grafu spolu s výsledkami od každej skupiny. Všimni si, ako sú výsledky jednotlivých skupín rozptýlené okolo skombinovaného výsledku, ale aj to, že sú všetky výsledky navzájom kompatibilné v rámci chýb, ktoré si vypočítal.

Keď si skončil, pozri sa, ako tvoje výsledky súhlasia s oficiálne zmeranými a dozvieš sa trochu viac o výsledkoch tohto merania.