세계에서 가장 강력한 입자 가속기 인 제네바 근처의 CERN 실험실의 대형 Hadron Collider (LHC)는 입자 물리학 표준 모델을 넘어 물리학자를 이끌어 낼 수있는 희망적인 입자를 찾지 못했습니다. 그러나 LHC가 그러한 중추적 인 새로운 입자를 모두 생산해 왔으며 우리는 그것들을 보지 못할 수도 있습니다.
메릴랜드 대학교의 물리학자인 데이비드 커틴 (David Curtin)은“이 이야기의 핵심은 LHC가 완전히 보이지 않는 입자를 만들 수 있다는 것입니다. 밀리미터 또는 많은 킬로미터에 관계없이 생산 지점에서 어느 정도 떨어진 거리를 붕괴시킬 수 있다는 것입니다.
이러한 가상의 입자는 "오래 지속된다"라고 불립니다. 왜냐하면 그들의 수명은 LHC가 검출하도록 설계된 수명을 훨씬 능가하기 때문입니다. LHC가 실제로 이러한 입자를 생산한다면, 일부는 가속기의 지하 터널에서 도망 치고 지구를 촬영하고 근처의 농장 분야 위의 하늘에서 불꽃 놀이처럼 폭발 할 가능성이 높습니다.
.그 불꽃 놀이를 포착하기 위해, 그들이 존재한다고 가정 할 때, 워싱턴 대학교의 Curtin과 공동 작업자 Henry Lubatti와 Rutgers University의 John Paul Chou는 그 분야에 서있는 거대한 새로운 탐지기를 건설 할 것을 제안했습니다. 세 사람은 최근에 그들의 제안을 Physics Letters B 에 발표했습니다. , 그들의 탐지기 Mathusla (고문이있는 물리학의 약어의 대전 전통에서 매우 안정적인 중성 입자를위한 대규모 타이밍 조류를 의미합니다). 이름은 900 년 이상 살았던 신화적인 인물에게 끄덕임입니다.
CERN의 이론 부서를 이끌고있는 Gian Giudice는“이와 같은 실험은 실제로 우리 시대의 표현이라고 생각합니다. 그는 수년 동안“탐사를위한 올바른 방향에 대한 신념 의식”이 있었으며,이 분야는 Supersymmetry라는 이론에 의해 예측 된 단기 입자를 찾기위한 노력으로 이끌었다. 그러나 이러한 입자는 계획대로 나타나지 않았습니다. "이제 우리는 새로운 방향과 새로운 동기를 찾고 있으며 이것이 정말로 변화하고 있습니다."
.불행히도, 수명이 길은 입자는 감지하기 어렵다. 좋은 소식은 LHC가 발견하고 계속 생산 한 새로운 입자에서 비롯된 최선의 희망은 다음과 같습니다. Higgs Boson.
iggs 쌍둥이
2012 년 Higgs의 발견은 물리학 자들이 한 번에 두 가지를 주었다.
표준 모델의 문제는 HIGGS의 측정 된 질량이 양자 역학이 제안 해야하는 것보다 약 1 억 10 억 배 더 작다는 사실에 있습니다. 표준 모델의 관점에서 볼 때, 이것은 우주의 기본 빌딩 블록의 가치와 관련된 우연의 결과로 만 사실 일 수 있습니다. 물리학 자들은이 상황을“계층 구조 문제”라고 부르며 표준 모델이 iggs 대중을“자연스럽게”설명 할 수있는 더 포괄적 인 이론의 근사치라는 증거로 본다.
초대칭은 오랫동안보다 포괄적 인 이론의 주요 후보였다. 표준 모델의 각 입자에 대한 하나의 파트너 입자 인 새로운 입자를 통해 계층 구조 문제를 해결합니다. 그러나 LHC에서 나오는 슈퍼 파트너의 징후가 없기 때문에 일부 물리학 자들은 계층 구조 문제를 해결하는 입자가 숨겨진 부문이라고 불리는 가능성을 심각하게 고려하고 있습니다.
숨겨진 부문은 서로 상호 작용할 수 있지만 표준 모델의 세 가지 힘 (강하고 전자기 및 약한)의 영향을 느끼지 않는 입자 제품군입니다. 그들은 일반적인 물질과 직접 상호 작용하지 않으므로 감지하기가 매우 어렵습니다. 그러나 2000 년대 초 메릴랜드 대학교의 물리학 자 Zackaria Chacko는 숨겨진 입자 부문이 계층 구조 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다고 2000 년대 초반 에이 아이디어를 처음 제안한 사람 중 한 명인 Zackaria Chacko는 말했다. "순진하게, 당신이 그것에 대해 생각할 수있는 방법은 표준 모델 입자가 그들의 iggs를 끌어 당기고 iggs를 무겁게 만들고 싶어한다"고 그는 말했다. "그리고 당신은 그것을 뒤로 끌어내는이 숨겨진 부문을 가지고 있습니다."
Chacko의 모델은 다른 모든 표준 모델 입자와 마찬가지로 Higgs는 숨겨진 부문에 쌍둥이가 살고 있기 때문에 "Twin Higgs"라고합니다. Higgs는 표준 모델 부문, 즉 우리가 살고있는 세상을 떠날 수있는 능력으로 인해 특별한 역할을 할 것입니다.
이것이 정말로 일어나고 있습니까? LHC의 양성자-프로 톤 충돌은 시간당 수백 개의 iggs 보손을 생성하지만, 이들은 충돌로부터 지속적으로 뿌려지고 가속기 탐지기를 습격하는 소수의 입자 폭동입니다. 그들 중 일부만 계산할 수 있습니다. 지금까지 수집 된 데이터를 기반으로 LHC의 Higgs Bosons의 4 분의 1에 달하는 것은 숨겨진 부문의 그림자로 미끄러질 수 있습니다.
이러한 도망자를 추적하는 것은 2014 년 메릴랜드의 Chacko의 동료 인 Raman Sundrum을 포함한 팀이 발견 한 것이 아니라면 실제로 희망이 없습니다. Sundrum이 LHC에서 새로운 발견의 부족에 대한“특정 수준의 절망”으로 묘사 한 것에 도달 한 후, 그와 그의 공동 작업자들은 Chacko의 모델을 두 번째 모습으로 주었고 숨겨진 입자로 인해 자연을 회복시킬 수있는 이론 중 하나라는 것을 깨달았습니다. 그들은 또한 일반적인 경우, iggs가 쇠퇴하는 숨겨진 입자 중 일부는 숨겨져 있지 않다는 것을 발견했습니다. 대신, 그들은 1 초 만에 붕괴되며, 이는 여전히 아 원자 표준에 의해 여전히 메투 셀라와 같은 수명 인 표준 모델 입자로 돌아갑니다. 이러한 입자는 LHC 또는 그 근처에서 발견 될 수 있습니다.
오하이오 주립 대학의 물리학 자이자 CMS의 수석 멤버 인 크리스토퍼 힐 (Christopher Hill)은“Atlas가 다른 두 팀 중 하나 인 CMS의 선임 멤버 인 크리스토퍼 힐 (Christopher Hill)은“항상 이런 것들이 나올 수 있고 우리는 그것을 알지 못합니다. 힐은 아틀라스에서 일하는 뉴욕 대학교의 물리학자인 앤디 하스와 협력하여 밀리 칸 (Milliqan)이라는 숨겨진 부문 입자를 찾는 다른 제안을 뒤덮고 있습니다. 실험의 이름은 전자 전하를 처음으로 측정 한 Robert Millikan에게 암시되지만 Millikan의 측정 중 1 천분의 전하가 작은 입자를 찾고 있다는 사실을 강조하여 "밀리 히카지드"를 만들었습니다.
.Hill은“우리는 Milliqan과 다른 포털을 쫓고있었습니다. 이 포털을 통해 일반적인 광자는 숨겨진 섹터의 "어두운"광자로 변형 될 수 있습니다. 이 경우, 숨겨진 섹터의 전자 유사 입자는 표준 모델 부문에서 밀리치 백화 된 입자로 나타납니다.
숨겨진 부문과 포털은 Sundrum이 고백 한 절망의 일종의 물리학 자들에 의해 고안된 공상 과학 소설처럼 의심스럽게 들릴 수 있지만, 우리는 이미 자연 이이 게임을 한 적어도 하나의 사례를 알고 있습니다. 암흑 물질은 우리가 그것에 대해 아무리 아는 것이더라도 다른 부문이 표준 모델을 넘어 존재한다는 강력한 증거를 제시합니다.
실제로, 물리학 자들은 오랜 입자와 숨겨진 부문을 호출하여 암흑 물질과 같은 문제와 우주의 문제 비대칭과 같은 문제를 포함하여 현재 물리학을 괴롭히는 거의 모든 근본적인 문제를 해결했습니다. 뉴저지 프린스턴의 고급 연구 연구소의 물리학자인 Nima Arkani-Hamed는“숨겨진 부문을 찾는 아이디어는 너무나 자연스럽고 동기 부여되고 흥미롭고 흥미 롭습니다.
그러나 숨겨진 부문을 찾는 것은 애매한 장기 입자를 피하는 것을 의미합니다.
헛간의 불꽃 놀이
"긴 생애 - 여러분, 이건 미쳤어!" Curtin은 작년 워크숍에서 발표를 회상합니다. “할 수있는 일은 없습니다. 편향 할 수없고, 덫을 놓을 수없고, 산란을 만들 수는 없습니다. 그것은 단지 꺼지고, 대체가 원할 때마다 부패 할 것입니다. 그리고 당신은 그것이 부패 할 때 바로 거기에 있어야합니다.”
Curtin은 청중에게 도움을 요청했습니다.
Lubatti와 Chou는 이미 Atlas와 CMS에서 각각 수명이 길어진 입자를 검색하고있는 실험가들입니다. Endeavor Lubatti는“Haystack에서 바늘을 찾고 있는데, 우리는 어느 Haystack이 확실하지 않습니다.”는 워크숍에 참석했습니다. 다음 토론은 궁극적으로 Mathusla 협업을 초래했습니다. 수개월 간의 회의, Skype 통화 및 시뮬레이션 후, 3 명은 예비 디자인을 수행했습니다. 20 미터 높이의 건물은 7 개의 축구장보다 큰 지역을 커버합니다. 입자 추적기의 5 층은 천장에 매달려 연구원들이 거대한 공간에서 발생하는 입자 붕괴의 아 원자 파편을 재구성 할 수 있습니다. 구조는 아틀라스 또는 CMS 탐지기 위에지면에 지어져 있으며, 약 100 미터의 먼지와 암석은 아래 아래에있는 입자 충돌의 연속 혼란에서 그것을 보호하는 데 기능 할 수 있습니다.
Milliqan은 더 많은 세밀함이 필요한 작은 실험입니다. 그 탐지기는 LHC의 건축에서 남은 동굴 같은 터널의 여분의 공간으로 갇혀있을 것입니다. 그것의 문제는 전자의 전자 전하를 갖는 입자가 전자가 할 입자 검출기에서 미만의 광자를 쫓아 낸다는 것입니다. 따라서 Milliqan은 3 개의 스택 튜브로 탐지기를 구성하며, 각각은 1 미터 길이이며 모두 양성자가 충돌하는 지점을 가리 킵니다. 힐은 긴 튜브가 충분해야한다고 힐은 밀리 치화 된 입자가 3 개의 층 각각에 하나의 광자를 차기 위해서는 물리학 자들이 폭풍우가 치는 배경 소음과 실제 밀리 치트 입자를 구별 할 수 있도록 명백한 신호를 만들어 내야한다고 말했다.
CERN의 실험은 어느 것도 승인하지 않았지만, 프로토 타입은 이미 LHC의 근거로 구축되고 있습니다. Mathusla 's는 2.5 미터 스퀘어와 키가 약 5.5 미터이며, 티베트의 우주선 실험에서 긁힌 재료와는 부분적으로 자갈이 있습니다. Milliqan의 프로토 타입 마찬가지로 마찬가지로 청소 부품으로 구축 된 실제 버전의 실제 버전이며, CMS 팀의 친절함으로써 혜택을 받고있는 공간을 소유하고 있습니다.
Haas는“대부분의 장기 입자 검색과 마찬가지로… 우리는 진행중인 실제 물리학에서 사는 기생충과 같습니다.”라고 Haas는 말했습니다.
Atlas 및 CMS와 비교할 때, 각각은 수천 명의 사람들을 고용하고 각각 50 억 달러가 넘는 비용을 지불하는 초 정교한 탐지기를 사용하고 Milliqan과 Mathusla는 결정적으로 겸손한 제안이며, 전자는 아마도 백만 달러, 후자는 수천만 달러에 달하고 있으며, 후자는 주로 Manhattan Project에 기반을 둔 입자 탐지 기술을 기반으로합니다. 큰 개가 놓친 것을 스니핑 할 수 있다고 제안하는 것은 우스운 것 같습니다.
그리고 그들은 심지어 기회를 얻을 것입니까?
“과학적으로, 나는 사건이 쉽게 만들 수있을 것이라고 생각한다”고 말했다. "결국 문제는 비용, 공간 및 실험 준비 시간과 같은 실제적인 측면에 의해 결정될 것입니다." 모든 것이 잘 진행되면 2020 년대 중반 LHC의 주요 업그레이드 후 실험이 데이터 수집을 시작합니다.
이 제안은 입자 물리학 자들 사이의 새로운 겸손 감각의 혜택을받습니다. Arkani-Hamed가 말한 것처럼, 많은“그랜드 이론적 이유”는 지난 40 년 동안 새로운 물리학에 대한 검색에 동기를 부여하기 위해“지금까지 쪼그리고 앉았습니다.”
이제 Giudice는“우리는 가능한 모든 방향으로 봐야합니다.”
Arkani-Hamed는 포털 Mathusla와 Milliqan이 조사 할 수 있다고 Arkani-Hamed는 덧붙였다. "그것은 우리가 우주에 무엇이 있는지에 대해 실제로 아는 것이 거의없는 것을 알려줍니다."
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