The detector system of the SHiP/NA67 experiment at CERN

In het uitgestrekte landschap van de moderne natuurkunde weten wetenschappers al lang dat het standaardmodel van de deeltjesfysica, hoewel ongelooflijk succesvol, incompleet is. Het kan niet verklaren waarom het universum uit materie bestaat in plaats van antimaterie, noch verklaart het de onzichtbare substantie die bekend staat als donkere materie. Decennialang was de primaire strategie om nieuwe natuurkunde te vinden het bouwen van machines die deeltjes met steeds hogere energieën tegen elkaar aan laten botsen, in de hoop zware, onbekende deeltjes te creten. Er is echter nog een andere mogelijkheid die ongrijpbaar is gebleven: deeltjes die licht zijn, maar zo zwak interageren met gewone materie dat ze recht door onze detectoren glippen. Dit zijn de zogenaamde zwak interagerende deeltjes (feebly interacting particles). Omdat ze zo moeilijk te vangen zijn, vereist het vinden ervan een andere aanpak. In plaats van te zoeken naar zeldzame, hoogenergetische botsingen, moeten wetenschappers een enorme hoeveelheid deeltjes genereren en wachten tot de zeldzame deeltjes vervallen in iets zichtbaars. Deze verschuiving van het zoeken naar het zware naar het jagen op het zwakke is de kern van de intensiteitsfrontier, een nieuwe richting in de natuurkunde die steunt op volume en precisie in plaats van brute kracht.

Bij het CERN-onderzoekscentrum in Zwitserland bereidt een team van natuurkundigen zich voor om deze aanval te leiden met een experiment genaamd SHiP, ook wel bekend als NA67. Het doel is om een gespecialiseerde faciliteit te bouwen die in staat is om een massale stroom protonen te produceren en deze te gebruiken om een verborgen sector van deeltjes te creëren die de diepste mysteries van het universum zouden kunnen verklaren. Het team heeft recentelijk het ontwerp gedetailleerd van het detectiesysteem dat deze zoektocht mogelijk zal maken. Dit systeem is niet één enkele machine, maar een complexe assemblage van verschillende instrumenten, elk ontworpen om een specif으로 probleem op te lossen: hoe een schone omgeving te creëren waarin een zwak signaal zichtbaar kan zijn tegen een achtergrond van overweldigende ruis. Het experiment staat gepland om zijn eerste fysica-runs te beginnen in 2032, en het ontwerp gepresenteerd in het artikel is de culminatie van jarenlange planning om ervoor te zorgen dat wanneer de bundel wordt ingeschakeld, de detectoren klaar zijn om de eerste tekenen van nieuwe natuurkunde te vangen.

Het experiment begint met een bundel protonen die met hoge snelheid reizen, die in een doelwit van puur wolfraam worden afgevuurd. Dit doelwit is ontworpen om zo efficiënt mogelijk te zijn door een regen van nieuwe deeltjes te creëren wanneer de protonen erin botsen. Om de intense hitte die dit proces genereert te verwerken, wordt het doelwit gekoeld door hoogwaardig heliumgas dat door sleuven in de metaalblokken circuleert. Direct achter het doelwit bevindt zich een krachtig magnetisch schild, een keten van magneten die werkt als een gigantisch filter. Zijn taak is om de overgrote meerderheid van de muonen, de zware neven van het elektron, weg te vegen die in de botsing worden geproduceerd. Zonder dit schild zouden deze muonen de rest van het experiment overstromen, waardoor een achtergrond ontstaat die zo luid is dat elk nieuw signaal zou worden overstemd. Het schild vermindert het aantal muonen met een factor een miljoen, waardoor een veel stiller pad overblijft voor de deeltjes waar de wetenschappers daadwerkelijk in geïnteresseerd zijn.

Zodra de muonen zijn weggefilterd, betreden de resterende deeltjes een lange, lege tunnel gevuld met heliumgas. Dit is het vervolum (decay volume), een vijftig meter lange ruimte waar de zwak interagerende deeltjes, indien zij bestaan, naar verwachting zullen reizen en uiteindelijk zullen vervallen in gewone materie die gedetecteerd kan worden. Omdat de deeltjes zo zwak interageren, kunnen ze deze hele afstand afleggen zonder tegen iets aan te botsen. Het helium binnenin wordt in een dun polymeer ballon gehouden om elke kans te minimaliseren dat de deeltjes tegen gasatomen botsen voordat ze vervallen. De gehele tunnel wordt omringd door een geavanceerde wand van sensoren, bekend als de achtergrond-tagger (background tagger). Deze wand is gevuld met een speciale vloeistof die oplicht wanneer een geladen deeltje erdoorheen gaat. Het doel is om eventuele rondvliegende deeltjes op te vangen die via de zijkanten naar binnen kunnen glippen of met de wanden van de tunnel zelf kunnen interageren. Als er een signaal in het midden van de tunnel verschijnt op exact hetzelfde moment als een deeltje de wand raakt, weet het systeem dat het slechts achtergrondruis is en negeert het dit. Dit systeem is zo precies dat het een echt evenement van een vals evenement kan onderscheiden met een tijd nauwkeurigheid van één miljardste van een seconde.

Aan het einde van de tunnel zoekt het experiment naar het puin van eventuele vervallen die in de tunnel hebben plaatsgevonden. Dit is waar de spectrometer van de verborgen sector (hidden sector spectrometer) in beeld komt. Het is een groot detectiesysteem gemaakt van duizenden dunne, rietjesachtige buisjes gevuld met gas. Terwijl geladen deeltjes door deze rietjes vliegen, laten ze een spoor van elektrische signalen achter waarmee wetenschappers het pad van het deeltje met extreme precisie kunnen reconstrueren. Een grote magneet buigt deze paden, wat wetenschappers helpt de impuls en identiteit van de deeltjes te bepalen. Na de tracker volgt een tijd-detector gemaakt van scintillatie-staven, die fungeert als een stopwatch om te garanderen dat de geobserveerde deeltjes daadwerkelijk uit het vervolum komen en niet uit een andere bron. Ten slotte gaan de deeltjes een calorimeter binnen, een apparaat dat hun energie meet en identificeert wat voor soort deeltje het is. Dit laatste deel is cruciaal voor het onderscheid tussen verschillende soorten vervallen, zoals die die lichte deeltjes produceren versus die die zwaardere deeltjes produceren.

Het hele systeem is ontworpen om te werken zonder een traditionele trigger, wat betekent dat het continu gegevens registreert in plaats van te wachten op een specifiek signaal om de opname te starten. Dit is noodzakelijk omdat het experiment gedurende lange perioden draait en de gebeurtenissen van belang zo zeldzaam zijn dat een standaard trigger ze mogelijk zou missen. In plaats daarvan tijdstempelt het systeem elk stukje data, waardoor wetenschappers gebeurtenissen later kunnen reconstrueren door te kijken naar de tijdsvensters waar interessante patronen verschijnen. Het ontwerp bevat ook een aparte detector binnen het muon-schild om neutrino's te bestuderen, een type deeltje dat berucht moeilijk te detecteren is. Dit deel van het experiment heeft tot doel duizenden neutrino-interacties te observeren, wat een overvloed aan gegevens oplevert over hoe deze deeltjes zich gedragen.

Het artikel schetst dat het ontwerp voor het doelwit en het muon-schild in essentie voltooid is, waarbij prototypes zijn getest om te verzekeren dat ze de zware omstandigheden van de bundel kunnen weerstaan. De achtergrond-taggers en de spectrometer bevinden zich momenteel in de prototypefase, met tests die gaande zijn om hun prestaties te bevestigen. Het team is er gerust over dat de detectoren, tegen de tijd dat de faciliteit in 2033 in gebruik wordt genomen, klaar zullen zijn om te zoeken naar deze ongrijpbare deeltjes met een wereldleidende gevoeligheid. Als de zwak interagerende deeltjes bestaan binnen het bereik van massa's en koppelingen waar het experiment voor ontworpen is, zou de SHiP-detector het systeem in staat moeten zijn om ze te vinden. Als ze niet bestaan, zal het experiment de meest strikte grenzen tot nu toe stellen aan hun bestaan, waardoor een groot deel van de theoretische mogelijkheden voor nieuwe natuurkunde effectief wordt uitgesloten. Het werk vertegenwoordigt een zorgvuldige balans tussen engineering en natuurkunde, waarbij een machine wordt gecreëerd die stil genoeg is om de zwakste fluistering van de verborgen geheimen van het universum te horen.