I en simuleret begivenhed kunne sporet af en henfaldspartikel kaldet en myon (rød), der er forskudt en smule fra centrum af partikelkollisioner, være et tegn på ny fysik.
ATLAS EXPERIMENT © 2019 CERN
Materialiseres nye partikler lige under fysikernes næse og går ubemærket hen? Verdens store atomknuser, Large Hadron Collider (LHC), kan lave langlivede partikler, som smutter gennem dens detektorer, siger nogle forskere. I næste uge mødes de i LHC’s hjemsted, CERN, det europæiske partikelfysiklaboratorium nær Geneve i Schweiz, for at diskutere, hvordan man kan fange dem. De argumenterer for, at LHC’s næste kørsel bør lægge vægt på sådanne søgninger, og nogle efterlyser nye detektorer, der kan opsnuse de flygtige partikler.
Det er et fremstød, der er født af ængstelse. I 2012 opdagede eksperimentatorerne ved LHC, der koster 5 milliarder dollars, Higgs-bosonen, den sidste partikel, som standardmodellen for partikler og kræfter forudsiger, og nøglen til at forklare, hvordan de fundamentale partikler får deres masse. Men LHC har endnu ikke sprængt noget ud over standardmodellen. “Vi har ikke fundet nogen ny fysik med de antagelser, vi startede med, så måske er vi nødt til at ændre antagelserne”, siger Juliette Alimena, der er fysiker ved Ohio State University i Columbus og arbejder med Compact Muon Solenoid (CMS), en af de to vigtigste partikeldetektorer, der forsynes af LHC.
I årtier har fysikere benyttet sig af en simpel strategi til at lede efter nye partikler: De har i årtier brugt en simpel strategi til at finde nye partikler: at smadre protoner eller elektroner sammen ved stadig højere energier for at frembringe tunge nye partikler og se dem henfalde øjeblikkeligt til lettere, velkendte partikler i de enorme, tøndeformede detektorer. Det er sådan, CMS og dets rivaliserende detektor, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS), opdagede Higgs, som på en trilliontedel af et nanosekund kan henfalde til bl.a. et par fotoner eller to “jets” af lettere partikler.
Langlivede partikler ville imidlertid lynhurtigt passere gennem en del af eller hele detektoren, før de henfalder. Denne idé er mere end et skud i tågen, siger Giovanna Cottin, der er teoretiker ved National Taiwan University i Taipei. “Næsten alle rammer for fysik uden for standardmodellen forudsiger, at der findes partikler med lang levetid”, siger hun. Et system kaldet supersymmetri går f.eks. ud fra, at hver partikel i standardmodellen har en tungere superpartner, hvoraf nogle kan være langlivede. Partikler med lang levetid dukker også op i teorier om den “mørke sektor”, der forestiller sig uopdagelige partikler, som kun interagerer med almindeligt stof gennem “porthole”-partikler, som f.eks. en mørk foton, der af og til erstatter en almindelig foton i en partikelinteraktion.
CMS og ATLAS er imidlertid designet til at detektere partikler, der henfalder øjeblikkeligt. Som et løg indeholder hver detektor lag af undersystemer – trackere, der sporer ladede partikler, kalorimetre, der måler partikelenergier, og kamre, der registrerer gennemtrængende og særligt praktiske partikler kaldet myoner – alle anbragt omkring et centralt punkt, hvor acceleratorens protonstråler kolliderer. Partikler, der flyver blot nogle få millimeter, før de henfalder, ville efterlade usædvanlige signaturer: knækkede eller forskudte spor eller jets, der opstår gradvist i stedet for på én gang.
Standarddataanalyse antager ofte, at sådanne mærkværdigheder er fejl og skrammel, bemærker Tova Holmes, et ATLAS-medlem fra University of Chicago i Illinois, der leder efter de forskudte spor af henfald fra langlivede supersymmetriske partikler. “Det er lidt af en udfordring, fordi den måde, vi har designet tingene på, og den software, som folk har skrevet, grundlæggende afviser disse ting,” siger hun. Så Holmes og kolleger måtte omskrive noget af denne software.
Mere vigtigt er det at sikre, at detektorerne overhovedet registrerer de mærkelige hændelser. LHC smadrer bundter af protoner sammen 40 millioner gange i sekundet. For at undgå dataoverbelastning sorterer udløsningssystemerne på CMS og ATLAS interessante kollisioner fra kedelige kollisioner og kasserer straks data omkring 19 999 ud af hver 20 000 kollisioner. Denne sortering kan utilsigtet udelukke partikler med lang levetid. Alimena og kolleger ønskede at lede efter partikler, der lever længe nok til at blive hængende i CMS’ kalorimeter og først henfalde senere. Derfor måtte de indsætte en særlig udløser, der lejlighedsvis læser hele detektoren mellem protonkollisionerne.
Søgning efter partikler med lang levetid havde været en marginal indsats, siger James Beacham, en ATLAS-eksperimentator fra Duke University i Durham, North Carolina. “Det har altid været én mand, der har arbejdet på denne tingest,” siger han. “Din støttegruppe var dig selv på dit kontor.” Nu slår forskerne sig sammen. I marts udgav 182 af dem en 301-siders hvidbog om, hvordan de kan optimere deres søgninger.
Nogle ønsker, at ATLAS og CMS dedikerer flere triggere til søgninger efter langlivede partikler i den næste LHC-kørsel, fra 2021 til 2023. Faktisk er den næste kørsel “sandsynligvis vores sidste chance for at lede efter usædvanlige sjældne hændelser”, siger Livia Soffi, der er medlem af CMS fra Sapienza-universitetet i Rom. Herefter vil en opgradering øge intensiteten af LHC’s stråler, hvilket kræver strammere udløsere.
Andre har foreslået et halvt dusin nye detektorer til at søge efter partikler, der er så langlivede, at de helt undslipper LHC’s eksisterende detektorer. Jonathan Feng, teoretiker ved University of California, Irvine, og kolleger har fået CERN’s godkendelse af Forward Search Experiment (FASER), en lille sporingsenhed, der skal placeres i en servicetunnel 480 meter nede i strålebanen fra ATLAS. FASER, der støttes af 2 millioner dollars fra private fonde og er bygget af lånte dele, skal lede efter partikler med lav masse som f.eks. mørke fotoner, der kan spytte ud fra ATLAS, suse gennem den mellemliggende sten og henfalde til elektron-positronpar.
Et andet forslag går ud på at placere et sporingskammer i en tom hal ved siden af LHCb, en mindre detektor, der forsynes af LHC. Compact Detector for Exotics at LHCb ville kigge efter partikler med lang levetid, især dem, der er født i Higgs-henfald, siger Vladimir Gligorov, der er medlem af LHCb fra laboratoriet for kernefysik og høje energier i Paris.
En endnu mere ambitiøs ville være en detektor kaldet MATHUSLA, som i det væsentlige er en stor, tom bygning på overfladen over den underjordiske CMS-detektor. Sporingskamre i loftet vil kunne registrere stråler, der sprøjter op fra henfaldet af langlivede partikler, der er dannet 70 meter nede, siger David Curtin, teoretiker ved University of Toronto i Canada og medleder af projektet. Curtin er “optimistisk”, at MATHUSLA vil koste mindre end 100 millioner euro. “I betragtning af at det har følsomhed over for denne brede vifte af signaturer – og at vi ikke har set noget andet – vil jeg sige, at det er en no-brainer.”
Fysikere har en pligt til at lede efter de mærkelige partikler, siger Beacham. “Mareridtsscenariet er, at Jill Theorist om 20 år siger: ‘Grunden til, at I ikke så noget, er, at I ikke beholdt de rigtige hændelser og ikke foretog den rigtige søgning.'”
*Korrektion, 23. maj, kl. 12.25: Historien er blevet opdateret for at korrigere de hastigheder, hvormed LHC kolliderer protonbunke og detektorerne registrerer hændelser, og for at afspejle James Beachams korrekte tilknytning.