Большой адронный коллайдер (БАК), расположенный в лаборатории ЦЕРН на границе Швейцарии и Франции, был построен более десяти лет назад с двумя целями. Во-первых, установить существование бозона Хиггса, краеугольной частицы Стандартной модели физики частиц, предсказанной еще в 1960-х годах, а во-вторых, найти любые новые частицы, особенно те, которые могли бы подтвердить одну из многочисленных конкурирующих физических теорий, выходящих за рамки Стандартной модели.

Но если в поисках Хиггса, существование которого было подтверждено учеными ЦЕРН в 2012 году, БАК добился успеха, то в поисках новых частиц «разрушитель атомов» потерпел неудачу. Несмотря на более чем десятилетний поиск, коллайдер не обнаружил никаких следов физики, выходящей за рамки Стандартной модели.

Неспособность найти новые частицы — это не совсем плохо. Постоянные отрицательные результаты опровергают многие альтернативные модели, а это значит, что ученые, по крайней мере, знают, какие идеи плохи и над ними больше не стоит работать. Но отсутствие положительных результатов также оставляет современную физику частиц в неведении, не давая практически никаких подсказок о том, какие гипотетические идеи еще стоит продолжить.

БАК, как бы ни был он силен в наблюдении за субатомными частицами, все же имеет слепое пятно. Он был разработан с учетом некоторых гипотетических частиц, особенно тех, которые имеют электрический заряд и не живут долго. А есть класс гипотетических частиц, известных как долгоживущие нейтральные частицы, которые могут незаметно проскользнуть мимо двух основных детекторов БАКа. Таким образом, гигантская машина могла открывать новую физику каждый день, но эти частицы были необнаружимы.

Этот факт не остался незамеченным для разработчиков БАКа. Вскоре после начала работы коллайдера собралась команда, чтобы разработать дополнительный детектор для поиска долгоживущих частиц. Этот детектор, известный как MATHUSLA — названный в честь Мафусаила, библейского персонажа, который предположительно прожил более 900 лет, и обозначающий MAssive Timing Hodoscope for Ultra-Stable neutraL pArticles — находится на завершающей стадии разработки, говорится в докладе более чем 30 ученых, участвующих в проекте, опубликованном 26 марта на сервере препринтов arXiv.

Если финансирование будет идти по плану, команда надеется начать строительство в этом году.

Пробуждение МАТХУСЛЫ

MATHUSLA будет представлять собой гигантскую камеру 130 футов (40 метров) в поперечнике, заполненную только воздухом и окруженную блоками детекторов. Она будет размещена на расстоянии около 330 футов (100 м) от основного пучка коллайдера, а пространство между ними будет заполнено грязью и камнем.

В физике частиц «долгоживущий» — понятие относительное. В данном случае время жизни многих гипотетических частиц составляет около нескольких сотен наносекунд — целая вечность по сравнению с подавляющим большинством частиц, которые в настоящее время изучаются на БАК.

Если MATHULSA сработает, дополнительный детектор будет ждать, пока одна из этих долгоживущих частиц попадет в основную камеру. Там она распадется на множество других частиц, а банки датчиков будут искать их свечение.

Долгоживущие частицы могут дать физикам представление о детальной природе бозона Хиггса, возможных спутниках Хиггса и объяснить, почему сила гравитации так слаба. Возможно, они даже помогут раскрыть сущность темной материи — загадочного вещества, которое, согласно прогнозам, составляет около 85 % всей материи во Вселенной и до сих пор остается практически неизвестным для науки.

С такими захватывающими результатами, которые потенциально могут быть достигнуты, давайте надеяться, что нам не придется ждать 900 лет, пока MATHUSLA будет построена.

Установка MATHUSLA позволит расширить возможности БАК по поиску новых частиц, в частности, долгоживущих нейтральных частиц, которые ранее оставались незамеченными. Существующие детекторы БАК не оптимизированы для обнаружения таких частиц, что создает «слепое пятно» в исследованиях.

Предполагается, что MATHUSLA будет представлять собой большую камеру, расположенную на некотором расстоянии от основного пучка коллайдера. Ее конструкция позволит регистрировать распад долгоживущих частиц, которые смогут проникать через окружающие материалы и достигать камеры.

Обнаружение долгоживущих частиц может привести к прорывам в понимании фундаментальных вопросов физики, включая природу бозона Хиггса, гравитации и темной материи. Эти частицы могут дать новые сведения о взаимодействиях и свойствах, которые выходят за рамки Стандартной модели.

Проект MATHUSLA находится на завершающей стадии разработки, и команда ученых надеется начать строительство в ближайшее время, при условии достаточного финансирования. Ожидается, что установка будет играть важную роль в будущих исследованиях на БАК и сможет открыть новые горизонты в физике частиц.