Die LHC-Experimentfamilie wächst weiter. Neben den vier Hauptexperimenten trägt eine neue Generation kleinerer Experimente zur Suche nach Teilchen bei, die von Theorien jenseits des Standardmodells, unserer aktuellen Theorie der Teilchenphysik, vorhergesagt werden.
Kürzlich wurde der FORMOSA-Demonstrator, der nach milligeladenen Teilchen sucht, in der Kaverne mit dem installiert FASER Detektor, 480 Meter flussabwärts vom ATLAS-Interaktionspunkt. Nun werden die ersten Daten erhoben.
Einige Theorien sagen die Existenz milligeladener Elementarteilchen voraus, deren Ladung viel kleiner als die Elektronenladung wäre. Wenn sie existieren, würden sie Hinweise auf eine Theorie jenseits des Standardmodells geben und könnten als Kandidaten für Dunkle Materie angesehen werden.
Der FORMOSA-Demonstrator soll die Machbarkeit des gesamten Experiments beweisen, das in einer geplanten unterirdischen Halle installiert werden soll, die etwa 620 Meter vom ATLAS-Interaktionspunkt entfernt liegt.
Dieser experimentelle Bereich – die Forward Physics Facility – wird im Rahmen der Initiative „Physics Beyond Colliders“ untersucht und soll mehrere Experimente beherbergen, die nach langlebigen Teilchen suchen, die durch Theorien jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden.
Diese Teilchen würden durch Kollisionen im Zentrum des ATLAS-Detektors erzeugt und würden nur schwach mit Teilchen des Standardmodells interagieren. Im Falle einer Genehmigung könnten die Experimente, darunter die vorgeschlagenen Experimente FASERν 2 und FLArE, mit der Datenerfassung beginnen, wenn der High-Luminosity LHC im Jahr 2029 eingeschaltet wird.
Der FORMOSA-Demonstrator besteht aus Szintillatoren. Bei der Wechselwirkung mit einem geladenen Teilchen emittieren die Szintillatoren Photonen, die anschließend in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Während kosmische Myonen oder Myonen aus ATLAS-Kollisionen ebenfalls auf die Szintillatoren treffen können, deponieren milligeladene Teilchen typischerweise viel weniger Energie in jeder Schicht, was sie von Myonen unterscheidet, die den Detektor durchqueren.
„Erste Studien mit sogenannten No-Beam-Daten und Quellentests sehen bereits vielversprechend aus. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Erreichung des Ziels, den Demonstrator in diesem Jahr zu betreiben, und ein großartiger Beweis für den kollaborativen Geist der Projekte innerhalb der Forward Physics Facility.“ “ sagt Projektleiter Matthew Citron von der University of California, Davis.
Milligeladene Teilchen sind in den letzten Jahren zu einem besonderen Forschungsschwerpunkt geworden. Der MilliQan-Detektor, der sich 33 Meter vom CMS-Interaktionspunkt entfernt befindet, sowie MoEDAL-MAPP in der Nähe von LHCb, begannen während LHC-Lauf 3 mit der Datenerfassung.
Im Jahr 2020, eine Studie MilliQan hatte mit einem kleineren Demonstrator die Existenz milligeladener Teilchen für eine Reihe von Massen und Ladungen ausgeschlossen. Dank eines größeren Nachweisvolumens und seiner Lage im weit entfernten Bereich der LHC-Kollisionen hofft das FORMOSA-Experiment, diese Suche auszuweiten.