Część fizyków uważa, że w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) powstają długo żyjące cząstki, które dotychczas nie zostały wykryte. W przyszłym tygodniu w CERN odbędzie się spotkanie, na którym zostaną omówione metody zarejestrowania tych cząstek.

W 2012 roku LHC zarejestrował obecność bozonu Higgsa, ostatniej nieuchwyconej wcześniej cząstki przewidywanej przez Model Standardowy. Jednak od tamtej pory nie znaleziono niczego nowego czy niespodziewanego. Niczego, co wykracałowy poza Model Standardowy. Nie odkryliśmy nowej fizyki, nie potwierdziliśmy założeń, z jakimi rozpoczynaliśmy prace. Może należy zmienić te założenia, mówi Juliette Alimena z Ohio State University, która pracuje przy CMS (Compact Muon Solenoid), jednym z dwóch głównych detektorów cząstek w LHC.

Pomimo tego, że w LHC zainwestowano miliardy dolarów, to urządzenia pracuje tak, jak pracowały akceleratory przed kilkudziesięcioma laty. Fizycy od dekad zderzają ze sobą protony lub elektrony, zwiększają ich energie, by w procesie tym uzyskać nowe ciężkie cząstki i obserwować, jak w ciągu biliardowych części sekundy rozpadają się na lżejsze, znane nam cząstki. Te lżejsze są wykrywane i na podstawie ich charakterystyk wiemy, z jakich cięższych cząstek pochodzą. Tak właśnie działa i CMS i drugi z głównych wykrywaczy LHC – ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus).

Jednak długo żyjące ciężkie cząstki mogą umykać uwadze detektorów. Przypuszczenie takie nie jest nowe. Niemal wszystkie teorie wykraczające poza standardowe modele fizyczne przewidują istnienie długo żyjących cząstek, mówi Giovanna Cottin, fizyk-teoretyk z Narodowego Uniwersytetu Tajwańskiego. Na przykład teoria supersymetrii mówi, że każda z cząstek Modelu Standardowego ma cięższego partnera. Istnieją teorie mówiące też o istnieniu np. ciemnych fotonów i innych „ciemnych” cząstek. Dotychczas niczego takiego nie udało się zaobserwować.

LHC nie został zaprojektowany do poszukiwania cząstek wykraczających poza Model Standardowy. CMS i ATLAS skonstruowano tak, by wykrywały cząstki ulegające natychmiastowemu rozpadowi. Każdy z nich zawiera warstwowo ułożone podsystemy rejestrujące produkty rozpadu cząstek. Wszystkie one ułożone są wokół centralnego punktu, w którym dochodzi do zderzenia. Jednak problem w tym, że jeśli w wyniku zderzenia powstanie cząstka, która będzie żyła tak długo, iż przed rozpadem zdoła przebyć chociaż kilka milimetrów, to pozostawi ona po sobie nieoczywiste sygnały, smugi, zaburzone trasy ruchu.

Oprogramowanie służące do analiz wyników z detektorów odrzuca takie dane, traktując je jak zakłócenia, artefakty. To problem, bo my tak zaprojektowaliśmy eksperymenty, a programiści tak napisali oprogramowanie, że po prostu odfiltrowuje ono takie rzeczy, mówi Tova Holmes z University of Chicago, która w wykrywaczu ATLAS poszukuje takich zaburzeń.

Holmes i jej koledzy wiedzą, że muszą zmienić oprogramowanie. Jednak to nie wystarczy. W pierwszym rzędzie należy upewnić się, że wykrywacze w ogóle będą rejestrowały takie dane. Jako, że w w LHC w ciągu sekundy dochodzi do 400 milionów zderzeń protonów, w samym sprzęcie zastosowano mechanizmy chroniące przed przeładowaniem danymi. Już na poziomie sprzętowym dochodzi do odsiewania zderzeń i podejmowania decyzji, które są interesujące, a które należy odrzucić. W ten sposób do dalszej analizy kierowane są dane z 1 na 2000 zderzeń. To zaś oznacza, że możemy mieć do czynienia z utratą olbrzymiej ilości interesujących danych. Dlatego też część naukowców chciałaby przyjrzeć się kalorymetrowi CMS, do którego mogą docierać długo żyjące ciężkie cząstki. Chcieliby zastosować mechanizm, który od czasu do czasu będzie odczytywał pełne wyniki wszystkich zderzeń.

Szukanie ciężkich cząstek nigdy nie było łatwe, chociażby dlatego, że naukowcy mieli różne pomysły na to, jak je zarejestrować. To zawsze było tak, że pracowały nad tym pojedyncze osoby. A każdy z nich sam dla siebie stanowił grupę wsparcia, przyznaje James Beacham z Ohio State University. Teraz zainteresowani połączyli siły i w marcu ukazało się 301-stronicowe opracowanie autorstwa 182 naukowców, w którym zaproponowano metody optymalizacji poszukiwań ciężkich cząstek.

Niektórzy z nich proponują, by w najbliższej kampanii, planowanej na lata 2012–2023 częściej zbierano kompletne dane ze wszystkich zderzeń. Niewykluczone, że to ostatnia szansa na zastosowanie tej techniki, gdyż później intensywność generowanych wiązek zostanie zwiększona i zbieranie wszystkich danych stanie się trudniejsze.

Inni chcą zbudowania kilku nowych detektorów wyspecjalizowanych w poszukiwaniu ciężkich cząstek. Jonathan Feng, fizyk-teoretyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, wraz z kolegami uzyskali nawet od CERN zgodę na zbudowanie Forward Search Experiment (FASER). To niewielki detektor, który ma zostać umieszczony w tunelu serwisowym w odległości 480 metrów w dół wiązki od ATLAS-a. Naukowcy zebrali już nawet 2 miliony dolarów od prywatnych sponsorów i dostali potrzebne podzespoły. FASER ma poszukiwać lekkich cząstek, takich jak ciemne fotony, które mogą być wyrzucane z ATLAS-a, przenikać przez skały i rozpadać się w pary elektron-pozyton.

Jeszcze inna propozycja zakłada wykorzystanie pustej komory znajdującej się za niewielkim wykrywaczem LHCb. Umieszczony tam Compact Detector for Exotics at LHCb miałby poszukiwać długo żyjących cząstek, szczególnie tych pochodzących z rozpadu bozonu Higgsa.

Jednak najbardziej ambitną propozycją jest budowa detektora o nazwie MATHULSLA. Miałby to być wielki pusty budynek wzniesiony na powierzchni nad detektorem CMS. W jego dachu miałyby zostać umieszczone czujniki, które rejestrowałyby dżety pochodzące z rozpadu długo żyjących cząstek powstających 70 metrów poniżej, wyjaśnia David Curtin z Uniwersytetu w Toronto, jeden z pomysłodawców wykrywacza. Uczony jest optymistą i uważa, że detektor nie powinien kosztować więcej niż 100 milionów euro.

Po nocach śni nam się koszmar, w którym Jan Teoretyk powie nam za 20 lat, że niczego nie odkryliśmy bo nie rejestrowaliśmy odpowiednich wydarzeń i nie prowadziliśmy właściwych badań, mówi Beacham, który pracuje przy wykrywaczu ATLAS.

 

 

 

Źródło: Science, KopalniaWiedzy