Atomzertrümmerer könnte neue Teilchen erzeugen, die sich im Verborgenen halten

Materialisieren sich neue Teilchen direkt vor der Nase der Physiker und bleiben unbemerkt? Der Large Hadron Collider (LHC), die größte Atombombe der Welt, könnte langlebige Teilchen erzeugen, die durch seine Detektoren schlüpfen, sagen einige Forscher. Nächste Woche treffen sie sich im CERN, dem europäischen Labor für Teilchenphysik in der Nähe von Genf (Schweiz), dem Sitz des LHC, um darüber zu diskutieren, wie sie eingefangen werden können. Sie argumentieren, dass der nächste Durchlauf des LHC solche Suchen in den Vordergrund stellen sollte, und einige fordern neue Detektoren, die die flüchtigen Teilchen aufspüren könnten.

Es ist ein Vorstoß, der aus Angst geboren wurde. Im Jahr 2012 entdeckten die Experimentatoren des 5 Milliarden Dollar teuren LHC das Higgs-Boson, das letzte Teilchen, das vom Standardmodell der Teilchen und Kräfte vorhergesagt wurde, und der Schlüssel zur Erklärung, wie die fundamentalen Teilchen ihre Massen erhalten. Aber der LHC hat noch nichts gefunden, was über das Standardmodell hinausgeht. „Wir haben mit den Annahmen, mit denen wir begonnen haben, keine neue Physik gefunden, also müssen wir vielleicht die Annahmen ändern“, sagt Juliette Alimena, eine Physikerin an der Ohio State University in Columbus, die mit dem Compact Muon Solenoid (CMS) arbeitet, einem der beiden Hauptteilchendetektoren, die vom LHC gespeist werden.

Jahrzehntelang haben sich die Physiker auf eine einfache Strategie verlassen, um nach neuen Teilchen zu suchen: Man lässt Protonen oder Elektronen bei immer höheren Energien aufeinanderprallen, um schwere neue Teilchen zu erzeugen, und beobachtet, wie sie in den riesigen, tonnenförmigen Detektoren sofort in leichtere, bekannte Teilchen zerfallen. Auf diese Weise haben CMS und sein Konkurrenzdetektor, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS), das Higgs entdeckt, das in einem Billionstel einer Nanosekunde unter anderem in ein Paar Photonen oder zwei „Jets“ leichterer Teilchen zerfallen kann.

Langlebige Teilchen hingegen würden durch einen Teil oder den gesamten Detektor zischen, bevor sie zerfallen. Diese Idee ist mehr als nur ein Schuss ins Blaue, sagt Giovanna Cottin, Theoretikerin an der National Taiwan University in Taipeh. „Fast alle Rahmenkonzepte für die Physik jenseits des Standardmodells sagen die Existenz langlebiger Teilchen voraus“, sagt sie. Ein Schema namens Supersymmetrie geht beispielsweise davon aus, dass jedes Teilchen des Standardmodells einen schwereren Superpartner hat, von denen einige langlebig sein könnten. Langlebige Teilchen tauchen auch in Theorien des „dunklen Sektors“ auf, die sich nicht nachweisbare Teilchen vorstellen, die mit gewöhnlicher Materie nur durch „Bullaugen“-Teilchen interagieren, wie z. B. ein dunkles Photon, das von Zeit zu Zeit ein gewöhnliches Photon in einer Teilcheninteraktion ersetzen würde.

CMS und ATLAS wurden jedoch entwickelt, um Teilchen zu entdecken, die sofort zerfallen. Wie eine Zwiebel enthält jeder Detektor Schichten von Untersystemen – Tracker, die geladene Teilchen aufspüren, Kalorimeter, die Teilchenenergien messen, und Kammern, die durchdringende und besonders praktische Teilchen, die so genannten Myonen, aufspüren – die alle um einen zentralen Punkt angeordnet sind, an dem die Protonenstrahlen des Beschleunigers zusammenstoßen. Teilchen, die auch nur ein paar Millimeter weit fliegen, bevor sie zerfallen, würden ungewöhnliche Signaturen hinterlassen: geknickte oder versetzte Spuren oder Jets, die allmählich und nicht auf einmal entstehen.

Die Standarddatenanalyse geht oft davon aus, dass solche Merkwürdigkeiten Fehler und Schrott sind, bemerkt Tova Holmes, ein ATLAS-Mitglied von der Universität Chicago in Illinois, das nach den versetzten Spuren der Zerfälle von langlebigen supersymmetrischen Teilchen sucht. „Es ist eine ziemliche Herausforderung, weil die Art und Weise, wie wir die Dinge entworfen haben, und die Software, die die Leute geschrieben haben, diese Dinge im Grunde ablehnt“, sagt sie. Holmes und ihre Kollegen mussten also einen Teil der Software neu schreiben.

Wichtiger ist es, sicherzustellen, dass die Detektoren die seltsamen Ereignisse überhaupt aufzeichnen. Der LHC lässt Protonenpakete 40 Millionen Mal pro Sekunde aufeinanderprallen. Um eine Datenüberlastung zu vermeiden, trennen die Triggersysteme von CMS und ATLAS interessante Kollisionen von langweiligen und verwerfen die Daten sofort bei 19.999 von 20.000 Kollisionen. Dabei können versehentlich langlebige Teilchen aussortiert werden. Alimena und seine Kollegen wollten nach Teilchen suchen, die lange genug leben, um im Kalorimeter von CMS stecken zu bleiben und erst später zu zerfallen. Deshalb mussten sie einen speziellen Auslöser einbauen, der zwischen den Protonenkollisionen gelegentlich den gesamten Detektor ausliest.

Die Suche nach langlebigen Teilchen war bisher eine Randerscheinung, sagt James Beacham, ein ATLAS-Experimentator von der Duke University in Durham, North Carolina. „Es war immer nur ein Mann, der an dieser Sache gearbeitet hat“, sagt er. „Ihre Unterstützungsgruppe waren Sie selbst in Ihrem Büro“. Jetzt schließen sich die Forscher zusammen. Im März veröffentlichten 182 von ihnen ein 301-seitiges Weißbuch darüber, wie sie ihre Suche optimieren können.

Einige wollen, dass ATLAS und CMS beim nächsten LHC-Lauf von 2021 bis 2023 mehr Auslöser für die Suche nach langlebigen Teilchen einsetzen. Tatsächlich ist der nächste Lauf „wahrscheinlich unsere letzte Chance, nach ungewöhnlichen, seltenen Ereignissen zu suchen“, sagt Livia Soffi, ein CMS-Mitglied von der Sapienza-Universität in Rom. Danach wird ein Upgrade die Intensität der Strahlen des LHC erhöhen, was engere Auslöser erfordert.

Andere haben ein halbes Dutzend neuer Detektoren vorgeschlagen, um nach Teilchen zu suchen, die so langlebig sind, dass sie den bestehenden Detektoren des LHC völlig entgehen. Jonathan Feng, Theoretiker an der Universität von Kalifornien, Irvine, und seine Kollegen haben vom CERN die Genehmigung für das Forward Search Experiment (FASER) erhalten, einen kleinen Detektor, der in einem Servicetunnel 480 Meter unterhalb der ATLAS-Strahlführung aufgestellt werden soll. FASER, das von privaten Stiftungen mit 2 Millionen Dollar unterstützt und aus geliehenen Teilen gebaut wird, soll nach massearmen Teilchen wie dunklen Photonen suchen, die aus ATLAS austreten, durch das dazwischenliegende Gestein schwirren und in Elektron-Positron-Paare zerfallen könnten.

Ein anderer Vorschlag sieht eine Suchkammer in einer leeren Halle neben dem LHCb vor, einem kleineren Detektor, der vom LHC gespeist wird. Der Kompaktdetektor für exotische Teilchen am LHCb würde nach langlebigen Teilchen suchen, insbesondere nach solchen, die bei Higgs-Zerfällen entstehen, sagt Vladimir Gligorov, ein LHCb-Mitglied vom Labor für Kernphysik und Hochenergie in Paris.

Ein noch ehrgeizigerer Vorschlag wäre ein Detektor namens MATHUSLA, im Wesentlichen ein großes, leeres Gebäude an der Oberfläche über dem unterirdischen CMS-Detektor. Nachführkammern in der Decke würden die Strahlen aufspüren, die von den Zerfällen langlebiger Teilchen, die 70 Meter unter der Oberfläche entstehen, nach oben schießen, sagt David Curtin, Theoretiker an der Universität von Toronto in Kanada und Mitleiter des Projekts. Curtin ist „optimistisch“, dass MATHUSLA weniger als 100 Millionen Euro kosten würde. „In Anbetracht der Tatsache, dass MATHUSLA für dieses breite Spektrum an Signaturen empfindlich ist und wir noch nichts anderes gesehen haben, würde ich sagen, dass es ein Kinderspiel ist.“

Physiker haben die Pflicht, nach den seltsamen Teilchen zu suchen, sagt Beacham. „Das Alptraumszenario ist, dass Jill Theorist in 20 Jahren sagt: ‚Der Grund, warum ihr nichts gesehen habt, ist, dass ihr nicht die richtigen Ereignisse festgehalten und die richtige Suche durchgeführt habt.'“

*Korrektur, 23. Mai, 12:25 Uhr: Der Artikel wurde aktualisiert, um die Raten zu korrigieren, mit denen der LHC Protonenpakete kollidieren lässt und die Detektoren Ereignisse aufzeichnen, und um James Beachams richtige Zugehörigkeit wiederzugeben.