Нові розваги фізиків: полювання на невидимі частинки, які втекли з колайдера

Фізика елементарних частинок розвивається, звичайно, не зі швидкістю світла, але й не занадто повільно. Як і для будь-якої іншої наукової сфери, важливим і завжди актуальним є питання експериментальної техніки.
Наймасштабнішим проектом в цій сфері, ймовірно, можна вважати Великий адронний коллайдер (ВАК) – найбільший у світі прискорювач елементарних частинок, кільце, окружністю 27 км, в якому 11 245 разів в секунду стикаються прискорені пучки протонів, а результати зіткнень записуються з допомогою спеціальних детекторів.
Через кілька років, якщо команді фізиків вдасться досягти поставленої мети, на кордоні між Францією і Швейцарією може з’явитися приземкувата будівля. Зовні схоже на склад, воно стане доповненням ВАК і буде містити науковий прилад під назвою MATHUSLA (Масивний хронометричний годоскоп для ультрастабильных нейтральних частинок). Його завдання – полювати на довговічні частинки, які не може самостійно виявити ВАК. Більше про це – в адаптованому перекладі матеріалу з ресурсу Live Science.
Наукові прогалини і дірки
Зараз квантова всесвіт нагадує головоломку, в якій відсутня більшість складових частин. Ті фрагменти пазла, які вчені вже знайшли, – кварки, нейтрино, бозони, мюони, тау-лептони, фотони і глюони і найвідоміші – бозони Хіггса, об’єднуються разом, щоб сформувати картину, звану «Стандартною моделлю». Але ця картина має незвичайну форму і безліч прогалин і натяків на те, що людству відомі далеко не всі фізичні процеси.
Одним з таких прогалин є бозон Хіггса. Варто пояснити, що бозон Хіггса – це елементарна частинка, вперше запропонована британським фізиком Пітером Хиггсом (Peter Higgs) в 1964 році. Вона є найважливішою складовою «Стандартної моделі фізики. Бозон Хіггса пояснює, чому у інших частинок є маса. ВАК вдалося довести існування бозона Хіггса (що, власне, вважається найбільшим досягненням величезного механізму), але фізики зіткнулися з проблемою. Як пояснив професор Торонтського університету (Канада), один з творців концепції MATHUSLA, Девід Кертін (David Curtin), бозон Хіггса виявився не таким значним, як пророкувала квантова фізика. Тому сучасна модель квантового всесвіту вимагає значної «корекції» рівнянь, які застосовують бозон Хіггса.
Століття досвіду вказують вченим, що такі поправки, як правило, стосуються елементів, яких дослідники ще просто не розуміють. Як приклад можна привести космологічну константу Альберта Ейнштейна, яку він включив у теорії відносності, щоб врахувати явища, що, як виявили вчені пізніше, були наслідками розширення Всесвіту, про що Ейнштейн не підозрював, а потім шкодував, що не передбачив. Фізики, пояснює Кертін, підозрюють, що маленька маса бозона Хіггса означає, що існують інші, невиявлені частки, які теж впливають на процеси у всесвіті. Ця гіпотеза та інші дивні прогалини, як таємничі маси у всесвіті, які вчені називають темною матерією, змушують прийти до висновку, що фізики ще не бачили безліч фізичних аспектів.
Головна мета ВАК полягала в тому, щоб заповнити прогалини у головоломці квантового всесвіту. Джессі Шелтон (Jessie Shelton), фізик-теоретик з Іллінойського університету в Урбана-Шампейн (США), яка, зокрема, редагувала проектну документацію MATHUSLA, каже, що поки що, за важливим винятком власне виявлення бозона Хіггса, БАК не виправдовує себе. Після виявлення бозона Хіггса, навіть після кількох оновлень механізму, полюванні на нові частинки не дало ніяких результатів. Причин може бути кілька: наприклад, люди вичерпали можливість отримувати нові частинки з допомогою наявних методів, або, цілком ймовірно, вчені не можуть виявити їх через діючі налаштування детекторів, або тому, що пучок ВАК занадто слабкий.
«Існує щось нове і незвідане. Про це свідчить темна матерія. На жаль, ми не маємо ніякої гарантії, що це нове може “говорити” з нами за допомогою ВАК», – заявила Шелтон.
І поки дорогою ВАК не може виявити інші фізичні явища, крім бозонів Хіггса, важко виправдати створення будь-яких великих детекторів в майбутньому (при будівництві ВАК говорилося про те, що він буде функціонувати більше 10 років, а потім буде ще більший прискорювач). Замість цього необхідно шукати інші ідеї і підходи.
Велика ідея
У квітні Шелтон стояла перед натовпом фізиків на великій нараді Американського фізичного товариства (APS) в Колумбусі, штат Огайо, і стверджувала, що БАК, можливо, вже створив відсутні частинки, але, ймовірно, не зміг їх знайти, оскільки всі датчики ВАК калібруються для виявлення конкретного виду подій: екзотична частинка виникає в результаті зіткнення двох протонів. У надзвичайно короткий час вона розпадається на більш стійкі, менш екзотичні частки, що розлітаються в усіх напрямках. Ці частинки проходять через іонізовані пластини і блискучі кристали, що оточують пучок коллайдера, і їх специфічна траєкторія дає підказки фізикам щодо того, з якоїсь екзотичної частинки вони виникли. За словами Шелтон, ВАК вже міг би отримати сліди довговічних частинок з деякими перекалибровками. Навіть зазвичай довговічна частка іноді швидко розпадається. І деякі довговічні частинки можуть залишати сигнальні знаки в датчиках до розпаду. Їх виявлення може бути питанням перекалібрування детекторів і алгоритмів.
Це – один можливий підхід. Але, ймовірно, стверджує Шелтон, відсутні екзотичні частки не розкладаються так швидко, як сподіваються розробники ВАК. Можливо, такі спекулятивні частинки, як глюины і композитні темні глюболы, все ж існують і з’являються у ВАК, але не розпадаються в межах вузького тунелю. Наприклад, якщо глюин може вижити навіть на кілька часток секунди довше, ніж очікувалося фізиками, він може проникати через стінки коллайдера, проходити через сотні метрів твердого граніту, який ховає ВАК під землею, і підніматися на французько-швейцарський сонячне світло перед тим, як розпадатися десь у лісі. Таким чином, його сліди будуть далеко за межами виявлення ВАК.
Дослідники вважають, що найбільша надія на виявлення довговічних частинок лежить в лісі на французько-швейцарському кордоні. Там вони і пропонують побудувати MATHUSLA, по суті, споруда, довжиною 20 м, наповнене детекторами частинок. Воно буде розташоване на вершині ВАК і вивчати частинки, які «втекли» з ВАК. Функцію MATHUSLA можна порівняти з функцією риби-прилипали, яка живиться крихтами їжі, що вискакують з відкритого рота великого істоти. Вчені вважають, що, ретельно вивчаючи ці «крихти» (у цьому випадку — довговічні частинки, які пройшли через стінки ВАК), MATHUSLA допоможе вирішити комплекс проблем, які не вдалося вирішити ВАК, і виявити відсутні частинки квантового всесвіту. Враховуючи товсту гранітну підлогу, відокремлює пучок ВАК від MATHUSLA, більшість радіоактивного хаосу ВАК зникне. Необхідно буде виявити лише порівняно рідкісні скупчення довговічних частинок. Маючи менше часток для виявлення в більш широкій області виявлення, MATHUSLA може створювати дуже детальні картини екзотичних частинок, розкладаються всередині, якщо вони таки існують.
«Якщо невидима частинка вийде і розпадеться, видимі частинки [на які вона розпадається] як би відбиватися від стелі, – каже Кертін. – Шари [детектори] побачить ці доріжки так само, як трекери всередині БАК під землею, але цей [масив детектора] значно більше і може бути значно повільніше».
У разі MATHUSLA – лише проект. За словами Кертіса за повільний темп і більший простір проекту MATHUSLA потрібні значно простіше, ніж у випадку ВАК, електроніка та інженерія. За прогнозами вченого та його колег, витрати на побудову MATHUSLA складуть близько $50 млн, що просто копійки порівняно з багатомільярдними витратами на будівництво ВАК. Розробники MATHUSLA сподіваються, що Європейська організація ядерних досліджень (CERN), яка експлуатує ВАК, виділить кошти на MATHUSLA. Втім, вони також сподіваються на гранти від неєвропейських країн або, можливо, від окремих багатіїв.