W symulowanym zdarzeniu, ślad cząstki rozpadu zwanej mionem (czerwony), przesuniętej nieco od centrum zderzeń cząstek, może być oznaką nowej fizyki.
ATLAS EXPERIMENT © 2019 CERN
Czy nowe cząstki materializują się tuż pod nosem fizyków i pozostają niezauważone? Niektórzy naukowcy twierdzą, że Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), wielka światowa maszyna do rozbijania atomów, może wytwarzać długożyciowe cząstki, które prześlizgują się przez jego detektory. W przyszłym tygodniu zbiorą się oni w siedzibie LHC, CERN, europejskim laboratorium fizyki cząstek elementarnych niedaleko Genewy w Szwajcarii, aby przedyskutować sposoby ich wychwytywania. Twierdzą oni, że następny przebieg LHC powinien położyć nacisk na takie poszukiwania, a niektórzy wzywają do stworzenia nowych detektorów, które mogłyby wyłapać zbiegłe cząstki.
Jest to nacisk zrodzony z niepokoju. W 2012 roku eksperymentatorzy z wartego 5 miliardów dolarów LHC odkryli bozon Higgsa, ostatnią cząstkę przewidzianą przez model standardowy cząstek i sił oraz klucz do wyjaśnienia, w jaki sposób podstawowe cząstki uzyskują swoją masę. Jednak LHC nie odkrył jeszcze niczego, co wykraczałoby poza model standardowy. „Nie znaleźliśmy żadnej nowej fizyki przy założeniach, od których zaczynaliśmy, więc może musimy zmienić założenia” – mówi Juliette Alimena, fizyk z Uniwersytetu Stanowego Ohio w Columbus, która pracuje w Compact Muon Solenoid (CMS), jednym z dwóch głównych detektorów cząstek zasilanych przez LHC.
Przez dziesięciolecia fizycy polegali na prostej strategii poszukiwania nowych cząstek: rozbijanie protonów lub elektronów przy coraz wyższych energiach w celu wytworzenia nowych, ciężkich cząstek i obserwowanie ich natychmiastowego rozpadu na lżejsze, znane cząstki w ogromnych detektorach o kształcie beczki. W ten sposób CMS i konkurencyjny detektor, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS), wykryły cząstkę Higgsa, która w ciągu trylionowej części nanosekundy może rozpadać się m.in. na parę fotonów lub dwa „dżety” lżejszych cząstek.
Długo żyjące cząstki, przed rozpadem, przeleciałyby przez część lub cały detektor. Pomysł ten jest więcej niż strzałem w ciemno, mówi Giovanna Cottin, teoretyk z National Taiwan University w Taipei. „Prawie wszystkie ramy dla fizyki wykraczającej poza model standardowy przewidują istnienie cząstek długożyciowych” – mówi. Na przykład, schemat zwany supersymetrią zakłada, że każda cząstka modelu standardowego ma cięższego superpartnera, z których niektóre mogą być długożyciowe. Długo żyjące cząstki pojawiają się również w teoriach „ciemnego sektora”, które przewidują niewykrywalne cząstki oddziałujące ze zwykłą materią tylko poprzez cząstki „iluminatory”, takie jak ciemny foton, który co jakiś czas zastępuje zwykły foton w interakcji cząstek.
CMS i ATLAS zostały jednak zaprojektowane do wykrywania cząstek, które rozpadają się natychmiastowo. Jak cebula, każdy detektor zawiera warstwy podsystemów – trackery, które śledzą cząstki naładowane, kalorymetry, które mierzą energie cząstek oraz komory, które wykrywają przenikliwe i szczególnie poręczne cząstki zwane mionami – wszystkie rozmieszczone wokół centralnego punktu, w którym zderzają się wiązki protonów akceleratora. Cząstki, które przelatują nawet kilka milimetrów przed rozpadem, pozostawiają niezwykłe ślady: zagięte lub przesunięte tory, lub dżety, które pojawiają się stopniowo, a nie wszystkie naraz.
Standardowa analiza danych często zakłada, że takie dziwactwa są błędami i śmieciami, zauważa Tova Holmes, członek zespołu ATLAS z Uniwersytetu Chicago w Illinois, który poszukuje przesuniętych torów rozpadów długożyciowych cząstek supersymetrycznych. „Jest to pewne wyzwanie, ponieważ sposób, w jaki projektowaliśmy rzeczy i oprogramowanie, które ludzie napisali, w zasadzie odrzuca takie rzeczy,” mówi. Holmes i współpracownicy musieli więc napisać niektóre z tych programów od nowa.
Ważniejsze jest zapewnienie, że detektory w ogóle rejestrują dziwne zdarzenia. LHC zderza ze sobą wiązki protonów 40 milionów razy na sekundę. Aby uniknąć nadmiaru danych, systemy wyzwalania w CMS i ATLAS oddzielają interesujące zderzenia od nudnych i natychmiast odrzucają dane o 19,999 z każdych 20,000 zderzeń. Może to spowodować nieumyślne usunięcie długo żyjących cząstek. Alimena i współpracownicy chcieli szukać cząstek, które żyją na tyle długo, by utknąć w kalorymetrze CMS i rozpadać się dopiero później. Musieli więc zastosować specjalny wyzwalacz, który od czasu do czasu odczytuje cały detektor pomiędzy zderzeniami protonów.
Poszukiwania cząstek długożyciowych były do tej pory działaniami marginalnymi, mówi James Beacham, eksperymentator ATLAS z Duke University w Durham, Karolina Północna. „Zawsze był to jeden facet pracujący nad tą rzeczą,” mówi. „Twoją grupą wsparcia byłeś ty w swoim biurze”. Teraz badacze łączą siły. W marcu 182 z nich opublikowało 301-stronicową białą księgę na temat optymalizacji ich poszukiwań.
Niektórzy chcą, aby ATLAS i CMS poświęciły więcej wyzwalaczy na poszukiwania cząstek długożyciowych w następnym przebiegu LHC, od 2021 do 2023 roku. W rzeczywistości, następny przebieg „jest prawdopodobnie naszą ostatnią szansą na poszukiwanie niezwykłych, rzadkich zdarzeń” – mówi Livia Soffi, członek CMS z Uniwersytetu Sapienza w Rzymie. Po tym czasie modernizacja zwiększy intensywność wiązek LHC, co będzie wymagało ściślejszych wyzwalaczy.
Inni zaproponowali pół tuzina nowych detektorów do poszukiwania cząstek tak długo żyjących, że wymykają się one całkowicie istniejącym detektorom LHC. Jonathan Feng, teoretyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, i jego współpracownicy uzyskali zgodę CERN-u na eksperyment Forward Search Experiment (FASER), mały detektor śledzący, który zostanie umieszczony w tunelu serwisowym 480 metrów w dół linii wiązki od ATLAS-a. Wspierany przez prywatne fundacje kwotą 2 milionów dolarów i zbudowany z pożyczonych części, FASER będzie szukał cząstek o niskiej masie, takich jak ciemne fotony, które mogłyby wypluć się z ATLAS-a, przelecieć przez skałę pośredniczącą i rozpadać się na pary elektron-pozyton.
Inna propozycja wymaga komory śledzącej w pustej hali obok LHCb, mniejszego detektora zasilanego przez LHC. Compact Detector for Exotics at LHCb szukałby cząstek długożyciowych, zwłaszcza tych, które rodzą się w rozpadach Higgsa, mówi Vladimir Gligorov, członek zespołu LHCb z Laboratory for Nuclear Physics and High Energies w Paryżu.
Jeszcze bardziej ambitny byłby detektor o nazwie MATHUSLA, w zasadzie duży, pusty budynek na powierzchni nad podziemnym detektorem CMS. Komory śledzące w suficie wykrywałyby strumienie rozpryskujące się z rozpadów długożyciowych cząstek powstałych 70 metrów niżej, mówi David Curtin, teoretyk z Uniwersytetu w Toronto w Kanadzie i współkierujący projektem. Curtin jest „optymistą”, że MATHUSLA będzie kosztować mniej niż 100 milionów euro. „Biorąc pod uwagę, że ma czułość na tak szeroki zakres sygnatur – i że nie widzieliśmy nic innego – powiedziałbym, że to nie ma sensu.”
Fizycy mają obowiązek szukać dziwnych cząstek, mówi Beacham. „Koszmarny scenariusz jest taki, że za 20 lat Jill Theorist powie: 'Powodem, dla którego nic nie widzieliście, jest to, że nie obserwowaliście właściwych zdarzeń i nie prowadziliście właściwych poszukiwań’.”
*Sprostowanie, 23 maja, godz. 12:25: Artykuł został uaktualniony w celu poprawienia szybkości, z jaką LHC zderza wiązki protonów, a detektory rejestrują zdarzenia, oraz w celu odzwierciedlenia właściwej przynależności Jamesa Beachama.