Noi experimente la marele accelerator de particule de la CERN, Large Hadron Collider, vor căuta particule cu sarcină electrică extrem de mică. Aceste particule au fost propuse în teorii dincolo de Modelul Standard și ar putea explica inclusiv materia întunecată. Primele teste în cadrul experimentului FORMOSA sunt foarte promițătoare.

Modelul Standard

Modelul Standard al fizicii particulelor elementare explică materia pe care o vedem în Univers și din care suntem alcătuiți noi înșine. Atomii sunt compuși din particule care fac parte din Modelul Standard: cuarci (care alcătuiesc protonii și neutronii) și electroni. Există un întreg zoo de particule în Modelul Standard pe care încă îl studiem în cadrul diverselor experimente, cele mai multe la acceleratoare de particule din întreaga lume. Se crede însă că Modelul Standard nu explică întregul Univers și că ar exista o teorie dincolo de acest model. Care este aceasta, nu știm încă, dar există mai multe propuneri, precum teoria corzilor (string theory) sau quantum loop. In acest context, anumite teorii prevăd existența particulelor cu sarcină electrică microscopică.

Particule cu sarcină electrică microscopică

Aceste ipotetice particule cu sarcină microscopică ar avea, deci, o sarcină electrică mult mai mică decât cea pe care o considerăm în prezent elementară: adică cea a protonilor și a electronilor. Cât de mică nu știm încă, și nici dacă aceste particule există. Dacă însă există, am putea să le producem la acceleratoarele de particule și să le măsurăm în cadrul unor experimente dedicate. Acesta este obiectivul unui grup de cercetători care construiesc un nou detector de particule pentru a descoperi aceste particule cu sarcină electrică microscopică.

FORMOSA la CERN

Unul dintre experimentele care urmărește măsurarea particulelor cu sarcină electrică microscopică este FORMOSA, un așa-numit demonstrator, instalat la CERN, la o distanță de circa 480 de metri de experimentul ATLAS (cel care a măsurat bosonul Higgs în 2012), într-o cavernă care conține detectorul FASER. FORMOSA are ca obiectiv principal studiul tehnologiilor care ar putea duce în viitor la construirea unui experiment mai complex și mai mare, care să vâneze particule cu sarcină electrică microscopică. FORMOSA este alcătuit din scintilatoare, materiale care emit lumină când sunt traversate de particule.

Cantitatea de energie depusă în scintilatoare și, deci, semnalul luminos, depinde de sarcina electrică a particulei. Cele cu sarcină electrică microscopică ar lăsa o energie mult mai mică decât particulele pe care le cunoaștem. FORMOSA are diverse straturi de scintilatoare, ceea ce ar permite demonstratorului să deosebească particulele cu sarcină microscopică față de altele, precum muoni cosmici sau particule care provin de la experimentul ATLAS. Primele teste – fără fascicule și cu surse de radiație – sunt extrem de promițătoare.

 Vânătoarea de particule abia începe

FORMOSA va continua optimizarea aparatului experimental și a tehnologiilor folosite pentru a căuta particule cu sarcină electrică mult mai mică decât cea a protonului și a electronului. Pe viitor, planul este de a construi un experiment mult mai mare, instalat într-o sală la circa 620 de metri de ATLAS. FORMOSA nu este singurul experiment care caută aceste particule; tot la CERN sunt instalate și MiliQan, la circa 33 de metri de CMS, dar și MoEDAL-MAPP, lângă LHCb. MiliQan a reușit deja să elimine modele care prevedeau particule cu sarcină electrică microscopică în diverse regiuni de masă și sarcină. FORMOSA are ca obiectiv extinderea căutării în noi domenii de masă și sarcină electrică.

Studii precum cele efectuate de FORMOSA fac parte din căutarea particulelor dincolo de Modelul Standard, în speranța de a răspunde unor întrebări care în prezent nu au răspuns în Modelul Standard.

Cătălina Oana Curceanu este director de cercetare în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro.