W CERN powstanie kolejny eksperyment przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Jednym z jego pomysłodawców jest Polak, dr Sebastian Trojanowski z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ. FASER – bo tak ma nazywać się nowa instalacja – będzie multidetektorem przeznaczonym do poszukiwania długożyciowych cząstek powstających w zderzeniach LHC i mogących być sygnałem istnienia hipotetycznej ciemnej materii. Obserwacje astronomiczne wskazują, że ciemnej materii powinno być we Wszechświecie kilkakrotnie więcej niż zwykłej materii „atomowej” tworzącej ludzi, planety i gwiazdy.

Koncepcja eksperymentu FASER została zaproponowana przez dr Sebastiana Trojanowskiego i trzech innych fizyków teoretyków współpracujących z nim podczas pobytu dra Trojanowskiego na stypendium na Uniwersytecie Irvine w ramach programu Mobilność Plus finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Eksperyment ma poszukiwać nowych, nieznanych dotąd cząstek, które mogą powstawać w zderzeniach protonów, na przykład w punkcie zderzenia w detektorze ATLAS. Naukowcy spodziewają się, że mogą one istnieć, ale nie zostały dotąd zarejestrowane ze względu na ich słabe oddziaływanie z materią detektora. Cząstki takie – jeśli są odpowiednio lekkie, jeśli powstają dość rzadko i na dodatek lecą wzdłuż osi wiązki zderzających się protonów, mogły dotychczas umykać uwadze eksperymentatorów – wyjaśnia dr Trojanowski (NCBJ; przebywający obecnie na stażu doktorskim na Uniwersytecie w Sheffield). Trudno byłoby je na przykład zobaczyć jako wyraźny sygnał brakującej energii w bilansie energetycznym produktów zderzenia. Szansą na ich ewentualne wykrycie jest ustawienie detektora w pewnej odległości od punktu produkcji i próba zarejestrowania oczekiwanych produktów rozpadów. Warunkiem powodzenia takiego scenariusza jest, by masa poszukiwanych cząstek była większa niż łączna masa najlżejszych produktów ewentualnego rozpadu – na przykłada pary elektron-pozyton.

Zaproponowany i zaaprobowany właśnie przez CERN eksperyment FASER ma być ulokowany ok. pół kilometra od detektora ATLAS w tunelu serwisowym, który zbiega w kierunku tunelu LHC. Układ będzie składał się ze scyntylatorów, magnesów, detektorów śladu i kalorymetru mierzącego energię produktów, jeśli rzeczywiście dojdzie do poszukiwanego rozpadu. Całość ma mieć długość kilku metrów i częściowo składać się z układów zapasowych przekazanych przez funkcjonujące już eksperymenty LHC – tłumaczy dr Trojanowski. Największą inwestycją będzie zamówienie w CERN odpowiednich magnesów. Większość wydatków mają pokryć dwie amerykańskie fundacje: Simons i Heising-Simons.

W projekt – poza czwórką pomysłodawców – jest obecnie zaangażowanych ponad dwudziestu uczonych ze Szwajcarii, USA i innych krajów. Harmonogram zaakceptowany przez CERN przewiduje, że prace instalacyjne zostaną wykonane w czasie kolejnej dużej przerwy w pracy LHC, a zbieranie danych rozpocznie się w cyklu badawczym LHC zaplanowanym na lata 2021-2023.

Naukowcy od lat intensywnie poszukują nowych, nieznanych dotąd postaci materii. Obserwacje astronomiczne dostarczają trudnych do podważenia argumentów, że we Wszechświecie istnieje nieznana nam dotąd materia, która z atomami, z których składamy się my oraz wszystko co znamy, oddziałuje głównie siłami grawitacji. Mimo iż obliczenia wskazują, że tej nieznanej „ciemnej” materii jest we Wszechświecie kilkakrotnie więcej niż materii „normalnej”, nie udało się jej wytworzyć lub zaobserwować jej składników w naszych laboratoriach. Proponowany eksperyment jest jedną z wielu propozycji inspirowanych tą zagadką. Cząstki, których poszukiwał będzie FASER, mogłyby być pierwszym elementem na drodze do jej rozwikłania. Ewentualne negatywne wyniki także wzbogacą naszą wiedzę i wykluczą niektóre teoretyczne koncepcje.