Shining Light on the Dark Sector: Search for Axion-like Particles and Other New Physics in Photonic Final States with FASER

Diep in de subatomaire wereld hebben natuurkundigen lang vermoed dat het universum veel voller is dan het standaardmodel van de deeltjesfysica suggereert. Dit gevestigde kader beschrijft succesvol de bekende bouwstenen van materie en de krachten die hen beheersen, maar laat een cruciaal puzzelstukje weg: donkere materie. Hoewel we weten dat donkere materie bestaat vanwege de zwaartekrachtinvloed op sterrenstelsels, hebben we nooit direct de deeltjes gedetecteerd waaruit het bestaat. Veel theorieën stellen voor dat deze verborgen deeltjes licht, zwak interagerend en misschien langlevend zijn, wat betekent dat ze enorme afstanden kunnen afleggen voordat ze verdwijnen. Als dergelijke deeltjes bestaan, zouden ze geproduceerd kunnen worden in de gewelddadige botsingen van protonen in de Large Hadron Collider, om vervolgens door de massieve detectoren die ontworpen zijn om gewone materie te vangen, heen te glippen en honderden meters de omliggende rotsen in te reizen. Het vinden ervan zou niet alleen de aard van donkere materie onthullen, maar ook een venster openen naar een "donkere sector" van de fysica die naast de bekende opereert.

Bij de Large Hadron Collider, een machine die protonen tegen elkaar aan laat botsen met bijna de snelheid van het licht, bevindt zich een gespecialiseerd experiment genaamd FASER op 480 meter afstand van het hoofdbotsingspunt, verscholen in een smalle tunnel. Deze locatie is strategisch; het ligt direct in het pad van deeltjes die naar voren schieten uit de botsingen, een regio waar lichte, ongrijpbare deeltjes het meest waarschijnlijk verschijnen. Terwijl de hoofddetectoren bij de botsingsplaats worden omringd door dikke lagen beton en gesteente die bijna alles tegenhouden, is FASER ontworpen om de weinige deeltjes te vangen die door deze barrière kunnen dringen. In hun laatste werk richtte de Faser-collaboratie zich op een specifiek type hypothetisch deeltje dat een axion-achtig deeltje wordt genoemd. Dit zijn theoretische neven van het axion, een deeltje dat oorspronkelijk werd voorgesteld om een diep mysterie in de fysica op te lossen met betrekking tot waarom het universum zich zo gedraagt onder de sterke kernkracht. In tegenstelling tot de zware deeltjes die gewoonlijk worden gezocht in de hogenergetische fysica, zijn deze axion-achtige deeltjes licht en zouden ze kunnen vervallen in paren hoogenergetische fotonen, of deeltjes licht, terwijl ze door de detector reizen.

De onderzoekers analyseerden gegevens verzameld tijdens 2022 en 2023, wat overeenkomt met een enorme hoeveelheid proton-protonbotsingen. Ze zochten naar een zeer specifieke handtekening: een plotselinge, intense energie-uitbarsting in hun elektromagnetische calorimeter, een apparaat dat de energie van deeltjes meet, met absoluut geen signaal in de omliggende veto-systemen dat zou aangeven dat een geladen deeltje is binnengekomen. Omdat de hypothetische deeltjes neutraal zijn, zouden ze door de initiële detectoren gaan zonder een spoor achter te laten, om vervolgens diep in het instrument te vervallen in twee fotonen, wat een schone, hoogenergetische flits creëert. Het team moest uiterst voorzichtig zijn om dit signaal te onderscheiden van de achtergrondruis, die wordt gedomineerd door neutrino's. Neutrino's zijn spookachtige deeltjes die ook door het gesteente gaan en soms met het detectormateriaal kunnen interageren, waardoor ze de energiesignatuur van de gezochte deeltjes kunnen nabootsen. Om dit te beheren, gebruikten de wetenschappers geavanceerde computersimulaties om precies te voorspellen hoeveel neutrino-interacties er zouden plaatsvinden in hun specifieke energiebereik.

Het resultaat van deze minutieuze zoektocht was een enkel evenement. De detector registreerde één instantie waarbij een hoogenergetische depositie verscheen in de calorimeter zonder voorafgaande activiteit stroomopwaarts, wat overeenkwam met het verwachte patroon van een vervallend axion-achtig deeltje. Echter, de berekeningen van het team toonden aan dat ze ongeveer 0,44 neutrino-interacties verwachtten die er exact hetzelfde uit zouden zien, met een onzekerheidsmarge die de observatie van één evenement perfect consistent maakt met toeval. Met andere woorden, het enkele evenement dat ze vonden, was waarschijnlijk gewoon een neutrino dat doet wat neutrino's doen, in plaats van een ontdekking van nieuwe fysica. Omdat de observatie de verwachting van de achtergrond niet significant oversteeg, konden de onderzoekers geen nieuwe deeltjes claimen te hebben gevonden. In plaats daarvan gebruikten ze dit resultaat om nieuwe, wereldleidende limieten vast te stellen voor waar deze deeltjes kunnen bestaan.

Door aan te tonen dat er geen overschot aan gebeurtenissen optradde boven wat neutrino's konden verklaren, sloot het experiment effectief een breed scala aan mogelijkheden voor deze axion-achtige deeltjes uit. Het team bepaalde dat als deze deeltjes bestaan en interageren met de zwakke kernkracht zoals zij die hadden gemodelleerd, ze bepaalde combinaties van massa en interactiekracht niet kunnen hebben. Specifiek sloten ze de mogelijkheid uit dat deze deeltjes massa's hebben tussen 100 en 250 miljoen elektronvolt met interactiekrachten tussen 3 maal 10 tot de macht -5 en 5 maal 10 tot de macht -4 inverse GeV. Ze breidden deze limieten ook uit naar zwaardere massa's, waarbij ze deeltjes tot 300 miljoen elektronvolt met zwakkere interacties uitsloten. Dit is een belangrijke stap voorwaarts omdat het een gebied van de parameterruimte onderzoekt dat nog nooit eerder is verkend, wat complementair is aan andere experimenten die zoeken naar lichtere of zwaardere versies van deze deeltjes.

De studie stopte niet bij slechts één type deeltje. Dezelfde gegevens en analysemethoden werden toegepast op verschillende andere theoretische modellen die een vergelijkbare flits van licht in de detector zouden produceren. Dit omvatte modellen met deeltjes die interageren met gluonen, een type krachtdrager in de kern, evenals nieuwe soorten krachtdragende deeltjes gerelateerd aan het aantal protonen en neutronen in materie, en lichte scalaire deeltjes die de voorkeur geven aan interactie met up-quarks. Voor elk van deze scenario's stelde het gebrek aan een significant overschot aan gebeurtenissen het team in staat om nieuwe grenzen te trekken voor waar deze deeltjes zich konden verbergen. Ze vonden dat hun experiment gevoelig is voor regio's van de verborgen fysica van het universum die voorheen onbeperkt waren, waardoor de zoekruimte effectief werd verkleind.

Het succes van deze zoektocht rustte zwaar op de unieke geometrie van de FASER-detector en haar vermogen om de overweldigende achtergrond van gewone deeltjes te filteren. De detector is uitgerust met lagen scintillatiemateriaal die fungeren als een poortwachter, die ervoor zorgen dat geen geladen deeltjes zoals muonen de gevoelige ruimte binnenkomen. Alleen neutrale deeltjes kunnen door deze poort gaan. Eenmaal binnen zoekt de detector naar het specifieke patroon van energieafzetting dat zou resulteren uit een deeltje dat vervalt in twee fotonen. De analyse vereiste nauwkeurige timing om te garanderen dat het evenement synchroon liep met de protonbotsingen en zorgvuldige kalibratie om te garanderen dat de energiemetingen accuraat waren. Het team moest ook rekening houden met het feit dat de deeltjesbundel niet perfect recht is maar een lichte hoek heeft, wat het pad van de deeltjes over de reis van 480 meter licht verandert.

Dit werk markeert de eerste keer dat FASER heeft gezocht naar nieuwe deeltjes die vervallen in fotonen, wat een nieuw hoofdstuk inluidt in de verkenning van de donkere sector. Hoewel het enkele geobserveerde evenement geen ontdekking was, is het vermogen om zoveel theoretische mogelijkheden uit te sluiten een krachtig wetenschappelijk resultaat. Het vertelt ons dat als deze lichte, langlevende deeltjes bestaan, ze ofwel veel zwakker zijn in hun interacties of andere eigenschappen hebben dan de modellen die hier zijn getest. Het experiment demonstreert dat het kijken ver stroomafwaarts van het botsingspunt een levensvatbare en krachtige strategie is voor het vinden van de fysica die de hoofddetectoren missen. Naarmate de Large Hadron Collider blijft functioneren en meer gegevens verzamelt, zal FASER in staat zijn om deze limieten nog verder te duwen, om misschien op een dag de zwakke handtekening op te vangen van een deeltje dat door de aarde heeft gereisd om de geheimen van de donkere sector te onthullen.