На LHC разрабатываются новые детекторы для поиска долгоживущих частиц

Рис. 1. Предлагаемое место для размещения установки FASER — нового детектора LHC, который сможет отлавливать гипотетические долгоживущие нейтральные частицы. Рисунок из статьи FASER Collaboration, 2018. FASER's Physics Reach for Long-Lived Particles

Многие теории предсказывают существование новых долгоживущих частиц, способных пролететь десятки и сотни метров до распада. Такие частицы могут рождаться на LHC, но нынешние детекторы неспособны их обнаружить. За последние пару лет было предложено несколько новых детекторов для LHC, нацеленных на поиск таких частиц. Для двух установок, FASER и MATHUSLA, недавно были опубликованы первые технические описание и очерчен круг научных задач.

Ускорительная система Большого адронного коллайдера разгоняет протоны и ядра до рекордных энергий — и физики стараются по максимуму использовать этот научный потенциал. Во время сеанса Run 2 на LHC работали сразу семь экспериментов: четыре детектора-колосса (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) и три эксперимента небольших размеров (TOTEM, LHCf, MoEDAL). Такие детекторы-«малыши» позволяют изучать законы микромира в тех нестандартных ситуациях, к которым детекторы-гиганты нечувствительны. При этом новые знания добываются ценой скромных финансовых вложений, по крайней мере по сравнению со всем бюджетом LHC.

В ближайшем будущем список экспериментов на LHC будет расширяться. Физики предлагают новые идеи, прорабатывают технические аспекты новых установок и выносят на всеобщее обсуждение как сами проекты, так и их научные задачи. Мы уже писали про некоторые предложения такого сорта: эксперимент с неподвижной мишенью After@LHC, специальный детектор для поиска миллизаряженных частиц, а также два проекта детекторов для ловли гипотетических частиц с большим временем жизни — FASER и CODEX-b.

Это последнее направление получило дальнейшее и весьма активное развитие в 2018 году. Дело в том, что всё больше теоретических моделей Новой физики предсказывают, что, в дополнение к полностью стабильным частицам темной материи, могут существовать и другие умеренно тяжелые частицы с довольно большим временем жизни. Такие частицы могут без проблем рождаться на коллайдере в столкновениях протонов, но из-за очень слабого взаимодействия с обычным веществом они пролетают обычные детекторы насквозь, не оставляя в них почти никакого следа. Однако они могут распасться поодаль, на расстоянии в десятки и сотни метров от места рождения, и уже там дать заметный сигнал. Не исключено даже, что они уже рождались в больших количествах во время сеанса Run 2, но только существующие сейчас детекторы их просто не заметили. Если же поставить новые детекторы на большом удалении от места встречи, то появляется шанс их засечь.

На рис. 2 схематично показано, как могут быть расположены эти детекторы. В верхнем левом углу показано, что медленные новые долгоживущие частицы можно отлавливать прямо внутри крупных детекторов ATLAS или CMS, если они пролетают до распада насколько метров. Правда, для этого придется целенаправленно искать распады, слегка запаздывающие по времени относительно основной массы разлетающихся частиц. Если новые частицы пролетают от рождения до распада десятки метров, то они уже вылетят из детектора и распадутся поодаль. Детектор CODEX-b, который предлагается установить в подземном зале эксперимента LHCb (рис. 2, слева внизу), смог бы отлавливать такие частицы.

Рис. 2. Четыре предложения по поиску гипотетических долгоживущих частиц (LLP — long-live particle) в нынешних крупных детекторах (вверху слева) и в новых установках MATHUSLA (вверху справа), CODEX-b (внизу слева) и FASER (внизу справа). В случае детектора MATHUSLA, который будет находиться на поверхности земли, показан вид сбоку; в остальных случаях — вид сверху. Схема из статьи Asher Berlin, Felix Kling, 2018. Inelastic Dark Matter at the LHC Lifetime Frontier: ATLAS, CMS, LHCb, CODEX-b, FASER, and MATHUSLA

Когда дистанция до распада составляет сотни метров, ограничиваться одним подземным залом уже бессмысленно. Однако и такие частицы можно заметить, причем тут есть сразу две возможности. Во-первых, можно построить крупный надземный детекторный зал недалеко от детекторов ATLAS и CMS (рис. 2, вверху справа). Конечно, датчики элементарных частиц в этом помещении будут постоянно регистрировать космические лучи, но этот источник фона можно легко устранить — ведь космические лучи прилетают сверху, а искомые частицы должны прилетать из-под земли, из точки столкновения протонов. Именно такой принцип заложен в проекте MATHUSLA. В июне этого года в архиве препринтов вышла публикация с описанием его научных задач (arXiv:1806.07396), в августе прошло рабочее совещание, целиком посвященное этому проекту, и в результате в ноябре научному сообществу был представлен черновик технического проекта установки (arXiv:1811.00927).

Второй вариант (проект FASER) — установить новый небольшой детектор прямо внутри туннеля LHC, на оси столкновений протонов, но в полукилометре от места рождения гипотетических долгоживущих частиц (рис. 2, справа внизу). На таком расстоянии ускорительное кольцо — а вместе с ним и протонные пучки — уже поворачивает на заметный угол и уходит вбок. Но гипотетические нейтральные долгоживущие частицы ничего этого не чувствуют. Они полетят вперед, примерно вдоль оси пучков в месте столкновений, и попадут в детектор FASER. Уже даже подобрано удобное место для установки этого детектора: там, где туннель основного кольца LHC соединяется со вспомогательным туннелем Tl12, оставшимся с эпохи коллайдера LEP и сейчас уже не используемым (см. рис. 1).

Этот проект тоже активно развивается. В конце ноября была обрисована научная программа установки (arXiv:1811.12522), а на днях коллаборация выложила ее первый технический проект (arXiv:1812.09139). Более того, на прошедшем в конце ноябре 136-м совещании Комитета по экспериментам на LHC коллаборация FASER представила официальную заявку на включение этого эксперимента в научную программу сеанса Run 3. Изготовление детектора обойдется менее чем в миллион швейцарских франков, что очень немного по меркам LHC. И если ЦЕРН даст добро, детектор может быть собран и установлен в туннель во время двухлетней паузы LS2 и приступит к работе во время следующего сеанса коллайдера Run 3.

Конечно, никто не может гарантировать, что эти эксперименты обязательно найдут новые частицы и откроют тем самым дверь в Новую физику. Но это предостережение относится и ко всему LHC. Эпоха гарантированных коллайдерных открытий закончилась. Нам надо всё дальше вгрызаться в устройство микромира, и если недорогие установки типа FASER и MATHUSLA нам могут помочь, то грех этим не воспользоваться.