Предложены два новых детектора для LHC

Рис. 1. Схема размещения предлагаемого детектора FASER (отмечен красным). Обратите внимание, что масштабы по вертикали и горизонтали различаются в двести раз. Рисунок из статьи J. Feng et al., 2017. FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC

Поиск явлений за пределами Стандартной модели идет на LHC широким фронтом, начиная от классических вариантов (суперсимметрия, неминимальные хиггсовские сектора, теории объединений) и заканчивая необычными проявлениями, которые встречаются в конкретных теоретических конструкциях. Эта интенсивная программа позволила резко усилить ограничения на многочисленные теоретические предложения, но так и не принесла пока долгожданного открытия. В этой ситуации теоретики, стараясь не отставать от экспериментаторов, предлагают всё новые варианты Новой физики, которые, в силу своего устройства, могли остаться незамеченными во всех предыдущих экспериментах, но которые можно обнаружить в специально поставленных экспериментах.

Проанализировав поток теоретических предложений, экспериментаторы, в качестве ответной меры, разрабатывают концепты новых детекторов и предлагают их на суд научного сообщества. Как правило, это небольшие и недорогие детекторы, заточенные под конкретный тип явлений и которые, к тому же, могут быть установлены прямо внутри существующих помещений. Иногда пространство для таких экспериментов находится в самых неожиданных местах, например в дренажной шахте над основным детектором (см. подробности в прошлогодней новости Предложен новый эксперимент для Большого адронного коллайдера).

30 августа две группы экспериментаторов выложили в архив электронных препринтов две статьи с предложениями новых детекторов для Большого адронного коллайдера. Цели, которые они преследуют, в общем-то близки: они пытаются отлавливать гипотетические частицы, которые очень слабо взаимодействуют с обычным веществом. Однако расположение детекторов, их технологии и тип частиц, к которым они будут чувствительны, различаются.

В первой статье, arXiv:1708.09389, предлагается детектор, названный авторами FASER, что расшифровывается как ForwArd Search ExpeRiment (Эксперимент по поиску в направлении вперед). Наподобие существующих уже LHCf и ALFA, он может быть установлен в окрестности крупного детектора ATLAS или CMS, прямо на оси столкновения протонов, но поодаль, в сотнях метров от «родительского» детектора (см. схему на рис. 1). Если в столкновениях протонов рождаются новые легкие частицы, почти не взаимодействующие с обычным веществом и не имеющие электрического заряда, то они в подавляющем большинстве случаев полетят прямо, не будут отклоняться вслед за пучками и попадут в новый детектор. Туда, конечно, могут попасть и обычные нейтральные частицы, например нейтроны. Чтобы эти частицы не мешали, перед детектором FASER будет установлен мощный поглощающий слой вещества.

Новые частицы могут, кстати, рождаться не только напрямую, но и в распадах нейтральных мезонов — и именно поэтому надо дать мезонам пролететь достаточно большую дистанцию для распада. По такому принципу будет работать другой эксперимент, SHiP. Но только он будет установлен не на LHC, а на предварительном ускорителе SPS, да и столкновения в нем будут выполняться на неподвижной мишени, а не в коллайдере. Нынешнее предложение подчеркивает, что аналогичный детектор можно установить и на LHC, причем он будет очень недорогим и для него уже есть место.

Вторая статья, arXiv:1708.09395, описывает новый детекторный элемент для уже существующего детектора LHCb. Называется он CODEX-b, что означает Compact Detector for Exotics at LHCb (Компактный детектор для поиска экзотики на LHCb). Как показано на рис. 2, его предполагается разместить прямо в том же подземном зале, в котором находится LHCb, а точнее, в отдельной хорошо заэкранированной комнате. В отличие от FASER, он расположен совсем не на оси столкновения, а под большим углом к ней. Новый детектор будет отлавливать долгоживущие нейтральные частицы с высокой проникающей способностью, которые тоже могут родиться прямо в столкновении или в распадах нейтральных мезонов.

Рис. 2. Схема размещения детекторного модуля CODEX-b в подземном зале детектора LHCb. Показан вид сверху; ось пучков проходит по вертикали в правой части этой схемы. Рисунок из статьи V. Gligorov et al., 2017. Searching for Long-lived Particles: A Compact Detector for Exotics at LHCb

Главная особенность, на которую нацелен детектор CODEX-b, это что новые частицы могут сами оказаться нестабильными, но с заметным временем жизни. Они пролетят несколько метров и распадутся на что-то заряженное, а значит, хорошо заметное. Если точка распада будет лежать внутри нового детектора, то он увидит характерную распадную «вилку» заряженных частиц, взявшуюся ниоткуда. Мы, кстати, уже рассказывали про поиски подобных метастабильных частиц в новости Поиск смещенных фотонов в детекторе ATLAS не выявил ничего необычного, но только здесь дистанция до распада побольше, да и варианты распада могут быть самые разные.

В целом, эти два детектора, вкупе с другими сходными предложениями, подчеркивают новую тенденцию в экспериментальной физике элементарных частиц. В ситуации, когда новые крупные коллайдерные проекты оказываются очень дорогими и неизбежно потребуют десятилетия для реализации, нужно по максимуму использовать нынешние установки, например LHC. Его можно оснастить целым семейством скромных по размерам и стоимости вспомогательных детекторов, которые будут решать ограниченный круг задач, но будут очень эффективно дополнять собой детекторы-гиганты.