In un evento simulato, la traccia di una particella di decadimento chiamata muone (rosso), spostata leggermente dal centro di collisioni di particelle, potrebbe essere un segno di nuova fisica.
ATLAS EXPERIMENT © 2019 CERN
Si stanno materializzando nuove particelle proprio sotto il naso dei fisici e passano inosservate? Il grande frantumatore di atomi del mondo, il Large Hadron Collider (LHC), potrebbe produrre particelle a lunga vita che sfuggono ai suoi rivelatori, dicono alcuni ricercatori. La prossima settimana, si riuniranno presso la casa del LHC, il CERN, il laboratorio europeo di fisica delle particelle vicino a Ginevra, in Svizzera, per discutere su come catturarle. Essi sostengono che la prossima corsa dell’LHC dovrebbe enfatizzare tali ricerche, e alcuni stanno chiedendo nuovi rivelatori che potrebbero fiutare le particelle fuggitive.
È una spinta nata dall’ansia. Nel 2012, gli sperimentatori del LHC da 5 miliardi di dollari hanno scoperto il bosone di Higgs, l’ultima particella prevista dal modello standard di particelle e forze, e la chiave per spiegare come le particelle fondamentali ottengono la loro massa. Ma l’LHC deve ancora far esplodere qualcosa oltre il modello standard. “Non abbiamo trovato nessuna nuova fisica con i presupposti con cui abbiamo iniziato, quindi forse dobbiamo cambiare i presupposti”, dice Juliette Alimena, un fisico della Ohio State University di Columbus che lavora con il Compact Muon Solenoid (CMS), uno dei due principali rivelatori di particelle alimentati dall’LHC.
Per decenni, i fisici hanno fatto affidamento su una semplice strategia per cercare nuove particelle: Frantumare insieme protoni o elettroni ad energie sempre più alte per produrre nuove particelle pesanti e guardarle decadere istantaneamente in particelle più leggere e familiari all’interno degli enormi rivelatori a forma di barile. È così che CMS e il suo rivelatore rivale, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS), hanno individuato l’Higgs, che in un trilionesimo di nanosecondo può decadere, tra le altre cose, in una coppia di fotoni o in due “getti” di particelle più leggere.
Le particelle a lunga vita, tuttavia, attraverserebbero parte o tutto il rivelatore prima di decadere. Questa idea è più di un colpo nel buio, dice Giovanna Cottin, una teorica alla National Taiwan University di Taipei. “Quasi tutte le strutture per la fisica oltre il modello standard prevedono l’esistenza di particelle a lunga vita”, dice. Per esempio, uno schema chiamato supersimmetria postula che ogni particella del modello standard abbia una superpartner più pesante, alcune delle quali potrebbero essere di lunga vita. Le particelle a lunga vita emergono anche nelle teorie del “settore oscuro” che prevedono particelle non rilevabili che interagiscono con la materia ordinaria solo attraverso particelle “oblò”, come un fotone oscuro che ogni tanto sostituirebbe un fotone ordinario in un’interazione di particelle.
CMS e ATLAS, tuttavia, sono stati progettati per rilevare particelle che decadono istantaneamente. Come una cipolla, ogni rivelatore contiene strati di sottosistemi – inseguitori che tracciano le particelle cariche, calorimetri che misurano le energie delle particelle, e camere che rilevano particelle penetranti e particolarmente maneggevoli chiamate muoni – tutti disposti intorno a un punto centrale dove i fasci di protoni dell’acceleratore si scontrano. Le particelle che volano anche solo pochi millimetri prima di decadere lascerebbero firme insolite: tracce piegate o sfalsate, o getti che emergono gradualmente invece che tutti insieme.
L’analisi standard dei dati spesso assume che tali stranezze siano errori e spazzatura, nota Tova Holmes, un membro di ATLAS dell’Università di Chicago in Illinois che sta cercando le tracce spostate dei decadimenti di particelle supersimmetriche a lunga vita. “È un po’ una sfida perché il modo in cui abbiamo progettato le cose, e il software che le persone hanno scritto, fondamentalmente rifiuta queste cose”, dice. Così Holmes e colleghi hanno dovuto riscrivere alcuni di quei software.
Più importante è assicurarsi che i rivelatori registrino gli eventi strani in primo luogo. L’LHC fa scontrare gruppi di protoni 40 milioni di volte al secondo. Per evitare il sovraccarico di dati, i sistemi di trigger su CMS e ATLAS setacciano le collisioni interessanti da quelle noiose e scartano immediatamente i dati circa 19.999 ogni 20.000 collisioni. L’abbattimento può inavvertitamente buttare fuori particelle a lunga vita. Alimena e colleghi volevano cercare particelle che vivono abbastanza a lungo da rimanere bloccate nel calorimetro di CMS e decadere solo più tardi. Così hanno dovuto inserire un trigger speciale che occasionalmente legge l’intero rivelatore tra le collisioni di protoni.
Le ricerche di particelle a lunga vita erano state sforzi marginali, dice James Beacham, un sperimentatore ATLAS della Duke University di Durham, North Carolina. “È sempre stato un solo uomo a lavorare su questa cosa”, dice. “Il tuo gruppo di supporto eri tu nel tuo ufficio”. Ora, i ricercatori stanno unendo le forze. A marzo, 182 di loro hanno pubblicato un libro bianco di 301 pagine su come ottimizzare le loro ricerche.
Alcuni vogliono che ATLAS e CMS dedichino più inneschi alle ricerche di particelle a lunga vita nella prossima corsa di LHC, dal 2021 al 2023. Infatti, il prossimo run “è probabilmente la nostra ultima possibilità di cercare eventi insoliti e rari”, dice Livia Soffi, un membro di CMS dell’Università Sapienza di Roma. In seguito, un aggiornamento aumenterà l’intensità dei fasci dell’LHC, richiedendo trigger più stretti.
Altri hanno proposto una mezza dozzina di nuovi rivelatori per cercare particelle così longeve da sfuggire del tutto ai rivelatori esistenti dell’LHC. Jonathan Feng, un teorico dell’Università della California, Irvine, e colleghi hanno ottenuto l’approvazione del CERN per il Forward Search Experiment (FASER), un piccolo rilevatore da collocare in un tunnel di servizio a 480 metri di distanza da ATLAS. Sostenuto da 2 milioni di dollari da fondazioni private e costruito con parti prese in prestito, FASER cercherà particelle di bassa massa come i fotoni scuri, che potrebbero fuoriuscire da ATLAS, attraversare la roccia intermedia e decadere in coppie elettrone-positrone.
Un’altra proposta prevede una camera di ricerca in una sala vuota accanto a LHCb, un rivelatore più piccolo alimentato da LHC. Il Compact Detector for Exotics a LHCb cercherebbe particelle a lunga vita, specialmente quelle nate nei decadimenti di Higgs, dice Vladimir Gligorov, un membro di LHCb del Laboratorio di fisica nucleare e alte energie di Parigi.
Ancora più ambizioso sarebbe un rivelatore chiamato MATHUSLA, essenzialmente un grande edificio vuoto in superficie sopra il rivelatore sotterraneo CMS. Le camere di monitoraggio nel soffitto rileverebbero i getti che spruzzano dal decadimento delle particelle a lunga vita create 70 metri sotto, dice David Curtin, un teorico dell’Università di Toronto in Canada e co-leader del progetto. Curtin è “ottimista” che MATHUSLA costerebbe meno di 100 milioni di euro. “Dato che è sensibile a questa vasta gamma di firme – e che non abbiamo visto nient’altro – direi che è un gioco da ragazzi.”
I fisici hanno il dovere di cercare le particelle strane, dice Beacham. “Lo scenario da incubo è che tra 20 anni, Jill Theorist dica: ‘La ragione per cui non hai visto niente è che non hai tenuto gli eventi giusti e non hai fatto la ricerca giusta’”
*Correzione, 23 maggio, 12:25 p.m.: La storia è stata aggiornata per correggere i tassi con cui il LHC fa collidere i gruppi di protoni e i rivelatori registrano gli eventi, e per riflettere la corretta affiliazione di James Beacham.