Simuloidussa tapahtumassa muoniksi kutsutun hajoamishiukkasen (punainen) jälki, joka on hiukan siirtynyt hiukkasten törmäysten keskipisteestä, saattaa olla merkki uudesta fysiikasta.
ATLAS EXPERIMENT © 2019 CERN
Muodostuvatko uudet hiukkaset aivan fyysikoiden nenän alla ja jäävät huomaamatta? Maailman suuri atomien murskaaja, Large Hadron Collider (LHC), saattaa tuottaa pitkäikäisiä hiukkasia, jotka livahtavat sen ilmaisimien läpi, jotkut tutkijat sanovat. Ensi viikolla he kokoontuvat LHC:n kotipaikassa, CERNissä, eurooppalaisessa hiukkasfysiikan laboratoriossa Geneven lähellä Sveitsissä, keskustelemaan siitä, miten ne voitaisiin pyydystää. He väittävät, että LHC:n seuraavassa ajossa olisi painotettava tällaisia etsintöjä, ja jotkut vaativat uusia ilmaisimia, jotka pystyisivät haistamaan karkailevat hiukkaset.
Tämä ponnistus on syntynyt ahdistuksesta. Vuonna 2012 viiden miljardin dollarin LHC:n koetekijät löysivät Higgsin bosonin, joka on viimeinen hiukkanen, jonka hiukkasten ja voimien standardimalli ennusti, ja avain selittämään, miten perushiukkaset saavat massansa. LHC:llä ei kuitenkaan ole vielä onnistuttu räjäyttämään mitään standardimallin ulkopuolista. ”Emme ole löytäneet mitään uutta fysiikkaa niillä oletuksilla, joilla lähdimme liikkeelle, joten ehkä meidän on muutettava oletuksia”, sanoo Juliette Alimena, Columbuksessa sijaitsevan Ohion osavaltion yliopiston fyysikko, joka työskentelee Compact Muon Solenoid (CMS) -laitteessa, joka on toinen kahdesta tärkeimmästä LHC:n syöttämästä hiukkasilmaisimesta.
Vuosikymmenien ajan fyysikot ovat tukeutuneet yksinkertaiseen strategiaan etsiessään uusia hiukkasia: Yhdistämällä protoneja tai elektroneja yhä suuremmilla energioilla uusien raskaiden hiukkasten tuottamiseksi ja seuraamalla niiden hajoamista välittömästi kevyemmiksi, tutuiksi hiukkasiksi valtavissa, tynnyrinmuotoisissa ilmaisimissa. Näin CMS ja sen kilpaileva detektori, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS), havaitsivat Higgsin, joka voi hajota nanosekunnin triljoonasosassa muun muassa pariksi fotoniksi tai kahdeksi kevyempien hiukkasten ”suihkuksi”.
Pitkäikäiset hiukkaset kuitenkin kiitäisivät osan tai koko detektorin läpi ennen hajoamistaan. Tämä ajatus on enemmän kuin pelkkä pommi-isku, sanoo Taipeissa sijaitsevan National Taiwan Universityn teoreetikko Giovanna Cottin. ”Lähes kaikki standardimallin ulkopuolisen fysiikan kehykset ennustavat pitkäikäisten hiukkasten olemassaolon”, hän sanoo. Esimerkiksi supersymmetriaksi kutsutussa järjestelmässä oletetaan, että jokaisella standardimallin hiukkasella on raskaampi superkumppani, joista jotkut voivat olla pitkäikäisiä. Pitkäikäisiä hiukkasia esiintyy myös ”pimeän sektorin” teorioissa, joissa kuvitellaan havaitsemattomia hiukkasia, jotka ovat vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa vain ”pimeiden” hiukkasten välityksellä, kuten pimeä fotoni, joka silloin tällöin korvaisi tavallisen fotonin hiukkasvuorovaikutuksessa.
CMS ja ATLAS kuitenkin suunniteltiin havaitsemaan hiukkasia, jotka hajoavat hetkessä. Sipulin tavoin kussakin ilmaisimessa on kerroksittain osajärjestelmiä – jäljittimiä, jotka jäljittävät varattuja hiukkasia, kalorimetrejä, jotka mittaavat hiukkasten energioita, ja kammioita, jotka havaitsevat läpäiseviä ja erityisen käteviä hiukkasia, niin sanottuja myoneja – jotka kaikki on sijoitettu keskipisteen ympärille, jossa kiihdyttimen protonisäteet törmäävät. Hiukkaset, jotka lentävät edes muutaman millimetrin ennen hajoamistaan, jättäisivät epätavallisia jälkiä: mutkittelevia tai siirtyneitä jälkiä tai suihkuja, jotka syntyvät vähitellen eivätkä kerralla.
Tavanomainen data-analyysi olettaa usein, että tällaiset outoudet ovat virheitä ja roskaruokaa, huomauttaa Tova Holmes, ATLAS:n jäsen Chicagon yliopistosta Illinoisista, joka etsii pitkäkestoisten supersymmetristen hiukkasten hajoamisten siirtyneitä jälkiä. ”Se on hieman haastavaa, koska tapa, jolla olemme suunnitelleet asioita, ja ohjelmistot, joita ihmiset ovat kirjoittaneet, periaatteessa hylkäävät tällaiset asiat”, hän sanoo. Niinpä Holmes ja kollegat joutuivat kirjoittamaan osan ohjelmistosta uudelleen.
Tärkeämpää on varmistaa, että ilmaisimet ylipäätään tallentavat oudot tapahtumat. LHC iskee protonipaketteja yhteen 40 miljoonaa kertaa sekunnissa. Datan ylikuormituksen välttämiseksi CMS:n ja ATLAS:n laukaisujärjestelmät seulovat mielenkiintoiset törmäykset tylsistä ja hylkäävät välittömästi tiedot noin 19 999:stä 20 000 törmäyksestä. Tämä karsinta voi tahattomasti heittää pois pitkäikäisiä hiukkasia. Alimena ja kollegat halusivat etsiä hiukkasia, jotka elävät tarpeeksi kauan juuttuakseen CMS:n kalorimetriin ja hajotakseen vasta myöhemmin. Niinpä he joutuivat laittamaan erityisen laukaisimen, joka satunnaisesti lukee koko ilmaisimen protonitörmäysten välillä.
Pitkään elävien hiukkasten etsintä oli ollut marginaalipyrkimys, sanoo James Beacham, ATLAS-kokeentekijä Duke-yliopistosta Durhamista, Pohjois-Carolinasta. ”Aina on ollut yksi kaveri, joka on työskennellyt tämän asian parissa”, hän sanoo. ”Tukiryhmäsi olit sinä itse toimistossasi.” Nyt tutkijat yhdistävät voimansa. Maaliskuussa 182 heistä julkaisi 301-sivuisen valkoisen kirjan etsintöjen optimoinnista.
Jotkut haluavat, että ATLAS ja CMS omistavat enemmän laukaisimia pitkäikäisten hiukkasten etsintään seuraavassa LHC-ajossa vuosina 2021-2023. Itse asiassa seuraava ajo ”on luultavasti viimeinen mahdollisuutemme etsiä epätavallisia harvinaisia tapahtumia”, sanoo Livia Soffi, CMS:n jäsen Rooman Sapienza-yliopistosta. Sen jälkeen päivitys lisää LHC:n säteiden intensiteettiä, mikä edellyttää tiukempia laukaisimia.
Muut ovat ehdottaneet puolta tusinaa uutta ilmaisinta etsimään hiukkasia, jotka ovat niin pitkäikäisiä, että ne välttävät LHC:n nykyiset ilmaisimet kokonaan. Kalifornian Irvinen yliopiston teoreetikko Jonathan Feng ja hänen kollegansa ovat saaneet CERNin hyväksynnän Forward Search Experimentille (FASER), pienelle jäljittimelle, joka sijoitetaan huoltotunneliin 480 metrin päähän ATLAS-sädelinjasta. Yksityisiltä säätiöiltä saaduilla 2 miljoonalla dollarilla tuettu ja lainatuista osista rakennettu FASER etsii pienimassaisia hiukkasia, kuten pimeitä fotoneja, jotka voivat sinkoutua ATLASista, rynnätä läpi välissä olevan kallion ja hajota elektroni-positronipareiksi.
Toisessa ehdotuksessa ehdotetaan, että seurantakammio sijoitettaisiin tyhjään halliin LHCb:n viereen, pienempään havaintolaitteeseen, jota LHC syöttää. Compact Detector for Exotics at LHCb etsisi pitkäikäisiä hiukkasia, erityisesti Higgsin hajoamisissa syntyneitä hiukkasia, sanoo Vladimir Gligorov, LHCb:n jäsen Pariisissa sijaitsevasta Laboratory for Nuclear Physics and High Energies -laboratoriosta.
Vielä kunnianhimoisempi olisi MATHUSLA-niminen ilmaisin, joka olisi käytännössä suuri tyhjä rakennus maan pinnalla maanalaisen CMS-ilmaisimen yläpuolella. Katossa olevat seurantakammiot havaitsisivat 70 metriä alempana syntyneiden pitkäikäisten hiukkasten hajoamisista ylöspäin suihkuvat suihkut, sanoo kanadalaisen Toronton yliopiston teoreetikko ja hankkeen toinen johtaja David Curtin. Curtin on ”optimistinen”, että MATHUSLA maksaisi alle 100 miljoonaa euroa. ”Kun otetaan huomioon, että se on herkkä tälle laajalle joukolle merkkejä – ja että emme ole nähneet mitään muuta – sanoisin, että se ei ole järkevää.”
Fyysikoilla on velvollisuus etsiä outoja hiukkasia, Beacham sanoo. ”Painajaismainen skenaario on, että 20 vuoden kuluttua Jill Theorist sanoo: ’Syy, miksi et nähnyt mitään, on se, ettet pitänyt yllä oikeita tapahtumia etkä tehnyt oikeita etsintöjä.'”
*Oikaisu, 23.5. klo 12:25: Juttua on päivitetty korjaamaan nopeudet, joilla LHC törmäyttää protonipaketteja ja detektorit tallentavat tapahtumia, ja osoittamaan James Beachamin oikea yhteystieto.