Căutarea particulelor de pionierat folosind Large Hadron Collider

Ilustrație a două tipuri de particule cu viață lungă care se descompun într-o pereche de muoni, care arată modul în care semnalele de muoni pot fi urmărite până la punctul de dezintegrare a particulelor cu viață lungă folosind date de la trasoare și detectoare de muoni. Credit: CMS/CERN

Această căutare a particulelor exotice cu viață lungă investighează posibilitatea unui eveniment „întunecat”. Foton„Producție, care poate apărea atunci când bosonul Higgs se descompune în muoni deplasați în detector.

Experimentul CMS a oferit prima sa căutare pentru o nouă fizică folosind datele din Run 3 a Large Hadron Collider. Noul studiu investighează posibilitatea producerii unui „foton întunecat” în dezintegrarea bosonilor Higgs din detector. Fotonii întunecați sunt particule exotice, cu viață lungă: „cu viață lungă”, deoarece durata lor medie de viață este mai mare de o zecime de miliardime de secundă – o durată de viață extrem de lungă pentru particulele produse la Large Hadron Collider – și „ciudat” pentru că nu fac parte din modelul standard al fizicii particulelor.

Modelul Standard este teoria principală a blocurilor de bază ale universului, dar multe întrebări fizice rămân fără răspuns și, astfel, căutarea fenomenelor din afara Modelului Standard continuă. Noul rezultat CMS stabilește limite mai restrictive asupra variabilelor de dezintegrare a bosonilor Higgs în fotoni întunecați, îngustând și mai mult regiunea în care fizicienii pot căuta.

Teoria fotonului întunecat și detectarea particulelor

În teorie, fotonii întunecați ar parcurge o distanță măsurabilă în detectorul CMS înainte de a se degrada în „muoni deplasați”. Dacă oamenii de știință urmăresc traseele acestor muoni, vor descoperi că aceștia nu ating punctul de impact, deoarece căile provin de la o particulă care sa deplasat deja la o anumită distanță, fără nicio urmă.

A treia rulare a LHC a început în iulie 2022 și are o luminozitate instantanee mai mare decât rulările LHC anterioare, ceea ce înseamnă că au loc mai multe coliziuni în orice moment pe care cercetătorii să le analizeze. LHC produce zeci de milioane de coliziuni în fiecare secundă, dar doar câteva mii dintre ele pot fi stocate, deoarece înregistrarea fiecărei coliziuni ar consuma rapid tot spațiul disponibil de stocare a datelor. De aceea, CMS este echipat cu un algoritm de selecție a datelor în timp real numit declanșator, care decide dacă o anumită coliziune este interesantă sau nu. Prin urmare, nu numai volumul mare de date poate ajuta la descoperirea dovezilor unui foton întunecat, ci și modul în care sistemul de declanșare este reglat pentru a căuta fenomene specifice.

Progrese în sistemul de declanșare și colectarea datelor

„Ne-am îmbunătățit deja capacitatea de a stimula muonii deplasați”, spune Juliette Alemina de la experimentul CMS. „Acest lucru ne permite să colectăm mult mai multe evenimente decât înainte utilizând muoni deplasați de la punctul de impact pe distanțe variind de la câteva sute de micrometri la câțiva metri. Datorită acestor îmbunătățiri, dacă sunt prezenți fotoni întunecați, CMS este acum mai probabil să-i găsească. .”

Executarea CMS a fost crucială pentru această cercetare și a fost optimizată în special între rundele 2 și 3 pentru căutarea moleculelor străine cu viață lungă. Drept urmare, colaborarea a putut folosi LHC-ul mai eficient, obținând un rezultat robust folosind doar o treime din cantitatea de date din căutările anterioare. Pentru a face acest lucru, echipa CMS a îmbunătățit sistemul de operare prin adăugarea unui nou algoritm numit algoritmul muon nesemnat. Această îmbunătățire înseamnă că, chiar și cu doar patru până la cinci luni de date din Run 3 în 2022, au fost înregistrate un număr mai mare de evenimente de deplasare a muonilor decât în ​​setul de date mult mai mare 2016-2018. Noua acoperire a stimulilor crește dramatic intervalele de impuls ale muonilor capturați, permițând echipei să exploreze noi regiuni în care particulele cu viață lungă se pot ascunde.

Planuri de viitor și explorare continuă

Echipa CMS va continua să folosească cele mai puternice tehnici pentru a analiza toate datele preluate în restul de 3 ani de operațiuni, cu scopul de a explora în continuare fizica în afara Modelului Standard.