In een gesimuleerde gebeurtenis zou het spoor van een vervaldeeltje dat een muon (rood) wordt genoemd, iets verplaatst van het centrum van de deeltjesbotsingen, een teken kunnen zijn van nieuwe fysica.
ATLAS EXPERIMENT © 2019 CERN
Materialiseren nieuwe deeltjes zich recht onder de neus van natuurkundigen en blijven ze onopgemerkt? De grote atoomsplijter ter wereld, de Large Hadron Collider (LHC), zou wel eens langlevende deeltjes kunnen maken die door de detectoren glippen, zeggen sommige onderzoekers. Volgende week komen zij bijeen in de thuisbasis van de LHC, CERN, het Europese laboratorium voor deeltjesfysica in de buurt van Genève, Zwitserland, om te bespreken hoe deze deeltjes kunnen worden gevangen. Zij vinden dat bij de volgende LHC-ronde de nadruk moet liggen op dergelijke zoekacties, en sommigen pleiten voor nieuwe detectoren die de vluchtige deeltjes kunnen opsnuiven.
Het is een impuls geboren uit angst. In 2012 ontdekten experimentatoren bij de 5 miljard dollar kostende LHC het Higgs-boson, het laatste deeltje dat werd voorspeld door het standaardmodel van deeltjes en krachten, en de sleutel tot het verklaren hoe fundamentele deeltjes aan hun massa’s komen. Maar de LHC heeft nog niets ontdekt dat verder gaat dan het standaardmodel. “We hebben geen nieuwe fysica gevonden met de aannames waarmee we begonnen, dus misschien moeten we de aannames veranderen,” zegt Juliette Alimena, een fysicus aan de Ohio State University in Columbus die werkt met de Compact Muon Solenoid (CMS), een van de twee belangrijkste deeltjesdetectoren die door de LHC worden gevoed.
Tientallen jaren hebben fysici vertrouwd op een eenvoudige strategie om naar nieuwe deeltjes te zoeken: Breek protonen of elektronen samen bij steeds hogere energieën om zware nieuwe deeltjes te produceren en kijk hoe ze onmiddellijk vervallen tot lichtere, vertrouwde deeltjes binnen de enorme, tonvormige detectoren. Dat is hoe CMS en zijn rivaal-detector, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS), de Higgs ontdekten, die in een triljoenste van een nanoseconde kan vervallen in, onder andere, een paar fotonen of twee “stralen” van lichtere deeltjes.
Langlevende deeltjes zouden echter door een deel van of de hele detector razen voordat ze zouden vervallen. Dat idee is meer dan een schot in het duister, zegt Giovanna Cottin, een theoreticus aan de National Taiwan University in Taipei. “Bijna alle raamwerken voor natuurkunde voorbij het standaardmodel voorspellen het bestaan van langlevende deeltjes,” zegt ze. Zo stelt supersymmetrie bijvoorbeeld dat elk standaardmodel deeltje een zwaardere superpartner heeft, waarvan sommige een lange levensduur zouden kunnen hebben. Langlevende deeltjes komen ook voor in “donkere sector”-theorieën die niet-detecteerbare deeltjes voorzien die alleen met gewone materie interageren via “patrijspoortdeeltjes”, zoals een donker foton dat zo nu en dan een gewoon foton zou vervangen in een deeltjesinteractie.
CMS en ATLAS zijn echter ontworpen om deeltjes te detecteren die ogenblikkelijk vergaan. Net als een ui bevat elke detector lagen subsystemen – trackers die geladen deeltjes opsporen, calorimeters die deeltjesenergieën meten, en kamers die doordringende en bijzonder handige deeltjes detecteren, muonen genaamd – allemaal opgesteld rond een centraal punt waar de protonbundels van de versneller op elkaar botsen. Deeltjes die zelfs maar een paar millimeter vliegen voordat ze vervallen, zouden ongebruikelijke sporen achterlaten: geknikte of verschoven sporen, of straalstromen die geleidelijk ontstaan in plaats van allemaal tegelijk.
Standaard gegevensanalyse gaat er vaak van uit dat zulke eigenaardigheden fouten en troep zijn, merkt Tova Holmes op, een ATLAS-lid van de Universiteit van Chicago in Illinois die zoekt naar de verplaatste sporen van verval van langlevende supersymmetrische deeltjes. “Het is een beetje een uitdaging omdat de manier waarop we dingen ontworpen hebben, en de software die mensen geschreven hebben, deze dingen in principe verwerpt,” zegt ze. Dus moesten Holmes en collega’s een deel van die software herschrijven.
Belangrijker is ervoor te zorgen dat de detectoren de vreemde gebeurtenissen überhaupt registreren. De LHC slaat trossen protonen 40 miljoen keer per seconde tegen elkaar. Om overbelasting van gegevens te voorkomen, scheiden de triggersystemen van CMS en ATLAS interessante botsingen van saaie en worden ongeveer 19.999 van elke 20.000 botsingen onmiddellijk genegeerd. Dit kan onbedoeld leiden tot het weggooien van langlevende deeltjes. Alimena en collega’s wilden zoeken naar deeltjes die lang genoeg leven om vast te zitten in CMS’s calorimeter en pas later vervallen. Dus moesten ze een speciale trigger inbouwen die af en toe de hele detector uitleest tussen de protonbotsingen.
Het zoeken naar langlevende deeltjes was een marginale bezigheid geweest, zegt James Beacham, een ATLAS-experimentator van de Duke University in Durham, North Carolina. “Het is altijd één man geweest die aan dit ding werkte,” zegt hij. “Je steungroep was jij in je kantoor.” Nu bundelen onderzoekers hun krachten. In maart brachten 182 van hen een 301 pagina’s tellend witboek uit over hoe ze hun zoekacties kunnen optimaliseren.
Sommigen willen dat ATLAS en CMS meer triggers wijden aan het zoeken naar langlevende deeltjes in de volgende LHC-run, van 2021 tot 2023. In feite is de volgende run “waarschijnlijk onze laatste kans om te zoeken naar ongewone zeldzame gebeurtenissen,” zegt Livia Soffi, een CMS lid van de Sapienza Universiteit van Rome. Daarna zal een upgrade de intensiteit van de stralen van de LHC verhogen, waardoor strakkere triggers nodig zijn.
Anderen hebben een half dozijn nieuwe detectoren voorgesteld om te zoeken naar deeltjes die zo lang leven dat ze helemaal aan de bestaande detectoren van de LHC ontsnappen. Jonathan Feng, een theoreticus aan de Universiteit van Californië, Irvine, en collega’s hebben CERN-goedkeuring gekregen voor het Forward Search Experiment (FASER), een kleine tracker die in een diensttunnel wordt geplaatst 480 meter onder de beamline van ATLAS. Gesteund door 2 miljoen dollar van particuliere stichtingen en opgebouwd uit geleende onderdelen, zal FASER zoeken naar deeltjes met een lage massa, zoals donkere fotonen, die uit ATLAS zouden kunnen spuiten, door het tussenliggende gesteente zouden kunnen razen, en zouden kunnen vervallen tot elektron-positron paren.
Een ander voorstel vraagt om een volgkamer in een lege hal naast de LHCb, een kleinere detector die wordt gevoed door de LHC. De Compacte Detector voor Exoten bij LHCb zou op zoek gaan naar langlevende deeltjes, vooral die welke ontstaan in Higgs-verval, zegt Vladimir Gligorov, een LHCb-lid van het Laboratorium voor Kernfysica en Hoge Energie in Parijs.
Nog ambitieuzer zou een detector zijn die MATHUSLA wordt genoemd, in wezen een groot, leeg gebouw aan de oppervlakte boven de ondergrondse CMS-detector. Opsporingskamers in het plafond zouden stralen detecteren die omhoog spuiten uit het verval van langlevende deeltjes die 70 meter lager ontstaan, zegt David Curtin, een theoreticus aan de Universiteit van Toronto in Canada en co-leider van het project. Curtin is “optimistisch” dat MATHUSLA minder dan 100 miljoen euro zou kosten. “Gegeven het feit dat het gevoelig is voor dit brede scala van signaturen – en dat we nog niets anders hebben gezien – zou ik zeggen dat het een no-brainer is.”
Fysici hebben de plicht om naar de vreemde deeltjes te zoeken, zegt Beacham. “Het nachtmerriescenario is dat over 20 jaar Jill Theorist zegt: ‘De reden dat je niets hebt gezien, is dat je niet de juiste gebeurtenissen hebt bijgehouden en niet de juiste zoektocht hebt gedaan.'”
*Correctie, 23 mei, 12:25 p.m.: Het verhaal is bijgewerkt om de snelheid te corrigeren waarmee de LHC protonbunches laat botsen en de detectoren gebeurtenissen registreren, en om de juiste affiliatie van James Beacham weer te geven.