Experimentul FASER sau vânătoarea de particule de fantomă

În labirintul subteran al CERN, The European Organization for Nuclear Research/Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară, oamenii de știință s-au implicat într-un proiect experimental ce reprezintă vânătoarea de fantome. Nu este vorba despre acele fantome din folclor, ci despre entități subatomice evazive cunoscute ca „particule fantomă” – pete de materie ipotetice, abia detectabile, care ar putea rescrie înțelegerea noastră a realității.

La începutul anului trecut (2024), CERN a dat undă verde acestui experiment ambițios de căutare a particulelor spectrale cu ajutorul unui detector revoluționar, un dispozitiv care ar trebui să fie de 1.000 de ori mai sensibil decât predecesorii săi. Dacă va avea succes, experimentul ar putea răspunde întrebărilor care îi bântuie pe fizicieni de zeci de ani: Ce este materia întunecată? De ce există Universul? Și ce se află dincolo de modelul standard al fizicii particulelor?

• Greșeala pe care o fac fără să știe mulți oameni care suferă de insomnie
• Astronomii au dezvăluit una dintre cele mai primitive stele descoperite vreodată

Denumite în fizică „particule cu interacțiune slabă” (sau FIP, de la engl. Feebly Interacting Particles), aceste entități ipotetice reprezintă o enigmă majoră. Ele sunt prezise de teorii care încearcă să depășească Modelul Standard – cadrul care descrie, deocamdată cu succes, particulele fundamentale și forțele dintre ele.

Spre deosebire de particulele obișnuite, care interacționează prin forțe puternice (de exemplu, protonii din nucleul atomic) sau prin forța electromagnetică (ca electronii), FIP-urile ar fi aproape „invizibile”. Ele nu ar răspunde decât extrem de rar la forțele cunoscute, trecând prin materie fără să lase urme, asemenea unor fantome. Din această cauză, detectarea lor necesită instrumente revoluționare.

Dacă există, aceste particule ar putea explica unele dintre cele mai mari mistere ale universului. Și anume, materia întunecată – substanța invizibilă care constituie 27% din cosmos, dar pe care nimeni nu a reușit să o observe direct. Și dezechilibrul dintre materie și antimaterie – în Big Bang, materia și antimateria ar fi trebuit să se anihileze reciproc, dar universul nostru este dominat de materie. FIP-urile ar putea fi o componentă cheie a materiei întunecate sau ar putea dezvălui legi fizice complet noi, ascunse în „zonele oarbe” ale Modelului Standard.

„Aceste particule sunt campionii supremi ai jocului de-a v-ați ascunselea cosmic”, spune dr. Clara Nellist, fizician de particule la CERN și colaborator la noul experiment. „Ele ar putea trece prin noi chiar acum, dar pentru că interacționează atât de slab, nu am avut nicio modalitate de a le prinde, până acum.”

Experimentul FASER de la CERN, demarat în 2022, are un scop ambițios: să descopere particule care depășesc limitele cunoașterii noastre actuale (numită Modelul Standard). El o face însă altfel decât experimentele gigant precum LHC: în loc să producă coliziuni puternice, FASER este poziționat să captureze particulele ușoare și neutre care zboară neobservate de-a lungul tunelului acceleratorului (cel mai mare accelerator de particule din lume) – un tub de vid lung de 27 de kilometri, situat la aproape 100 de metri sub pământ, care înconjoară Geneva, la granița dintre Elveția și Franța. În acest tub, se află un vid foarte înalt (ca în spațiu), astfel încât particulele să nu intre în coliziune cu moleculele din aer.

Spre deosebire de LHC, care ciocnește protoni la energii extrem de mari pentru a produce o varietate de particule și pentru a studia interacțiunile acestora, FASER se concentrează pe detectarea particulelor produse în coliziunile de înaltă energie care au loc în LHC, dar care nu sunt observate în mod obișnuit din cauza direcției lor de înaintare.

FASER este conceput pentru a capta aceste particule care se îndreaptă înainte prin plasarea detectorului într-o locație în care le poate intercepta după ce au călătorit printr-un material țintă dens, ce permite producerea de noi particule atunci când protonii de înaltă energie se ciocnesc cu el. Această configurație este esențială pentru creșterea probabilității de observare a unor procese și particule rare care altfel ar putea să nu fie detectate.

„Este ca și cum ai căuta un ac într-o căpiță de fân, cu excepția faptului că am construit un magnet care atrage numai ace”, explică Dr. Jamie Boyd, purtător de cuvânt pentru FASER. „Chiar dacă aceste particule sunt de un milion de ori mai slabe ca putere de interacțiune decât neutrinii, sensibilitatea FASER le-ar putea repera.”

Vânătorul de fantome șef al proiectului, profesorul Andrey Golutvin de la Imperial College din Londra, scrie bbc.com, a declarat că experimentul „marchează o nouă eră în căutarea particulelor ascunse”, acesta având posibilitatea unică de a rezolva câteva dintre problemele majore ale fizicii particulelor. „Avem perspectiva de a descoperi particule care nu au mai fost văzute până acum”.

„Ceea ce mă atrage cu adevărat la experiment este faptul că aceste particule se află chiar sub nasul nostru, dar nu am reușit niciodată să le vedem din cauza modului în care interacționează sau, mai degrabă, a modului în care nu interacționează”, spune Profesorul Mitesh Patel de la Imperial College.

„Suntem exploratori și credem că putem vedea ceva interesant în acest teren nou. Așadar, trebuie să aruncăm o privire”.

„Ne vom folosi de o cavernă existentă, de infrastructură și de piese pe care vom încerca să le reutilizăm cât mai mult posibil și vom avea o instalație care ne va ajuta să căutăm acest sector ascuns, care nu a mai fost văzut până acum”. SHiP (Search for Hidden Particles) va colabora cu toate experimentele din cadrul CERN, inclusiv cu cel mai mare accelerator de particule din lume, Large Hadron Collider (LHC). LHC, lansat în 2008 cu un buget de 3,75 miliarde de lire sterline (aproximativ 4,3 miliarde de euro), are misiunea de a studia 95% din universul care încă ne scapă – materia întunecată și energia întunecată, componente invizibile care dictează expansiunea și structura cosmosului. În timp ce LHC explorează aceste enigme prin coliziuni de particule la viteze extreme, SHiP se va concentra pe detectarea unor particule „fantomă” care ar putea completa puzzle-ul cosmic. Până în prezent, nu s-a găsit nicio particulă care nu aparține modelului standard, astfel că planul este de a construi o mașină de trei ori mai mare și mult mai puternică.

Viitorul accelerator circular (FCC), proiectul uriaș, estimat la 12 miliarde de lire sterline (aproximativ 14,3 miliarde de euro), va intra în funcțiune abia în anii 2040, iar capacitatea sa maximă de detectare a unor particule necunoscute va fi atinsă abia până în 2070.

La rândul său, SHiP (Search for Hidden Particles), experimentul cu un buget de 100 de milioane de lire sterline (circa 119 milioane de euro), va începe să caute „particule fantomă” din 2030 – cu 40 de ani mai devreme decât FCC.

„SHiP este ca o lanternă care caută în beznă cu un fascicul îngust, iar FCC va fi un far puternic, dar care necesită timp pentru a se încălzi”, explică fizicianul Andrei Golutvin, implicat în ambele proiecte. SHiP poate descoperi particule ușoare și „evazive”, pe care FCC le-ar rata. FCC, pe de altă parte, va explora energii extreme, unde pot apărea particule masive.

„Dacă există undeva în Univers un indiciu pe care îl căutăm, nu putem risca să-l ratăm din cauza unei abordări prea înguste”, adaugă Golutvin.

Dar până la finalizarea FCC, SHiP și alte experimente mai mici (precum FASER sau SND@LHC) vor scana „zonele oarbe” ale fizicii, oferind răspunsuri – sau cel puțin indicii – despre materia întunecată, energia întunecată sau dimensiuni cosmice ascunse.

Sursa:

https://www.bbc.com/news/science-environment-68631692

Vă mai recomandăm să citiți și:

Câinii de la Cernobîl au șocat oamenii de știință! Ce arată analizele genetice?

Un izotop utilizat în tratarea cancerului va fi produs la Centrala nucleară de la Cernavodă

Un fenomen extrem de rar tocmai a fost observat la acceleratorul de particule de la CERN

Fizicienii de la CERN propun ca ziua să aibă 25 de ore