Egy szimulált esemény során a részecskeütközések középpontjától kissé eltolt, müon (piros) nevű bomló részecske nyomai új fizika jelei lehetnek.
ATLAS Kísérlet © 2019 CERN
Új részecskék materializálódnak a fizikusok orra előtt, és észrevétlenül maradnak? A világ nagy atomzúzója, a Nagy Hadronütköztető (LHC) hosszú életű részecskéket hozhat létre, amelyek átcsúsznak a detektorain, állítják egyes kutatók. Jövő héten az LHC otthonában, a svájci Genf közelében található európai részecskefizikai laboratóriumban, a CERN-ben gyűlnek össze, hogy megvitassák, hogyan lehetne ezeket a részecskéket befogni. Azt állítják, hogy az LHC következő futtatásának hangsúlyt kell fektetnie az ilyen jellegű kutatásokra, és néhányan új detektorokat követelnek, amelyek kiszagolhatják a szökevény részecskéket.
Ez egy szorongásból fakadó nyomulás. 2012-ben az 5 milliárd dolláros LHC kísérletezői felfedezték a Higgs-bozont, a részecskék és erők standard modellje által megjósolt utolsó részecskét, és a kulcsot ahhoz, hogy megmagyarázzák, hogyan kapják az alapvető részecskék a tömegüket. Az LHC azonban még nem robbantott ki semmit, ami a standard modellen túlmutatna. “Nem találtunk új fizikát azokkal a feltételezésekkel, amelyekkel indultunk, így talán meg kell változtatnunk a feltételezéseket” – mondja Juliette Alimena, az Ohio State University (Columbus) fizikusa, aki a Compact Muon Solenoid (CMS), az LHC által táplált két fő részecskedetektor egyikének munkatársa.
A fizikusok évtizedek óta egy egyszerű stratégiára támaszkodnak az új részecskék keresésében: Protonokat vagy elektronokat ütnek össze egyre nagyobb energiákon, hogy nehéz új részecskéket hozzanak létre, és figyelik, ahogyan azok a hatalmas, hordó alakú detektorokban azonnal könnyebb, ismert részecskékké bomlanak. Így szúrta ki a CMS és rivális detektora, az A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) a Higgs-t, amely egy nanoszekundum trilliomod részecske alatt bomolhat többek között egy fotonpárra vagy két könnyebb részecskéből álló “sugárra”.
A hosszú élettartamú részecskék azonban a detektor egy részén vagy egészén keresztülszáguldanának, mielőtt bomlanának. Giovanna Cottin, a tajpeji Nemzeti Tajvani Egyetem teoretikusa szerint ez az elképzelés több, mint egy sötétben tapogatózás. “A standard modellen túli fizika majdnem minden keretrendszere hosszú életű részecskék létezését jósolja” – mondja. A szuperszimmetriának nevezett rendszer például azt feltételezi, hogy minden standard modell részecskének van egy nehezebb szuperpartnere, amelyek közül néhány hosszú életű lehet. A hosszú életű részecskék a “sötét szektor” elméletekben is felbukkannak, amelyek olyan kimutathatatlan részecskéket képzelnek el, amelyek a hétköznapi anyaggal csak az “áthaladó” részecskéken keresztül lépnek kölcsönhatásba, mint például egy sötét foton, amely időnként felvált egy közönséges fotont egy részecske kölcsönhatásban.
A CMS-t és az ATLAS-t azonban olyan részecskék kimutatására tervezték, amelyek azonnal bomlanak. Mint egy hagyma, mindegyik detektor alrendszerek rétegeit tartalmazza – nyomkövetőket, amelyek a töltött részecskéket követik, kalorimétereket, amelyek a részecskék energiáját mérik, és kamrákat, amelyek az áthatoló és különösen hasznos részecskéket, a müonokat detektálják -, amelyek mind egy központi pont körül helyezkednek el, ahol a gyorsító protonnyalábjai összeütköznek. Azok a részecskék, amelyek akár csak néhány millimétert is repülnek, mielőtt elbomlanának, szokatlan nyomokat hagynának maguk után: elgörbült vagy eltolt pályákat, vagy olyan sugárnyalábokat, amelyek fokozatosan keletkeznek, nem pedig egyszerre.
A szokásos adatelemzés gyakran feltételezi, hogy az ilyen furcsaságok hibák és szemét, jegyzi meg Tova Holmes, az illinois-i Chicagói Egyetem ATLAS-tagja, aki a hosszú életű szuperszimmetrikus részecskék bomlásainak eltolt nyomai után kutat. “Ez egy kis kihívás, mert ahogy mi megterveztük a dolgokat, és a szoftver, amit az emberek írtak, alapvetően elutasítja ezeket a dolgokat” – mondja. Ezért Holmesnak és kollégáinak át kellett írniuk a szoftver egy részét.
Fontosabb annak biztosítása, hogy a detektorok egyáltalán rögzítsék a furcsa eseményeket. Az LHC másodpercenként 40 milliószor ver össze protonkötegeket. Az adattúlterhelés elkerülése érdekében a CMS és az ATLAS indítórendszerei kiszűrik az érdekes ütközéseket az unalmasak közül, és minden 20 000 ütközésből 19 999-et azonnal eldobnak. A selejtezés véletlenül hosszú életű részecskéket dobhat ki. Alimena és kollégái olyan részecskéket akartak keresni, amelyek elég sokáig élnek ahhoz, hogy megrekedjenek a CMS kaloriméterében, és csak később bomlanak el. Ezért be kellett építeniük egy speciális kioldót, amely időnként kiolvassa a teljes detektort a protonütközések között.
A hosszú életű részecskék keresése eddig is csak marginális erőfeszítés volt, mondja James Beacham, az ATLAS kísérletezője a Durham-i Duke Egyetemről (Észak-Karolina). “Mindig is egy ember dolgozott ezen a dolgon” – mondja. “A támogató csoportod te voltál az irodádban.” Most a kutatók egyesítik erőiket. Márciusban 182-en adtak ki egy 301 oldalas fehér könyvet arról, hogyan lehetne optimalizálni a kereséseket.
Egy részük azt szeretné, ha az ATLAS és a CMS a következő, 2021-től 2023-ig tartó LHC-futás során több triggert szentelne a hosszú életű részecskék keresésére. Valójában a következő futás “valószínűleg az utolsó esélyünk arra, hogy szokatlan ritka eseményeket keressünk” – mondja Livia Soffi, a CMS munkatársa a római Sapienza Egyetemről. Ezt követően egy korszerűsítés növeli az LHC sugarainak intenzitását, ami szorosabb kioldókat igényel.
Mások féltucatnyi új detektort javasoltak, hogy olyan hosszú életű részecskéket keressenek, amelyek teljesen elkerülik az LHC meglévő detektorait. Jonathan Feng, az Irvine-i Kaliforniai Egyetem teoretikusa és kollégái elnyerték a CERN jóváhagyását a Forward Search Experiment (FASER) nevű kis nyomkövetőre, amelyet az ATLAS-tól 480 méterrel lejjebb, egy szervizalagútban helyeznének el. A magánalapítványoktól kapott 2 millió dolláros támogatással és kölcsönzött alkatrészekből épített FASER olyan kis tömegű részecskéket fog keresni, mint például a sötét fotonok, amelyek kilövellhetnek az ATLAS-ból, átrepülhetnek a közbeeső sziklán, és elektron-pozitron párokká bomolhatnak.
Egy másik javaslat szerint egy nyomkövető kamrát kellene építeni az LHCb, az LHC által táplált kisebb detektor melletti üres csarnokban. A Compact Detector for Exotics at LHCb hosszú életű részecskék után kutatna, különösen a Higgs-bomlásokban születő részecskék után, mondja Vladimir Gligorov, a párizsi Nukleáris Fizikai és Nagyenergiás Laboratórium LHCb munkatársa.
Még ambiciózusabb lenne a MATHUSLA nevű detektor, lényegében egy nagy, üres épület a felszínen, a földalatti CMS detektor felett. A mennyezetben lévő nyomkövető kamrák érzékelnék a 70 méterrel lejjebb keletkező hosszú életű részecskék bomlásából felfelé spriccelő sugárzásokat, mondja David Curtin, a kanadai Torontói Egyetem elméletírója és a projekt társvezetője. Curtin “optimista”, hogy a MATHUSLA kevesebb mint 100 millió euróba kerülne. “Tekintettel arra, hogy a jelek ilyen széles skálájára érzékeny – és arra, hogy eddig semmi mást nem láttunk -, azt mondanám, hogy ez nem kérdéses.”
A fizikusoknak kötelességük keresni a furcsa részecskéket, mondja Beacham. “A rémálom forgatókönyv az, hogy 20 év múlva Jill Theorist azt mondja: “Azért nem láttál semmit, mert nem a megfelelő eseményeket tartottad meg és nem a megfelelő keresést végezted.””
*Korrekció, május 23, 12:25: A cikket frissítettük a protonkötegek LHC általi ütköztetésének és a detektorok által rögzített események rögzítésének sebességével, valamint James Beacham helyes hovatartozásának feltüntetésével.