Dodano: 07 marzec 2019r.

Poszukiwania egzotycznych cząstek w LHC. FASER - nowy eksperyment z polskim akcentem

Rada Badań CERN zatwierdziła nowy eksperyment w Wielkim Zderzaczu Hadronów o nazwie FASER. Jego celem ma być poszukiwanie egzotycznych cząstek, które mogą być związane z ciemną materią. Jednym z pomysłodawców eksperymentu jest dr Sebastian Trojanowski z Zakładu Fizyki Teoretycznej Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

 

Naukowcy zarządzający Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC) dali zielone światło do budowy multidetektora, który będzie szukać nowych cząstek elementarnych. FASER ma skupić się na poszukiwaniu lekkich, niezwykle słabo oddziałujących cząsteczek, które dotychczas wymykały się naukowcom.

Koncepcję multidetektora zaproponował polski uczony dr Sebastian Trojanowski z Zakładu Fizyki Teoretycznej Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) oraz trzech współpracujących z nim na stypendium na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine fizyków – czytamy na stronach internetowych NCBJ.

Nowy eksperyment ma na celu rozszerzenie potencjału naukowego akceleratora i infrastruktury CERN. Odpowiada także na zainteresowanie nieznanymi cząstkami, szczególnie tymi długowiecznymi oraz ciemną materią.

 

Uczeni mają nadzieję, że dzięki eksperymentowi FASER uda się znaleźć nieznane jeszcze cząstki, które mogą powstawać w zderzeniach protonów. Takie egzotyczne cząstki nie zostały dotąd zarejestrowane ze względu na ich słabe oddziaływanie z materią detektora, ale naukowcy spodziewają się, że mogą one istnieć.

- Siedem lat temu naukowcy odkryli w Wielkim Zderzaczu Hadronów bozon Higgsa, kończąc tym samym pewien rozdział w poszukiwaniu podstawowych cegiełek, z których zbudowany jest Wszechświat, ale teraz szukamy nowych cząstek – powiedział zaangażowany w projekt profesor fizyki i astronomii Jonathan Feng. - Problem ciemnej materii pokazuje, że nie wiemy z czego składa się większość Wszechświata, więc jesteśmy pewni, że są tam nowe, nieznane jeszcze cząstki – dodał.

- Cząstki takie - jeśli są odpowiednio lekkie, jeśli powstają dość rzadko i na dodatek lecą wzdłuż osi wiązki zderzających się protonów, mogły dotychczas umykać uwadze eksperymentatorów. Trudno byłoby je na przykład zobaczyć jako wyraźny sygnał brakującej energii w bilansie energetycznym produktów zderzenia. Szansą na ich ewentualne wykrycie jest ustawienie detektora w pewnej odległości od punktu produkcji i próba zarejestrowania oczekiwanych produktów rozpadów. Warunkiem powodzenia takiego scenariusza jest, by masa poszukiwanych cząstek była większa niż łączna masa najlżejszych produktów ewentualnego rozpadu - na przykłada pary elektron-pozyton – wyjaśnił cytowany w komunikacie na stronach NCBJ dr Trojanowski.

Eksperyment FASER ma wystartować w 2021 roku i planowany jest na pięć lat. Zespół naukowy eksperymentu ma składać się z 30-40 badaczy z instytucji w Europie, Chinach, Japonii i Stanach Zjednoczonych. To stosunkowo niewielki zespół w porównaniu do innych działających w LHC.

Sam instrument FASER ma być równie kompaktowy, co zespół. Ma mieć średnicę jednego metra i długość pięciu metrów. Zostanie umieszczony w określonym punkcie wzdłuż 27-kilometrowej pętli LHC, a dokładnie w tunelu serwisowym około pół kilometra od potężnego detektora ATLAS, w którym odkryto bozon Higgsa. Układ ma składać się ze scyntylatorów, magnesów, detektorów śladu i kalorymetru mierzącego energię produktów, jeśli rzeczywiście dojdzie do poszukiwanego rozpadu. FASER będzie zbierać dane za każdym razem, gdy będzie działał detektor ATLAS.

- Jedną z zalet naszego projektu jest to, że mogliśmy pożyczyć wiele komponentów do budowy FASER - detektorów krzemowych, kalorymetrów i elektroniki - od funkcjonujących już eksperymentów w LHC - powiedział Jamie Boyd z CERN, również zaangażowany w projekt. To znacznie ograniczy koszty budowy urządzenia.

FASER będzie poszukiwał zestawu hipotetycznych cząstek, w tym tak zwanych „ciemnych fotonów”, czyli cząstek, które są związane z ciemną materią. Naukowcy od lat intensywnie poszukują nowych, nieznanych dotąd postaci materii. Obserwacje astronomiczne dostarczają trudnych do podważenia argumentów, że we Wszechświecie istnieje nieznana nam dotąd materia, która z atomami, z których składamy się my oraz wszystko co znamy, oddziałuje głównie siłami grawitacji.

Choć według obliczeń tej nieznanej nam, ciemnej materii jest znacznie więcej we Wszechświecie niż normalnej materii, to do tej pory nie udało się jej zaobserwować ani wytworzyć. Proponowany eksperyment jest jedną z wielu propozycji inspirowanych tą zagadką. Cząstki, których poszukiwać będzie FASER, mogłyby być pierwszym elementem na drodze do jej rozwikłania. Ewentualne negatywne wyniki także wzbogacą naszą wiedzę i wykluczą niektóre teoretyczne koncepcje – czytamy na stronach NCBJ.

 

Źródło: CERN, NCBJ, fot. CERN