新しい粒子は物理学者の目の前で物質化され、気づかれずに進んでいますか?世界最大の原子粉砕機である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は、その検出器をすり抜ける長寿命の粒子を生成している可能性があると一部の研究者は述べています。来週、彼らは LHC の本拠地である、スイスのジュネーブ近郊にあるヨーロッパの素粒子物理学研究所である CERN に集まり、それらを捉える方法について話し合う予定です。彼らは、LHC の次の実行ではそのような検索を強調する必要があると主張しており、逃亡中の粒子を嗅ぎ分けることができる新しい検出器を求めている人もいます.
不安から生まれた一押しです。 2012 年、50 億ドルを投じた LHC の実験者は、粒子と力の標準モデルによって予測された最後の粒子であるヒッグス ボソンを発見しました。しかし、LHC はまだ標準モデルを超えるものを爆発させていません。オハイオ州立大学（米国コロンバス）の物理学者ジュリエット・アリメナ氏は、コンパクト ミュオン ソレノイド (CMS) を研究している物理学者であるジュリエット アリメナ氏は、次のように述べています。 LHC によって供給される 2 つの主要な粒子検出器の。
何十年もの間、物理学者は新しい粒子を探すための単純な戦略に依存してきました。陽子または電子をこれまで以上に高いエネルギーで衝突させて重い新しい粒子を生成し、それらが巨大な樽型の検出器内で即座に崩壊してより軽く、なじみのある粒子になるのを観察します。これが、CMS とそのライバル検出器であるトロイダル LHC 装置 (ATLAS) がヒッグスを発見した方法です。ヒッグスは、1 兆分の 1 ナノ秒で崩壊して、とりわけ、光子のペアまたは軽い粒子の 2 つの「ジェット」になります。
ただし、長寿命の粒子は、崩壊する前に検出器の一部またはすべてを通過します。台北にある国立台湾大学の理論家、ジョバンナ・コッティンは、このアイデアは闇の中のショット以上のものであると述べています。 「標準モデルを超える物理学のほとんどすべてのフレームワークは、長寿命の粒子の存在を予測しています」と彼女は言います。たとえば、超対称性と呼ばれるスキームは、すべての標準モデル粒子がより重いスーパーパートナーを持ち、その一部は長寿命である可能性があると仮定しています。長寿命の粒子は、粒子相互作用で通常の光子を頻繁に置き換えるダーク光子など、「ポートホール」粒子を介してのみ通常の物質と相互作用する検出不可能な粒子を想定する「ダークセクター」理論にも現れます。
ただし、CMS と ATLAS は、瞬時に崩壊する粒子を検出するように設計されています。タマネギのように、各検出器にはサブシステムの層が含まれています。荷電粒子を追跡するトラッカー、粒子エネルギーを測定する熱量計、ミューオンと呼ばれる透過性で特に便利な粒子を検出するチャンバーです。これらはすべて、加速器の陽子ビームが衝突する中心点の周りに配置されています。崩壊する前に数ミリメートルでも飛んだ粒子は、通常とは異なる痕跡を残します:曲がったりずれたりした軌道、またはジェットが一度にではなく徐々に出現します。
標準的なデータ分析では、そのような奇妙なものは間違いやがらくたであると想定することが多いと、シカゴ大学 (イリノイ州) の ATLAS メンバーで、長寿命の超対称粒子からの崩壊の変位した軌跡を探している Tova Holmes は指摘しています。 「私たちが設計した方法と人々が作成したソフトウェアは、基本的にこれらのものを拒否するため、これは少し難しいことです」と彼女は言います。そのため、ホームズと同僚はそのソフトウェアの一部を書き直さなければなりませんでした。
より重要なのは、最初に検出器が奇数のイベントを確実に記録することです。 LHC は陽子の束を 1 秒間に 4000 万回衝突させます。データの過負荷を避けるために、CMS と ATLAS のトリガー システムは、重要な衝突を鈍いものから選別し、20,000 回の衝突ごとに約 19,999 件のデータをすぐに破棄します。カリングによって、寿命の長いパーティクルが誤って放り出される可能性があります。 Alimena と同僚は、CMS の熱量計に閉じ込められてから崩壊するのに十分な長さの粒子を探したいと考えていました。そのため、陽子衝突の間に時々検出器全体を読み取る特別なトリガーを配置する必要がありました.
デューク大学 (ノースカロライナ州ダーラム) の ATLAS 実験者である James Beacham は、長命の粒子探索は端的な努力であったと述べています。 「このことに取り組んでいるのは、常に一人の男でした」と彼は言います。 「あなたのサポートグループは、あなたのオフィスにいるあなたでした。」現在、研究者が力を合わせています。 3 月に、そのうち 182 人が、検索を最適化する方法に関する 301 ページのホワイト ペーパーをリリースしました。
2021 年から 2023 年までの次の LHC 実行では、ATLAS と CMS が長寿命の粒子検索により多くのトリガーを割り当てることを望む人もいます。ローマ・サピエンツァ大学の CMS メンバー。その後、アップグレードにより LHC のビームの強度が増し、よりタイトなトリガーが必要になります。
他の人たちは、LHC の既存の検出器を完全に逃れるほど寿命が長い粒子を探すために、半ダースの新しい検出器を提案しました。カリフォルニア大学アーバイン校の理論家であるジョナサン・フェンとその同僚たちは、ATLAS からビームラインを 480 メートル下ったサービス トンネルに配置される小さなトラッカーである前方探索実験 (FASER) の CERN 承認を獲得しました。民間財団からの 200 万ドルの支援を受け、借用部品で構築された FASER は、暗光子などの低質量粒子を探します。これらの粒子は、ATLAS から放出され、介在する岩石を勢いよく通り抜け、電子-陽電子対に崩壊する可能性があります。
別の提案では、LHCb の隣の空いているホールに追跡チャンバーを設置する必要があります。これは、LHC によって供給される小型の検出器です。 LHCb の Exotics 用コンパクト検出器は、長寿命の粒子、特にヒッグス崩壊で生まれた粒子を探すだろうと、パリの核物理および高エネルギー研究所の LHCb メンバーである Vladimir Gligorov は述べています。
さらに野心的なのは、MATHUSLA と呼ばれる検出器で、本質的には地下の CMS 検出器の上の表面にある大きな空の建物です。カナダのトロント大学の理論家でプロジェクトの共同リーダーであるデビッド・カーティンは、天井の追跡チャンバーは、70メートル下で生成された長寿命の粒子の崩壊から噴出するジェットを検出するだろうと述べています。 Curtin は、MATHUSLA の費用が 1 億ユーロ未満になると「楽観的」です。 「この幅広いシグネチャーに敏感であること、そして他に何も見ていないことを考えると、それは簡単なことだと思います。」
物理学者には奇妙な粒子を探す義務がある、とビーチャムは言う。 「悪夢のようなシナリオは、20 年後にジル セオリストが言うことです。『何も見えなかったのは、適切な出来事を記録して適切な検索をしなかったからです』」
*訂正、5 月 23 日午後 12 時 25 分: ストーリーは、LHC が陽子束に衝突し、検出器がイベントを記録する速度を修正し、James Beacham の適切な所属を反映するように更新されました。
