Nowe kierunki badań w Wielkim Zderzaczu Hadronów

Badacze z całego świata będą po raz drugi debatować nad przyszłością nowego kierunku badań w Wielkim Zderzaczu Hadronów pod Genewą, który ma zaowocować szczegółowymi pomiarami wysokoenegetycznych neutrin oraz otworzy nowe drogi poszukiwań ciemnej materii. Współautorem dyskutowanej propozycji nowego eksperymentu FLArE jest dr Sebastian Trojanowski z AstroCeNT i Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ.

Planowane ponowne uruchomienie Wielkiego Zderzacza Hadronów jest jednym z najbardziej wyczekiwanych wydarzeń w świecie fizyki. Przy tej okazji, zostanie również zainicjowany nowy kierunek badań w LHC, obejmujący pomiary wysokoenergetycznych neutrin oraz poszukiwania śladów nowej fizyki w kierunku wzdłuż osi wiązki zderzenia protonów. Ten nietypowy sposób wykorzystania zderzacza został zaproponowany przez autorów koncepcji detektora FASER (odnośniki w uzupełnieniu). Jednym z jego pomysłodawców był dr Sebastian Trojanowski związany z ośrodkiem badawczym AstroCeNT przy Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN oraz z Narodowym Centrum Badań Jądrowych.

Choć eksperyment FASER ma dopiero zacząć zbierać dane w najbliższym czasie, to już zadajemy sobie pytanie, jak rozwinąć ten pomysł do jeszcze ambitniejszego projektu w dalszej przyszłości – mówi dr Trojanowski. Dyskusje na ten temat zgromadzą w dniach 27-28 maja (w formule zdalnej) około 100 badaczy z całego świata zajmujących się fizyką cząstek elementarnych. Na spotkaniu inżynierowie z CERN zaprezentują również wstępne plany dotyczące budowy nowego laboratorium podziemnego, które mogłoby pomieścić większą liczbę eksperymentów skupionych wzdłuż osi wiązki zderzenia. Jest to projekt długofalowy, który ma na celu maksymalizację potencjału badawczego obecnego zderzacza, który powinien służyć nauce jeszcze wiele lat.

Wśród kilku eksperymentów proponowanych do umieszczenia w nowym laboratorium jest m.in. bezpośredni spadkobierca detektora FASER. Eksperyment, nazwany roboczo FASER 2, znacząco poszerzyłby potencjał odkrywczy obecnego detektora. Choć ani obecny, ani proponowany przyszły eksperyment nie dają możliwości bezpośredniej obserwacji ciemnej materii, to umożliwiają one poszukiwanie postulowanych teoretycznie niestabilnych cząstek, które mogą pośredniczyć w jej oddziaływaniach.

O krok dalej idą autorzy kwietniowego artykułu opublikowanego w czasopiśmie Physical Review D, prof. Brian Batell z Uniwersytetu w Pittsburgu w USA, prof. Jonathan Feng z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine oraz dr Trojanowski. Proponują oni sposób na bezpośrednią obserwację lekkich cząstek ciemnej materii w nowym laboratorium. W tym celu sugerują umieszczenie tam nowego detektora, nazwanego FLArE (ang. Forward Liquid Argon Experiment), wykorzystującego technologię ciekło-argonowej komory projekcji czasowej oraz wstępny sygnał w postaci błysku (ang. flare) scyntylacyjnego. Detektor taki byłby nowym narzędziem do bezpośredniego poszukiwania cząstek ciemnej materii poprzez badanie ich oddziaływań przy bardzo wysokich energiach oraz przy laboratoryjnie kontrolowanym strumieniu takich cząstek. Jest to metoda wysoce komplementarna względem obecnych podziemnych eksperymentów poszukujących cząstek pochodzących z kosmosu lub produkowanych przez promieniowanie kosmiczne – argumentuje dr Trojanowski.

Pomysł na nowy detektor FLArE został błyskawicznie włączony we wstępne plany inżynieryjne nowego laboratorium oraz w dyskusje eksperymentalne, również te dotyczące przyszłych badań neutrin w LHC. Czas pokaże, czy projekt ten będzie kolejnym sukcesem na miarę FASERa, czy też zostanie zastąpiony jeszcze lepszym rozwiązaniem – komentuje dr Trojanowski. Jedno jest pewne: fizycy nie próżnują i nie ustają w wysiłkach w celu lepszego poznania praw rządzących naszym światem.

Wielki Zderzacz Hadronów LHC