I en simulerad händelse kan spåret av en sönderfallspartikel som kallas muon (röd), som är förskjuten en aning från centrumet av partiklar i en kollision, vara ett tecken på ny fysik.
ATLAS EXPERIMENT © 2019 CERN
Materialiseras nya partiklar rakt framför fysikernas näsor och går obemärkt förbi? Världens stora atomkrossare, Large Hadron Collider (LHC), kan skapa långlivade partiklar som smiter genom dess detektorer, menar vissa forskare. Nästa vecka kommer de att samlas i LHC:s hemvist, CERN, det europeiska partikelfysiklaboratoriet nära Genève i Schweiz, för att diskutera hur man ska fånga upp dem. De menar att LHC:s nästa körning bör lägga tonvikten på sådana sökningar, och vissa efterlyser nya detektorer som skulle kunna spåra de flyktiga partiklarna.
Det är en satsning som föds av ångest. År 2012 upptäckte experimentatorerna vid LHC, som kostar 5 miljarder dollar, Higgsbosonen, den sista partikeln som förutses i standardmodellen för partiklar och krafter, och nyckeln till att förklara hur grundläggande partiklar får sina massor. Men LHC har ännu inte lyckats hitta något utöver standardmodellen. ”Vi har inte hittat någon ny fysik med de antaganden vi började med, så vi kanske måste ändra antagandena”, säger Juliette Alimena, fysiker vid Ohio State University i Columbus som arbetar med Compact Muon Solenoid (CMS), en av de två viktigaste partikeldetektorerna som LHC försörjer.
Fysiker har i årtionden förlitat sig på en enkel strategi för att leta efter nya partiklar: I flera decennier har fysiker använt sig av en enkel strategi för att hitta nya partiklar: slå ihop protoner eller elektroner vid allt högre energier för att producera nya tunga partiklar och se dem sönderfalla omedelbart till lättare, välkända partiklar i de enorma, tunnformade detektorerna. Det är så CMS och dess rivaliserande detektor, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS), upptäckte Higgs, som på en trilliondel av en nanosekund kan sönderfalla till bland annat ett par fotoner eller två ”jets” av lättare partiklar.
Långlivade partiklar skulle dock rusa genom en del av eller hela detektorn innan de sönderfaller. Denna idé är mer än ett skott i mörkret, säger Giovanna Cottin, teoretiker vid National Taiwan University i Taipei. ”Nästan alla ramar för fysik bortom standardmodellen förutsäger att det finns långlivade partiklar”, säger hon. Ett system som kallas supersymmetri förutsätter till exempel att varje partikel i standardmodellen har en tyngre superpartner, varav en del kan vara långlivade. Långlivade partiklar dyker också upp i teorier om den ”mörka sektorn”, där man föreställer sig oupptäckbara partiklar som interagerar med vanlig materia endast genom ”porthole”-partiklar, t.ex. en mörk foton som då och då ersätter en vanlig foton i en partikelinteraktion.
CMS och ATLAS är dock utformade för att upptäcka partiklar som sönderfaller ögonblickligen. Likt en lök innehåller varje detektor lager av delsystem – spårare som spårar laddade partiklar, kalorimetrar som mäter partiklarnas energi och kamrar som upptäcker genomträngande och särskilt behändiga partiklar som kallas myoner – alla arrangerade runt en central punkt där acceleratorns protonstrålar kolliderar. Partiklar som flyger ens några millimeter innan de sönderfaller skulle lämna ovanliga signaturer: knäckta eller förskjutna spår, eller jetstrålar som dyker upp gradvis i stället för på en gång.
Standarddataanalyser utgår ofta från att sådana konstigheter är misstag och skräp, påpekar Tova Holmes, ATLAS-medlem vid University of Chicago i Illinois, som letar efter de förskjutna spåren av sönderfall från långlivade supersymmetriska partiklar. ”Det är en liten utmaning eftersom det sätt på vilket vi har utformat saker och ting, och den programvara som folk har skrivit, i princip förkastar dessa saker”, säger hon. Så Holmes och hennes kollegor var tvungna att skriva om en del av programvaran.
Ett viktigare problem är att se till att detektorerna överhuvudtaget registrerar de udda händelserna. LHC slår ihop klasar av protoner 40 miljoner gånger i sekunden. För att undvika överbelastning av data sållar utlösarsystemen på CMS och ATLAS intressanta kollisioner från tråkiga och kastar omedelbart data om 19 999 av 20 000 kollisioner. Denna gallring kan oavsiktligt leda till att långlivade partiklar kastas bort. Alimena och kollegor ville leta efter partiklar som lever tillräckligt länge för att fastna i CMS kalorimeter och sönderfalla först senare. Därför var de tvungna att sätta in en särskild utlösare som då och då läser ut hela detektorn mellan protonkollisionerna.
Sökningar efter långlivade partiklar hade varit marginella försök, säger James Beacham, en ATLAS-experimentator från Duke University i Durham, North Carolina. ”Det har alltid varit en kille som arbetat med den här saken”, säger han. ”Din stödgrupp var du själv på ditt kontor.” Nu går forskarna samman. I mars släppte 182 av dem en 301-sidig vitbok om hur de ska optimera sina sökningar.
Vissa vill att ATLAS och CMS ska ägna fler triggers åt sökningar efter långlivade partiklar under nästa LHC-körning, från 2021 till 2023. Faktum är att nästa körning ”förmodligen är vår sista chans att leta efter ovanliga sällsynta händelser”, säger Livia Soffi, CMS-medlem från Sapienza-universitetet i Rom. Därefter kommer en uppgradering att öka intensiteten i LHC:s strålar, vilket kräver tätare utlösare.
Andra har föreslagit ett halvt dussin nya detektorer för att söka efter partiklar som är så långlivade att de helt och hållet undgår LHC:s befintliga detektorer. Jonathan Feng, teoretiker vid University of California, Irvine, och kollegor har fått CERN:s godkännande för Forward Search Experiment (FASER), en liten spårare som ska placeras i en servicetunnel 480 meter ner i strålröret från ATLAS. FASER, som stöds med 2 miljoner dollar från privata stiftelser och byggs av lånade delar, kommer att leta efter partiklar med låg massa, t.ex. mörka fotoner, som skulle kunna spruta ut från ATLAS, rusa genom det mellanliggande berget och sönderfalla till elektron-positronpar.
Ett annat förslag innebär att man ska placera en spårningskammare i en tom hall bredvid LHCb, en mindre detektor som matas av LHC. Compact Detector for Exotics at LHCb skulle leta efter långlivade partiklar, särskilt sådana som föds i Higgs sönderfall, säger Vladimir Gligorov, medlem i LHCb från laboratoriet för kärnfysik och höga energier i Paris.
En ännu mer ambitiös skulle vara en detektor som kallas MATHUSLA, i huvudsak en stor, tom byggnad på ytan ovanför den underjordiska CMS-detektorn. Spårningskammare i taket skulle upptäcka strålar som sprutar upp från sönderfallet av långlivade partiklar som skapats 70 meter nedanför, säger David Curtin, teoretiker vid Toronto-universitetet i Kanada och medledare för projektet. Curtin är ”optimistisk” om att MATHUSLA skulle kosta mindre än 100 miljoner euro. ”Med tanke på att den är känslig för detta breda spektrum av signaturer – och att vi inte har sett något annat – skulle jag säga att det är en självklarhet.”
Fysiker har en skyldighet att leta efter de udda partiklarna, säger Beacham. ”Mardrömsscenariot är att Jill Theorist om 20 år säger: ’Anledningen till att du inte har sett något är att du inte har behållit rätt händelser och gjort rätt sökning’.”
*Korrigering, 23 maj, 12:25: Historien har uppdaterats för att korrigera hastigheterna som LHC kolliderar protoner och detektorerna registrerar händelserna, och för att återspegla James Beachams korrekta affiliering.