Într-un eveniment simulat, urma unei particule de dezintegrare numită muon (roșu), deplasată ușor de la centrul coliziunilor de particule, ar putea fi un semn al unei noi fizici.
EXPERIMENT ATLAS © 2019 CERN
Se materializează noi particule chiar sub nasul fizicienilor și trec neobservate? Marele spărgător de atomi din lume, Large Hadron Collider (LHC), ar putea produce particule cu durată lungă de viață care se strecoară printre detectoarele sale, susțin unii cercetători. Săptămâna viitoare, aceștia se vor reuni la sediul LHC, CERN, laboratorul european de fizică a particulelor de lângă Geneva, Elveția, pentru a discuta despre cum să le captureze. Ei susțin că următoarea rulare a LHC ar trebui să pună accentul pe astfel de căutări, iar unii cer noi detectoare care ar putea adulmeca particulele fugitive.
Este un impuls născut din anxietate. În 2012, experimentatorii de la LHC, în valoare de 5 miliarde de dolari, au descoperit bosonul Higgs, ultima particulă prezisă de modelul standard al particulelor și forțelor și cheia pentru a explica modul în care particulele fundamentale își obțin masele. Dar LHC nu a reușit încă să scoată la iveală nimic dincolo de modelul standard. „Nu am găsit nicio fizică nouă cu ipotezele cu care am început, așa că poate că trebuie să schimbăm ipotezele”, spune Juliette Alimena, fizician la Ohio State University din Columbus, care lucrează cu Compact Muon Solenoid (CMS), unul dintre cei doi detectori principali de particule alimentați de LHC.
De decenii, fizicienii s-au bazat pe o strategie simplă pentru a căuta noi particule: Spargeți împreună protoni sau electroni la energii din ce în ce mai mari pentru a produce noi particule grele și urmăriți-le cum se dezintegrează instantaneu în particule mai ușoare, familiare, în cadrul detectoarelor uriașe, în formă de butoi. Acesta este modul în care CMS și detectorul său rival, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS), au reperat Higgs, care într-o trilionime de nanosecundă se poate dezintegra, printre altele, într-o pereche de fotoni sau în două „jeturi” de particule mai ușoare.
Particulele cu durată lungă de viață, cu toate acestea, ar traversa o parte sau întregul detector înainte de a se dezintegra. Această idee este mai mult decât o lovitură în întuneric, spune Giovanna Cottin, teoretician la Universitatea Națională din Taiwan din Taipei. „Aproape toate cadrele pentru fizica dincolo de modelul standard prezic existența particulelor cu durată lungă de viață”, spune ea. De exemplu, o schemă numită supersimetrie postulează că fiecare particulă din modelul standard are un superpartener mai greu, dintre care unele ar putea avea o durată de viață lungă. Particulele cu durată lungă de viață apar, de asemenea, în teoriile „sectorului întunecat”, care prevăd particule nedetectabile care interacționează cu materia obișnuită doar prin intermediul unor particule „hublou”, cum ar fi un foton întunecat care, din când în când, ar înlocui un foton obișnuit într-o interacțiune cu particule.
CMS și ATLAS, cu toate acestea, au fost concepute pentru a detecta particule care se dezintegrează instantaneu. Ca o ceapă, fiecare detector conține straturi de subsisteme – urmăritori care urmăresc particulele încărcate, calorimetre care măsoară energiile particulelor și camere care detectează particulele penetrante și deosebit de la îndemână, numite muoni – toate dispuse în jurul unui punct central în care se ciocnesc fasciculele de protoni ale acceleratorului. Particulele care zboară chiar și câțiva milimetri înainte de a se dezintegra ar lăsa semnături neobișnuite: urme încovoiate sau decalate, sau jeturi care apar treptat în loc să apară deodată.
Analiza standard a datelor presupune adesea că astfel de ciudățenii sunt greșeli și gunoaie, notează Tova Holmes, un membru ATLAS de la Universitatea din Chicago, Illinois, care caută urmele deplasate ale dezintegrărilor particulelor supersimetrice cu durată de viață lungă. „Este o mică provocare, deoarece modul în care am proiectat lucrurile și software-ul pe care l-au scris oamenii, practic respinge aceste lucruri”, spune ea. Așa că Holmes și colegii au trebuit să rescrie o parte din acel software.
Mai important este să se asigure că detectoarele înregistrează evenimentele ciudate în primul rând. LHC sparge mănunchiuri de protoni împreună de 40 de milioane de ori pe secundă. Pentru a evita supraîncărcarea datelor, sistemele de declanșare de pe CMS și ATLAS cerne coliziunile interesante de cele plictisitoare și elimină imediat datele aproximativ 19.999 din fiecare 20.000 de coliziuni. Eliminarea poate arunca din greșeală particule cu durată lungă de viață. Alimena și colegii săi au vrut să caute particule care trăiesc suficient de mult timp pentru a rămâne blocate în calorimetrul CMS și care se dezintegrează doar mai târziu. Așa că au trebuit să introducă un declanșator special care, ocazional, citește întregul detector între coliziunile de protoni.
Cercetările de particule cu durată lungă de viață au fost eforturi marginale, spune James Beacham, un experimentator ATLAS de la Universitatea Duke din Durham, Carolina de Nord. „Întotdeauna a fost un singur tip care a lucrat la acest lucru”, spune el. „Grupul tău de sprijin erai tu în biroul tău”. Acum, cercetătorii își unesc forțele. În martie, 182 dintre ei au publicat o carte albă de 301 pagini despre cum să își optimizeze căutările.
Câțiva doresc ca ATLAS și CMS să dedice mai multe declanșatoare căutărilor de particule cu durată lungă de viață în următoarea perioadă de funcționare a LHC, din 2021 până în 2023. De fapt, următoarea rulare „este probabil ultima noastră șansă de a căuta evenimente rare neobișnuite”, spune Livia Soffi, membru CMS de la Universitatea Sapienza din Roma. După aceea, o actualizare va crește intensitatea fasciculelor LHC, ceea ce va necesita declanșatoare mai stricte.
Alții au propus o jumătate de duzină de noi detectoare pentru a căuta particule cu o durată de viață atât de lungă încât să scape cu totul de detectoarele existente ale LHC. Jonathan Feng, un teoretician de la Universitatea din California, Irvine, și colegii săi au obținut aprobarea CERN pentru Forward Search Experiment (FASER), un mic detector care va fi amplasat într-un tunel de serviciu la 480 de metri în josul liniei de fascicule de la ATLAS. Susținut cu 2 milioane de dolari de la fundații private și construit din piese împrumutate, FASER va căuta particule de masă mică, cum ar fi fotonii întunecați, care ar putea să țâșnească din ATLAS, să treacă prin roca intermediară și să se dezintegreze în perechi electron-pozitron.
O altă propunere prevede o cameră de urmărire într-o sală goală de lângă LHCb, un detector mai mic alimentat de LHC. Detectorul Compact Detector for Exotics de la LHCb ar căuta particule cu durată lungă de viață, în special cele născute în dezintegrările Higgs, spune Vladimir Gligorov, membru al LHCb de la Laboratorul pentru Fizică Nucleară și Energii Înalte din Paris.
Chiar și mai ambițios ar fi un detector numit MATHUSLA, în esență o clădire mare și goală la suprafață, deasupra detectorului subteran CMS. Camerele de urmărire din tavan ar detecta jeturile pulverizate în sus de la dezintegrarea particulelor cu viață lungă create la 70 de metri mai jos, spune David Curtin, teoretician la Universitatea din Toronto, Canada, și co-lider de proiect. Curtin este „optimist” că MATHUSLA va costa mai puțin de 100 de milioane de euro. „Având în vedere că are sensibilitate la această gamă largă de semnături – și că nu am mai văzut nimic altceva – aș spune că este o idee de la sine înțeleasă.”
Fizicienii au datoria de a căuta particulele ciudate, spune Beacham. „Scenariul de coșmar este ca peste 20 de ani, teoreticianul Jill să spună: „Motivul pentru care nu ați văzut nimic este că nu ați păstrat evenimentele corecte și nu ați făcut căutarea corectă.””
*Corecție, 23 mai, 12:25 p.m.: Articolul a fost actualizat pentru a corecta ratele cu care LHC ciocnește mănunchiurile de protoni și detectorii înregistrează evenimentele, și pentru a reflecta afilierea corectă a lui James Beacham.