Atom smasher可以制造隐藏在视线范围内的新美高梅游戏

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在模拟事件中,衰变美高梅游戏的轨迹称为μ子(红色),从美高梅游戏碰撞的中心稍微位移,可能是新物理的标志。

阿特拉斯实验©2019欧洲核子研究中心
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新的美高梅游戏是否在物理学家的鼻子下实现并且被忽视了? 一些研究人员表示,世界上最大的原子撞击者,大型强子对撞机(LHC),可能会制造出穿过探测器的长寿命美高梅游戏。 下周,他们将聚集在LHC的家,CERN,瑞士日内瓦附近的欧洲美高梅游戏物理实验室,讨论如何捕获它们。 他们认为大型强子对撞机的下一次运行应该强调这种搜索,有些人正在呼吁新的探测器可以嗅出逃逸美高梅游戏。

这是焦虑所带来的推动力。 2012年,价值50亿美元的大型强子对撞机的实验者发现了希格斯玻色子,这是由美高梅游戏和力的标准模型预测的最后一个美高梅游戏,也是解释基本美高梅游戏如何获得质量的关键。 但大型强子对撞机还没有超出标准型号。 “我们没有找到任何新的物理学,我们开始使用这些假设,所以我们可能需要改变这些假设,”哥伦布俄亥俄州立大学物理学家Juliette Alimena说,他与Compact Muon Solenoid(CMS)合作,由LHC供给的两个主要美高梅游戏探测器。

几十年来,物理学家们依靠一种简单的策略来寻找新的美高梅游戏:在更高的能量下将质子或电子粉碎在一起,产生重的新美高梅游戏,并观察它们在巨大的桶形探测器内瞬间衰变成更轻,熟悉的美高梅游戏。 这就是CMS和它的竞争对手A环形LHC装置(ATLAS)发现希格斯的方法,它在万亿分之一秒内可以衰变成一对光子或两个较轻美高梅游戏的“射流”。

然而,长寿命的颗粒在腐烂之前会穿过部分或全部探测器。 台北国立台湾大学的理论家Giovanna Cottin说,这个想法不仅仅是黑暗中的一个镜头。 “几乎所有超标准模型物理的框架都预测了长寿命美高梅游戏的存在,”她说。 例如,一种称为超对称的方案假定每个标准模型美高梅游戏都有一个较重的超级分配器,其中一些可能是长寿命的。 长期存在的美高梅游戏也出现在“暗区”理论中,这些理论设想不可检测的美高梅游戏仅通过“舷窗”美高梅游戏与普通物质相互作用,例如暗光子,它们经常会在美高梅游戏相互作用中取代普通光子。

然而,CMS和ATLAS设计用于检测瞬间衰变的颗粒。 像洋葱一样,每个探测器都包含多层子系统 - 跟踪带电美高梅游戏的跟踪器,测量美高梅游戏能量的量热计,以及探测穿透的特别是称为μ子的方便美高梅游戏的腔室 - 所有这些都围绕着加速器质子束碰撞的中心点排列。 在衰变之前飞行几毫米的美高梅游戏将留下不寻常的特征:扭曲或偏移的轨道,或者逐渐出现的喷射而不是全部。

伊利诺斯州芝加哥大学的ATLAS成员Tova Holmes指出,标准数据分析常常假设这些奇怪的错误和垃圾,他们正在寻找长寿命超对称美高梅游戏衰变的位移轨迹。 “这是一个挑战,因为我们设计的方式,以及人们编写的软件,基本上拒绝这些东西,”她说。 所以Holmes和同事不得不重写一些软件。

更重要的是确保探测器首先记录奇数事件。 大型强子对撞机每秒将一束质子聚集在一起4000万次。 为了避免数据过载,CMS和ATLAS上的触发系统从枯燥的碰撞中筛选出有趣的碰撞,并立即丢弃每20,000次碰撞中19,999次的数据。 剔除可能会无意中抛出长寿命的颗粒。 Alimena及其同事希望寻找能够长时间停留在CMS热量计中并且稍后衰变的颗粒。 所以他们不得不放入一个特殊的触发器,偶尔会在质子碰撞之间读出整个探测器。

北卡罗来纳州达勒姆杜克大学的ATLAS实验者James Beacham表示,长期的美高梅游戏搜索一直是边缘努力。 “这一直是一个人在做这事,”他说。 “你的支持小组是你在办公室。” 现在,研究人员正在联手。 3月份,其中182人发布了一份301页的白皮书,介绍如何优化搜索。

有些人希望ATLAS和CMS在2021年至2023年的下一次LHC运行中为更长时间的美高梅游戏搜索投入更多的触发器。事实上,下一次运行“可能是我们寻找不寻常罕见事件的最后机会,”Livia Soffi说,来自罗马Sapienza大学的CMS成员。 之后,升级将增加LHC光束的强度,需要更严格的触发。

其他人已经提出了六个新的探测器来搜索如此长寿的美高梅游戏,以至于它们完全逃离了大型强子对撞机现有的探测器。 加州大学欧文分校的理论家Jonathan Feng及其同事赢得了CERN对前向搜索实验(FASER)的批准,这是一种小型跟踪器,可放置在距离ATLAS光束线480米处的服务隧道中。 由私人基金会提供的200万美元和借来的部件构成,FASER将寻找低质量的美高梅游戏,如暗光子,这些美高梅游戏可以从ATLAS喷出,拉过介入的岩石,然后衰变成电子 - 正电子对。

另一项提案要求在LHCb旁边的空荡荡的大厅中设置一个跟踪室,这是一个由大型强子对撞机提供的较小的探测器。 LHCb的紧凑型探测器将寻找长寿命的美高梅游戏,特别是那些出生于希格斯衰变的美高梅游戏,Vladimir Gligorov说,他是巴黎核物理和高能量实验室的LHCb成员。

更加雄心勃勃的是一个名为MATHUSLA的探测器,它基本上是地下CMS探测器上方表面上的一个大型空建筑物。 加拿大多伦多大学的理论家兼项目联合负责人大卫科廷说,天花板上的跟踪室将探测从70米深处产生的长寿命颗粒的衰变喷出的喷流。 科廷“乐观”,MATHUSLA的成本将低于1亿欧元。 “鉴于它对这一系列广泛的签名非常敏感 - 而且我们还没有看到其他任何东西 - 我说这是一个明智的选择。”

Beacham说,物理学家有责任寻找奇怪的美高梅游戏。 “噩梦般的情景是,在20年后,吉尔理论家说,'你没有看到任何东西的原因是你没有保留正确的事件并做正确的搜索。'”

*更正,5月23日,下午12:25: 故事已更新,以纠正LHC碰撞质子束和探测器记录事件的速率,并反映James Beacham的正确归属。