Rozbíječ atomů by mohl vytvářet nové částice, které se skrývají před očima

Materializují se nové částice fyzikům přímo pod nosem a zůstávají bez povšimnutí? Velký světový urychlovač atomů, Velký hadronový urychlovač (LHC), by mohl vytvářet dlouho žijící částice, které proklouznou jeho detektory, tvrdí někteří vědci. Příští týden se sejdou v domovské laboratoři LHC, CERNu, evropské laboratoři částicové fyziky nedaleko Ženevy ve Švýcarsku, aby diskutovali o tom, jak je zachytit. Tvrdí, že příští provoz LHC by měl klást důraz na takové hledání, a někteří volají po nových detektorech, které by mohly prchající částice odhalit.

Je to snaha zrozená z obav. V roce 2012 experimentátoři na urychlovači LHC za 5 miliard dolarů objevili Higgsův boson, poslední částici předpovězenou standardním modelem částic a sil a klíč k vysvětlení, jak základní částice získávají svou hmotnost. LHC však zatím nedokázal odhalit nic nad rámec standardního modelu. „S předpoklady, s nimiž jsme začali, jsme neobjevili žádnou novou fyziku, takže možná musíme předpoklady změnit,“ říká Juliette Alimena, fyzička z Ohio State University v Columbusu, která pracuje s kompaktním mionovým solenoidem (CMS), jedním ze dvou hlavních detektorů částic napájených LHC.

Po desetiletí se fyzikové při hledání nových částic spoléhali na jednoduchou strategii: V obrovských detektorech ve tvaru sudu se snaží srážet protony nebo elektrony při stále vyšších energiích, aby vznikly nové těžké částice, a sledují jejich okamžitý rozpad na lehčí, známé částice. Takto CMS a jeho konkurenční detektor A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) zaznamenaly Higgsův boson, který se během biliontiny nanosekundy může rozpadnout mimo jiné na pár fotonů nebo dva „jety“ lehčích částic.

Dlouhodobé částice by však před rozpadem prošly částí nebo celým detektorem. Tato myšlenka je více než výstřel do tmy, říká Giovanna Cottinová, teoretička z Národní tchajwanské univerzity v Tchaj-peji. „Téměř všechny rámce pro fyziku mimo standardní model předpovídají existenci dlouho žijících částic,“ říká. Například schéma zvané supersymetrie předpokládá, že každá částice standardního modelu má těžšího superpartnera, z nichž některé by mohly být dlouhověké. Částice s dlouhou životností se objevují také v teoriích „temného sektoru“, které předpokládají nezjistitelné částice, které interagují s běžnou hmotou pouze prostřednictvím částic s „průzorem“, jako je temný foton, který by jednou za čas nahradil běžný foton v interakci částic.

CMS a ATLAS však byly navrženy tak, aby detekovaly částice, které se rozpadají okamžitě. Podobně jako cibule obsahuje každý detektor vrstvy podsystémů – sledovače, které sledují nabité částice, kalorimetry, které měří energii částic, a komory, které detekují pronikavé a obzvláště šikovné částice zvané miony – to vše uspořádané kolem centrálního bodu, kde se srážejí svazky protonů urychlovače. Částice, které uletí i jen několik milimetrů, než se rozpadnou, by zanechaly neobvyklé stopy: zalomené nebo posunuté dráhy nebo trysky, které se objevují postupně, a ne najednou.

Standardní analýza dat často předpokládá, že takové podivnosti jsou chyby a zmetky, poznamenává Tova Holmes, členka ATLAS z Chicagské univerzity v Illinois, která hledá posunuté stopy rozpadů dlouho žijících supersymetrických částic. „Je to trochu problém, protože způsob, jakým jsme věci navrhli, a software, který lidé napsali, tyto věci v podstatě odmítá,“ říká Holmesová. Holmes a jeho kolegové proto museli část tohoto softwaru přepsat.

Důležitější je zajistit, aby detektory podivné události vůbec zaznamenaly. LHC do sebe naráží svazky protonů 40 milionkrát za sekundu. Aby se zabránilo přetížení dat, spouštěcí systémy na systémech CMS a ATLAS oddělují zajímavé srážky od nudných a okamžitě vyřazují data o 19 999 z každých 20 000 srážek. Toto vyřazování může neúmyslně vyřadit dlouho žijící částice. Alimena a jeho kolegové chtěli hledat částice, které žijí dostatečně dlouho na to, aby uvízly v kalorimetru CMS a rozpadly se až později. Museli proto zavést speciální spouštěč, který mezi srážkami protonů občas vyčte celý detektor.

Pátrání po částicích s dlouhou životností bylo dosud okrajovou záležitostí, říká James Beacham, experimentátor ATLAS z Dukeovy univerzity v Durhamu v Severní Karolíně. „Vždycky na tom pracoval jeden člověk,“ říká. „Vaší podpůrnou skupinou jste byli vy ve své kanceláři.“ Nyní vědci spojují své síly. V březnu 182 z nich vydalo 301stránkovou bílou knihu o tom, jak optimalizovat jejich hledání.

Někteří chtějí, aby ATLAS a CMS v příštím běhu LHC, tedy v letech 2021 až 2023, věnovaly více spouštěčů hledání dlouhověkých částic. Příští běh „je totiž pravděpodobně naší poslední šancí hledat neobvyklé vzácné události,“ říká Livia Soffi, členka CMS z římské univerzity Sapienza. Poté dojde k modernizaci, která zvýší intenzitu paprsků LHC, což bude vyžadovat přísnější spouštěče.

Jiní navrhli půl tuctu nových detektorů, které by hledaly částice s tak dlouhou životností, že stávajícím detektorům LHC zcela uniknou. Jonathan Feng, teoretik z Kalifornské univerzity v Irvine, a jeho kolegové získali v CERNu souhlas s experimentem FASER (Forward Search Experiment), malým sledovacím zařízením, které má být umístěno v servisním tunelu 480 metrů od svazku ATLAS. FASER, podpořený 2 miliony dolarů od soukromých nadací a postavený z vypůjčených dílů, bude hledat částice s nízkou hmotností, jako jsou temné fotony, které by mohly vyletět z ATLASu, proletět skrz zasahující skálu a rozpadnout se na páry elektron-pozitron.

Další návrh počítá se stopovací komorou v prázdné hale vedle LHCb, menšího detektoru napájeného LHC. Kompaktní detektor pro exotiku na LHCb by hledal dlouho žijící částice, zejména ty, které se rodí při rozpadech Higgsova bosonu, říká Vladimir Gligorov, člen LHCb z Laboratoře pro jadernou fyziku a vysoké energie v Paříži.

Ještě ambicióznější by byl detektor nazvaný MATHUSLA, v podstatě velká prázdná budova na povrchu nad podzemním detektorem CMS. Sledovací komory ve stropě by detekovaly trysky vystřikující z rozpadů dlouho žijících částic vzniklých 70 metrů pod nimi, říká David Curtin, teoretik z Torontské univerzity v Kanadě a spoluvedoucí projektu. Curtin je „optimistický“, že MATHUSLA bude stát méně než 100 milionů eur. „Vzhledem k tomu, že má citlivost na tak širokou škálu signatur – a že jsme nic jiného neviděli – řekl bych, že je to bezvýznamné.“

Fyzikové mají povinnost hledat zvláštní částice, říká Beacham. „Noční můrou je, že za 20 let Jill Theorist řekne: ‚Důvodem, proč jste nic neviděli, je, že jste nezachovali správné události a neprovedli správné hledání.“

*Oprava, 23. května, 12:25: Příběh byl aktualizován, aby opravil rychlost, jakou LHC sráží svazky protonů a detektory zaznamenávají události, a aby odrážel správnou afiliaci Jamese Beachama.