Предложен новый эксперимент для Большого адронного коллайдера

Рис. 1. Плоскость параметров в теориях с миллизарядами: масса (по горизонтали) и заряд Q (по вертикали) миллизаряженных частиц. Цветом показаны области, уже закрытые другими экспериментами. Черной и синей линиями показаны дополнительные области, которые сможет проверить новый эксперимент. Рисунок из обсуждаемой статьи

Большой адронный коллайдер сам по себе — это лишь ускоритель, организующий протонные столкновения, а последствия этих столкновений изучают уже детекторы. В настоящее время на LHC действуют семь детекторов, или на языке физиков, семь экспериментов: четыре гигантских установки и три скромных по масштабам вспомогательных эксперимента (TOTEM, LHCf, MoEDAL). Эти три маленькие установки заточены под свои узкоспециальные задачи. Они не могут тягаться с крупными многоцелевыми детекторами в решении подавляющего большинства задач, но зато способны анализировать процессы, к которым детекторы-гиганты не приспособлены. Они намного дешевле и позволяют относительно малыми силами проводить дополнительные измерения. Результаты этих экспериментов время от времени появляются в нашей ленте новостей.

На днях в архиве электронных препринтов было опубликовано официальное предложение по запуску еще одного небольшого эксперимента для поиска так называемых миллизаряженных частиц, или миллизарядов (A Letter of Intent to Install a milli-charged Particle Detector at LHC P5).

Миллизаряды — это гипотетические частицы, которые возникают в некоторых теориях Новой физики. Они взаимодействуют друг с другом за счет некоторого нового взаимодействия, к которому все обычные частицы равнодушны. Однако новое взаимодействие слегка смешивается с электромагнитным, и в результате возникает побочный эффект — новые частицы будут чуть-чуть чувствовать и обычное электрические поле, так, словно у них есть очень маленький электрический заряд, например, в тысячные доли заряда электрона. Подробнее читайте в новости Гипотеза миллизарядов обретает второе дыхание, «Элементы», 20.09.2006.

Предположим, что эта гипотеза верна. Тогда миллизаряды должны активно рождаться на Большом адронном коллайдере и, пронзая детекторы насквозь, разлетаться прочь. Для обычных детекторов они практически незаметны. Они, конечно, создают некоторую ионизацию на своем пути, но, из-за исключительно малого заряда частиц, ионизация очень слаба, и детектор не опознает в пролетевшем объекте частицу. Предложенный в новой статье эксперимент должен скомпенсировать «слепоту» уже работающего детектора (в данном случае, CMS) на такие частицы. На рис. 1 показано, какую область параметров сможет прощупать новый эксперимент и как она соотносится с прошлыми достижениями.

По задумке авторов, новый детектор будет представлять собой многослойный сцинтилляторный блок размером метр на метр и длиной три метра. Его предполагается установить поодаль от CMS так, чтобы он длинной своей стороной смотрел в направлении точки столкновений. Миллизаряженная частица, родившись в точке столкновений, почти не отклонится магнитным полем детектора, пролетит сквозь эту слойку, и оставит в ней слабенький ионизационный след. Сцинтиллятор превратит ионизацию в свет, который будут собирать фотодатчики. Количество света будет совсем мизерное (несколько фотонов для частицы с зарядом в одну тысячную от заряда электрона), но достаточно чувствительные и низкошумящие фотодетекторы смогут его уловить.

Конечно, сквозь детектор будут пролетать и посторонние частицы, в основном мюоны, либо родившиеся в коллайдере при столкновении протонов, либо прилетевшие сверху, из потока космических лучей. Но их легко отличить от миллизарядов — ведь каждый мюон создаст большую ионизацию и породит тысячи фотонов. Поэтому главный источник фона — не физический, а инструментальный, это темновой ток фотоумножителей.

Рис. 2. Схема расположения предлагаемого эксперимента относительно подземного зала детектора CMS и инструментальных шахт. Рисунок из обсуждаемой статьи

Поскольку детектор CMS расположен в подземном зале, где каждый кубометр на счету, найти пространство для новой установки оказалось непростой задачей. Авторы сообщают, что подходящим местом будет дренажная шахта над детектором (рис. 2). Там имеется достаточно пространства, чтобы расположить не только сам многотонный детектор, но и опорные конструкции, охлаждающую систему, и электронику.

Авторы статьи предложили такой план работ. Вначале создается маленький прототип детектора, который можно будет установить в последний год сеанса Run 2. После всесторонней оценки можно будет приступать к изготовлению полной установки, которую можно установить во время следующей длинной паузы на модернизацию (2019–2020 годы). После краткого сеанса калибровки детектор будет готов набирать статистику в ходе сеанса Run 3, который стартует в 2021 году. Но, разумеется, перед тем, как стартуют работы, потребуется одобрение нового эксперимента Комитетом по экспериментам на LHC.