シミュレーションイベントでは、粒子衝突の中心からわずかにずらしたミューオン（赤）と呼ばれる崩壊粒子は、新しい物理の兆候である可能性を示すトラックである。
ATLAS EXPERIMENT © 2019 CERN
物理学者の目の前で新しい粒子が実体化し、気づかれずにいるのだろうか。 世界最大の原子破壊装置である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が、その検出器をすり抜ける長寿命粒子を作っている可能性があると、一部の研究者は述べている。 来週、彼らはLHCの本拠地であるスイスのジュネーブに近いヨーロッパの素粒子物理学研究所であるCERNに集まり、それらを捕らえる方法について議論する予定である。 彼らは、LHCの次の運転では、そのような探索を重視すべきだと主張し、何人かは、逃亡粒子を嗅ぎつけることができる新しい検出器を求めています。 2012 年、50 億ドルの LHC の実験者は、粒子と力の標準モデルで予測される最後の粒子であり、基本粒子がその質量を得る方法を説明する鍵となるヒッグス粒子を発見しました。 しかし、LHCはまだ標準模型を超えるものを発見していない。 コロンバスのオハイオ州立大学の物理学者で、LHCによって供給される2つの主要な粒子検出器の1つであるコンパクト・ミュオン・ソレノイド（CMS）で働くジュリエット・アリメナ氏は、「私たちが始めた仮定では新しい物理は見つかっていないので、たぶん仮定を変更する必要があります」と述べています。 陽子や電子をより高いエネルギーでぶつけ合って重い新粒子を生成し、それが巨大な樽型の検出器内でより軽い、おなじみの粒子に瞬時に崩壊するのを見ます。 CMSとそのライバル検出器、トロイダルLHC装置（ATLAS）は、ナノ秒の兆で、他のものの間で、光子のペアまたは軽量粒子の2つの “ジェット “に崩壊することができ、ヒッグスを発見した方法です。 台北にある国立台湾大学の理論家、ジョヴァンナ・コッティン（Giovanna Cottin）氏は、このアイデアは暗闇の中のショット以上のものであると述べています。 「標準模型を超える物理学のほとんどすべての枠組みは、長寿命粒子の存在を予言しています」と彼女は言います。 例えば、超対称性と呼ばれる枠組みでは、標準モデルのすべての粒子にはより重い超相手がいて、そのうちのいくつかは長寿命である可能性があると仮定されている。 また、「ダークセクター」と呼ばれる理論では、「ポーソーレ」と呼ばれる粒子を通してのみ通常の物質と相互作用する検出不可能な粒子を想定しており、例えば、粒子相互作用において通常の光子を時々置き換えるダークフォトン（暗黒光子）が登場します。 荷電粒子を追跡するトラッカー、粒子のエネルギーを測定するカロリメーター、ミューオンと呼ばれる透過力のある粒子を検出するチェンバーなどが、加速器の陽子ビームが衝突する中心点の周りに何層にも重なって配置されており、タマネギのようにそれぞれの検出器を構成しています。
標準的なデータ分析では、このような奇妙な現象は間違いやゴミだと思われがちですが、イリノイ州シカゴ大学の ATLAS メンバーで、長寿命の超対称性粒子からの崩壊のずれたトラックを検索している Tova Holmes は、このように指摘します。 「私たちが設計してきた方法と、人々が書いたソフトウェアが、基本的にこれらのものを拒絶するので、これはちょっとした挑戦です」と彼女は言います。 そこで、ホームズと同僚たちは、そのソフトウェアの一部を書き直さなければなりませんでした。
より重要なのは、検出器が奇妙な事象を最初に記録することを確実にすることです。 LHCは陽子の束を1秒間に4000万回衝突させる。 データの過負荷を避けるために、CMSとATLAS上のトリガーシステムは、退屈なものから面白い衝突をふるいにかけ、すぐにすべての20,000衝突の19,999についてのデータを破棄します。 この淘汰によって、長寿命粒子が不用意に捨てられてしまうことがあるのです。 Alimena氏と同僚は、CMSのカロリメー ターに詰まって後で崩壊するほど長生きする粒 子を探したいと思っていました。 そこで彼らは、陽子衝突の間に時々検出器全体を読み出す特別なトリガーを入れなければなりませんでした。
長寿命粒子の探索は、ノースカロライナ州ダラムのデューク大学のATLAS実験者、James Beachamは、縁の下の力持ちであったと言います。 「それは常に、この物事に取り組んでいる一人の男であった」と彼は言います。 “あなたのサポートグループは、あなたのオフィスにいるあなたでした”。 今、研究者たちは力を合わせている。 3月に、それらの182は、彼らの検索を最適化する方法について301ページの白書を発表した。
いくつかは、ATLASとCMSが2021年から2023年の次のLHC実行で長寿命粒子の検索にもっとトリガーを捧げることを望んでいる。 実際には、次の実行は “おそらく珍しい珍しいイベントを探すために私たちの最後のチャンスである “と、ローマのサピエンツァ大学からCMSのメンバー、リビアSoffiは言う。 その後、アップグレードは、LHCのビームの強度を増加させ、よりタイトなトリガーを必要とします。
他の人は、LHCの既存の検出器を完全に逃れるように長寿命の粒子を検索するための半ダースの新しい検出器を提案しています。 カリフォルニア大学アーバイン校の理論家である Jonathan Feng 氏と同僚たちは，ATLAS からビームライン下 480 メートルのサービストンネルに設置する小型トラッカー，Forward Search Experiment (FASER) の承認を CERN から得ている。 民間財団からの 200 万ドルの支援と借り物の部品で作られた FASER は，ATLAS から噴出し，間にある岩を通過し，電子と陽電子のペアに崩壊する可能性のあるダークフォトンなどの低質量の粒子を探します。 LHCbのエキゾチック用コンパクト検出器は、長寿命粒子、特にヒッグス崩壊で生まれたものを探すだろうと、パリの核物理と高エネルギー研究所のLHCbメンバーであるウラジミール・グリゴロフ氏は言います。 カナダのトロント大学の理論家であり、プロジェクトの共同リーダーであるDavid Curtin氏は、天井にある追跡室が、70メートル下で作られた長寿命粒子の崩壊から吹き上がるジェットを検出すると述べています。 カーティンはMATHUSLAが1億ユーロ以下で済むと「楽観的」である。 「MATHUSLAがこれほど広範囲のシグネチャに感度を持つこと、そして私たちが他に何も見ていないことを考えると、これは間違いないと言えます」
物理学者には、奇妙な粒子を探す義務があると、ビーチャムは言います。 悪夢のシナリオは、20 年後にジル理論家が「あなたが何も見なかったのは、正しい事象を保存し、正しい探索をしなかったからだ」と言うことです」
*訂正、23 日 12:25 p.m.: 記事を更新し、LHC が陽子束を衝突させ検出器が事象を記録する速度を修正し、James Beacham の正しい所属を反映しました。