Fysik med lang levetid

Nye partikler produceret i LHC's højenergi-proton-proton-kollisioner hænger ikke længe. En Higgs-boson eksisterer i mindre end en tusindedel af en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund, før den henfalder til lettere partikler, som så kan spores eller stoppes i vores detektorer. Intet udelukker dog eksistensen af ​​partikler med meget længere levetid, og visse teoretiske scenarier forudsiger, at sådanne ekstraordinære objekter kan blive fanget i LHC-detektorerne, sidder der stille i dagevis.

CMS-samarbejdet har rapporteret nye resultater i sin søgen efter tunge langlivede partikler (LLP'er), som kan miste deres kinetiske energi og gå i stå i LHC-detektorerne. Forudsat at partiklerne lever i længere tid end et par tiere nanosekunder, deres forfald ville være synligt i perioder, hvor der ikke finder nogen LHC-kollisioner sted, producerer en strøm af almindeligt stof tilsyneladende ud af ingenting.

CMS-holdet ledte efter disse typer ikke-kollisionshændelser i eksperimentets tætteste detektormaterialer, hvor de langlivede partikler mest sandsynligt vil blive stoppet, baseret på LHC-kollisioner i 2015 og 2016. På trods af skuredata fra en periode på mere end 700 timer, intet mærkeligt blev opdaget. Resultaterne sætter de strammeste tværsnits- og massegrænser for hadronisk henfaldende langlivede partikler, der stopper i detektoren til dato, og de første grænser for standsede langlivede partikler produceret i proton-proton-kollisioner ved en energi på 13 TeV.

Standardmodellen, den teoretiske ramme, der beskriver alle de elementære partikler, blev bekræftet i 2012 med opdagelsen af ​​Higgs-bosonen. Men nogle af universets største mysterier forbliver uforklarlige, såsom hvorfor stof sejrede over antistof i det tidlige univers eller hvad mørkt stof præcist er. Langlivede partikler er blandt talrige eksotiske arter, der ville hjælpe med at løse disse mysterier, og deres opdagelse ville udgøre et klart tegn på fysik ud over standardmodellen. I særdeleshed, de henfald, der blev søgt efter i CMS, vedrørte langlivede gluinoer, der opstod i en model kaldet "split" supersymmetri (SUSY) og eksotiske partikler kaldet "MCHAMPs".

Mens søgningen efter langlivede partikler ved LHC gør hurtige fremskridt ved både CMS og ATLAS, konstruktionen af ​​en dedikeret LLP-detektor er blevet foreslået til LHC-æraen med høj lysstyrke. MATHUSLA (Massive Timing Hodoscope for Ultra Stable Neutral Particles) er planlagt til at være en overfladedetektor placeret 100 meter over enten ATLAS eller CMS. Det ville være en enorm (200 × 200 × 20 m) kasse, for det meste tomt bortset fra det meget følsomme udstyr, der bruges til at detektere LLP'er produceret i LHC-kollisioner.

Da LLP'er interagerer svagt med almindeligt stof, de vil ikke opleve nogen problemer med at rejse gennem klipperne mellem det underjordiske eksperiment og MATHUSLA. Denne proces ligner, hvordan svagt interagerende kosmiske stråler rejser gennem atmosfæren og passerer gennem Jorden for at nå vores underjordiske detektorer, kun omvendt. Hvis bygget, eksperimentet vil udforske mange flere scenarier og bringe os tættere på at opdage ny fysik.