Το Atom Smasher θα μπορούσε να παράγει νέα σωματίδια που κρύβονται σε κοινή θέα
Δημιουργούνται νέα σωματίδια ακριβώς κάτω από τη μύτη των φυσικών και περνούν απαρατήρητα; Ο μεγάλος καταστροφέας ατόμων στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), θα μπορούσε να δημιουργεί σωματίδια μεγάλης διάρκειας ζωής που γλιστρούν μέσα από τους ανιχνευτές του, λένε ορισμένοι ερευνητές. Την επόμενη εβδομάδα, θα συγκεντρωθούν στο σπίτι του LHC, το CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, για να συζητήσουν πώς να τους συλλάβουν. Υποστηρίζουν ότι η επόμενη εκτέλεση του LHC θα πρέπει να δώσει έμφαση σε τέτοιες αναζητήσεις και ορισμένοι ζητούν νέους ανιχνευτές που θα μπορούσαν να μυρίσουν τα φυγόπονα σωματίδια.
Είναι μια ώθηση που γεννιέται από το άγχος. Το 2012, οι πειραματιστές στο LHC 5 δισεκατομμυρίων δολαρίων ανακάλυψαν το μποζόνιο Higgs, το τελευταίο σωματίδιο που προβλεπόταν από το τυπικό μοντέλο σωματιδίων και δυνάμεων, και το κλειδί για να εξηγήσουν πώς τα θεμελιώδη σωματίδια παίρνουν τη μάζα τους. Αλλά ο LHC δεν έχει ακόμη εκτινάξει κάτι πέρα από το τυπικό μοντέλο. «Δεν βρήκαμε καμία νέα φυσική με τις υποθέσεις με τις οποίες ξεκινήσαμε, οπότε ίσως πρέπει να αλλάξουμε τις υποθέσεις», λέει η Juliette Alimena, φυσική στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο στο Κολόμπους που εργάζεται με το Compact Muon Solenoid (CMS). από τους δύο κύριους ανιχνευτές σωματιδίων που τροφοδοτούνται από τον LHC.
Για δεκαετίες, οι φυσικοί βασίστηκαν σε μια απλή στρατηγική για να αναζητήσουν νέα σωματίδια:Να συνθλίψουν πρωτόνια ή ηλεκτρόνια σε ολοένα υψηλότερες ενέργειες για να παράγουν βαριά νέα σωματίδια και να τα παρακολουθήσουν να διασπώνται αμέσως σε ελαφρύτερα, οικεία σωματίδια στους τεράστιους ανιχνευτές σε σχήμα βαρελιού. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο το CMS και ο ανταγωνιστής του ανιχνευτής, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS), εντόπισαν το Higgs, το οποίο σε ένα τρισεκατομμυριοστό του νανοδευτερόλεπτου μπορεί να διασπαστεί, μεταξύ άλλων, σε ένα ζεύγος φωτονίων ή σε δύο «πίδακες» ελαφρύτερων σωματιδίων.
Τα μακρόβια σωματίδια, ωστόσο, περνούσαν με φερμουάρ μέσα από μέρος ή ολόκληρο τον ανιχνευτή πριν αποσυντεθούν. Αυτή η ιδέα είναι κάτι περισσότερο από μια βολή στο σκοτάδι, λέει η Giovanna Cottin, θεωρητικός στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Ταϊβάν στην Ταϊπέι. «Σχεδόν όλα τα πλαίσια για τη φυσική πέρα από το πρότυπο μοντέλο προβλέπουν την ύπαρξη σωματιδίων με μεγάλη διάρκεια ζωής», λέει. Για παράδειγμα, ένα σχήμα που ονομάζεται υπερσυμμετρία θέτει ότι κάθε τυπικό σωματίδιο μοντέλου έχει έναν βαρύτερο υπερσύντροφο, μερικοί από τους οποίους θα μπορούσαν να είναι μακράς διάρκειας. Τα μακρόβια σωματίδια αναδύονται επίσης σε θεωρίες «σκοτεινού τομέα» που οραματίζονται μη ανιχνεύσιμα σωματίδια που αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη μόνο μέσω σωματιδίων «φινιστρίνι», όπως ένα σκοτεινό φωτόνιο που κάθε τόσο θα αντικαθιστούσε ένα συνηθισμένο φωτόνιο σε μια αλληλεπίδραση σωματιδίων.
Το CMS και το ATLAS, ωστόσο, σχεδιάστηκαν για να ανιχνεύουν σωματίδια που διασπώνται ακαριαία. Όπως ένα κρεμμύδι, κάθε ανιχνευτής περιέχει στρώματα υποσυστημάτων - ανιχνευτές που ανιχνεύουν φορτισμένα σωματίδια, θερμιδόμετρα που μετρούν τις ενέργειες των σωματιδίων και θαλάμους που ανιχνεύουν διεισδυτικά και ιδιαίτερα εύχρηστα σωματίδια που ονομάζονται μιόνια - όλα διατάσσονται γύρω από ένα κεντρικό σημείο όπου συγκρούονται οι δέσμες πρωτονίων του επιταχυντή. Τα σωματίδια που πετούν ακόμη και λίγα χιλιοστά πριν αποσυντεθούν θα άφηναν ασυνήθιστες υπογραφές:στριμμένα ή μετατοπισμένα ίχνη ή πίδακες που αναδύονται σταδιακά αντί για όλα ταυτόχρονα.
Η τυπική ανάλυση δεδομένων συχνά υποθέτει ότι τέτοια περίεργα είναι λάθη και σκουπίδια, σημειώνει ο Tova Holmes, μέλος του ATLAS από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο στο Ιλινόις που αναζητά τα μετατοπισμένα ίχνη διασπάσεων από μακρόβια υπερσυμμετρικά σωματίδια. «Είναι λίγο πρόκληση γιατί ο τρόπος που έχουμε σχεδιάσει τα πράγματα και το λογισμικό που έχουν γράψει οι άνθρωποι, ουσιαστικά απορρίπτει αυτά τα πράγματα», λέει. Έτσι, ο Χολμς και οι συνεργάτες του έπρεπε να ξαναγράψουν κάποιο από αυτό το λογισμικό.
Πιο σημαντικό είναι να διασφαλιστεί ότι οι ανιχνευτές καταγράφουν τα περίεργα γεγονότα εξαρχής. Ο LHC συνθλίβει δέσμες πρωτονίων μαζί 40 εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο. Για να αποφύγετε την υπερφόρτωση δεδομένων, ενεργοποιήστε τα συστήματα στο CMS και το ATLAS διαλέγουν ενδιαφέρουσες συγκρούσεις από αμβλύ και αμέσως απορρίπτουν δεδομένα περίπου 19.999 σε κάθε 20.000 συγκρούσεις. Η θανάτωση μπορεί να πετάξει ακούσια σωματίδια μεγάλης διάρκειας ζωής. Ο Alimena και οι συνεργάτες του ήθελαν να ψάξουν για σωματίδια που ζουν αρκετά για να κολλήσουν στο θερμιδόμετρο του CMS και να αποσυντεθούν μόνο αργότερα. Έτσι έπρεπε να βάλουν μια ειδική σκανδάλη που περιστασιακά διαβάζει ολόκληρο τον ανιχνευτή μεταξύ των συγκρούσεων πρωτονίων.
Οι μακρόβιες αναζητήσεις σωματιδίων ήταν περιθωριακές προσπάθειες, λέει ο James Beacham, πειραματιστής ATLAS από το Πανεπιστήμιο Duke στο Durham της Βόρειας Καρολίνας. «Πάντα ένας τύπος δούλευε πάνω σε αυτό το πράγμα», λέει. «Η ομάδα υποστήριξής σας ήσασταν εσείς στο γραφείο σας». Τώρα, οι ερευνητές ενώνουν τις δυνάμεις τους. Τον Μάρτιο, 182 από αυτούς κυκλοφόρησαν μια λευκή βίβλο 301 σελίδων σχετικά με τον τρόπο βελτιστοποίησης των αναζητήσεών τους.
Ορισμένοι θέλουν το ATLAS και το CMS να αφιερώνουν περισσότερους κανόνες σε μακροχρόνιες αναζητήσεις σωματιδίων στην επόμενη εκτέλεση LHC, από το 2021 έως το 2023. Στην πραγματικότητα, η επόμενη εκτέλεση "είναι πιθανώς η τελευταία μας ευκαιρία να αναζητήσουμε ασυνήθιστα σπάνια συμβάντα", λέει η Livia Soffi. μέλος του CMS από το Πανεπιστήμιο Sapienza της Ρώμης. Στη συνέχεια, μια αναβάθμιση θα αυξήσει την ένταση των ακτίνων του LHC, απαιτώντας πιο σφιχτές σκανδάλες.
Άλλοι έχουν προτείνει μισή ντουζίνα νέους ανιχνευτές για την αναζήτηση σωματιδίων τόσο μεγάλης διάρκειας που διαφεύγουν εντελώς από τους υπάρχοντες ανιχνευτές του LHC. Ο Jonathan Feng, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine, και οι συνεργάτες του κέρδισαν την έγκριση του CERN για το Forward Search Experiment (FASER), έναν μικρό ανιχνευτή που θα τοποθετηθεί σε μια σήραγγα υπηρεσίας 480 μέτρα κάτω από τη γραμμή δέσμης από το ATLAS. Υποστηριζόμενο από 2 εκατομμύρια δολάρια από ιδιωτικά ιδρύματα και κατασκευασμένο από δανεισμένα εξαρτήματα, το FASER θα αναζητήσει σωματίδια χαμηλής μάζας, όπως σκοτεινά φωτόνια, τα οποία θα μπορούσαν να εκτοξευθούν από το ATLAS, να περάσουν μέσω του ενδιάμεσου βράχου και να διασπαστούν σε ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων.
Μια άλλη πρόταση απαιτεί έναν θάλαμο παρακολούθησης σε μια άδεια αίθουσα δίπλα στον LHCb, έναν μικρότερο ανιχνευτή που τροφοδοτείται από τον LHC. Ο συμπαγής ανιχνευτής για εξωτικά στο LHCb θα αναζητούσε σωματίδια μεγάλης διάρκειας ζωής, ειδικά εκείνα που γεννήθηκαν στις διασπάσεις Higgs, λέει ο Vladimir Gligorov, μέλος του LHCb από το Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής και Υψηλών Ενεργειών στο Παρίσι.
Ακόμη πιο φιλόδοξος θα ήταν ένας ανιχνευτής που ονομάζεται MATHUSLA, ουσιαστικά ένα μεγάλο, κενό κτίριο στην επιφάνεια πάνω από τον υπόγειο ανιχνευτή CMS. Οι θάλαμοι παρακολούθησης στην οροφή θα ανίχνευαν πίδακες που εκτοξεύονται από τις διασπάσεις των μακρόβιων σωματιδίων που δημιουργήθηκαν 70 μέτρα κάτω, λέει ο David Curtin, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο στον Καναδά και συν-επικεφαλής του έργου. Ο Curtin είναι «αισιόδοξος» ότι το MATHUSLA θα κόστιζε λιγότερο από 100 εκατομμύρια ευρώ. "Δεδομένου ότι έχει ευαισθησία σε αυτό το ευρύ φάσμα υπογραφών - και ότι δεν έχουμε δει τίποτα άλλο - θα έλεγα ότι είναι ανούσιο."
Οι φυσικοί έχουν καθήκον να αναζητήσουν τα περίεργα σωματίδια, λέει ο Beacham. "Το εφιαλτικό σενάριο είναι ότι σε 20 χρόνια, η Jill Theorist λέει, "Ο λόγος που δεν είδες τίποτα είναι ότι δεν κράτησες τα σωστά γεγονότα και δεν έκανες τη σωστή αναζήτηση."
*Διόρθωση, 23 Μαΐου, 12:25 μ.μ.: Η ιστορία έχει ενημερωθεί για να διορθώσει τους ρυθμούς με τους οποίους ο LHC συγκρούεται δέσμες πρωτονίων και οι ανιχνευτές καταγράφουν γεγονότα και να αντικατοπτρίζει τη σωστή σχέση του James Beacham.
