Partikelacceleratorer är kraftfulla enheter som använder elektromagnetiska fält för att driva fram laddade partiklar som elektroner eller protoner med hastigheter nära ljusets hastighet, krossa dem sedan rakt av. Vad som händer på ett ögonblick under dessa höghastighetskollisioner kan berätta om några av naturens grundläggande hemligheter.

I ett nytt papper i 1 juni-numret av tidskriften Fysiska granskningsbrev , Bhupal Dev, biträdande professor i fysik i konst och vetenskap vid Washington University i St. Louis, beskriver hur framtida acceleratorer kan krascha ihop laddade partiklar på ett nytt sätt för att belysa deras beteende.

Teoretiker som Dev arbetar med att beskriva de stora idéerna som kommer att forma det experimentella tillvägagångssättet för nästa generations kolliderare, såsom International Linear Collider, ska byggas i Japan, eller den cirkulära elektron-positron kollideraren, föreslagits i Kina.

Dev, som skrev uppsatsen med postdoktor Yongchao Zhang från Washington University och Rabi Mohapatra från University of Maryland, letar efter en tydlig signal om något bortom Standardmodellen för partikelfysik.

"Det finns starka experimentella bevis för att det verkligen finns en del ny fysik som lurar i leptonsektorn, " sa Dev.

Han och hans medarbetare tror att en ny kolliderare byggd för att krascha ihop punktlikt, laddade partiklar som kallas leptoner, som inte har någon inre struktur, är det bästa alternativet för att hitta denna nya fysik.

Detta tillvägagångssätt skiljer sig från det som används vid dagens mest kända partikelaccelerator – Large Hadron Collider (LHC). Byggd av European Organization for Nuclear Research, eller CERN, forskare använde LHC för att upptäcka Higgs boson, partikeln som förmodligen ger massa till alla elementarpartiklar.

Men det finns djupgående frågor som LHC inte är idealiskt lämpad att svara på.

Devs nya arbete med leptonkolliderar motiverades från början av fenomenet neutrinoscillationer. Neutrinos är den elektriskt neutrala motsvarigheten till de laddade leptonerna, och de har observerats förändras från en art till en annan på ett kvantmekaniskt sätt. Detta tyder på en liten, men icke-noll, massa för neutrinos.

"Ända sedan vi direkt observerade neutrinoscillationer, forskare har försökt se motsvarande effekt hos neutrinos laddade syskon, såsom myoner som omvandlas till elektroner, " sa Dev.

Detta skulle ge en bättre förståelse för neutrinomasgenerationen, vilket är svårt att förklara med samma Higgs-mekanism som för andra elementarpartiklar.

Men hittills, sökningar efter sådana sällsynta processer har begränsats till energier som är mycket lägre än de förväntade på den nya fysikskalan.

I deras nya tidning, Dev och kollegor föreslår hur man söker efter bevis för leptons "smakkränkning" - ögonblicket då laddade partiklar omvandlas till andra typer av laddade partiklar - vid högenergigränsen, med de nya kolliderarna. I standardmodellen, dessa effekter är kända för att vara försumbara. Därför, varje positiv signal skulle vara ett tecken på ny fysik.

Särskilt, de föreslår en möjlighet som uppstår på grund av närvaron av en ny typ av Higgs-boson som kan vara ansvarig för de små neutrinomassorna.