Poszukiwanie pionierskich cząstek przy użyciu Wielkiego Zderzacza Hadronów

Ilustracja dwóch typów cząstek długożyciowych rozpadających się na parę mionów, pokazująca, w jaki sposób sygnały mionów można prześledzić aż do punktu rozpadu cząstek długożyciowych, korzystając z danych ze znaczników i detektorów mionów. Źródło: CMS/CERN

Poszukiwanie długowiecznych egzotycznych cząstek bada możliwość wystąpienia „ciemnego” zdarzenia. Foton„Produkcja, która może wystąpić, gdy bozon Higgsa rozpada się w detektorze na przemieszczone miony.

Eksperyment CMS umożliwił pierwsze poszukiwania nowej fizyki przy użyciu danych z trzeciego cyklu Wielkiego Zderzacza Hadronów. W nowym badaniu sprawdzana jest możliwość wytworzenia „ciemnego fotonu” podczas rozpadu bozonów Higgsa w detektorze. Ciemne fotony to egzotyczne cząstki o długim czasie życia: „długo żyjące”, ponieważ ich średni czas życia wynosi ponad jedną dziesiątą miliardowej sekundy – niezwykle długi czas życia cząstek wytwarzanych w Wielkim Zderzaczu Hadronów – i „dziwne”, ponieważ nie są częścią Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych.

Model Standardowy jest wiodącą teorią dotyczącą podstawowych elementów składowych Wszechświata, jednak wiele pytań fizycznych pozostaje bez odpowiedzi, dlatego też trwają poszukiwania zjawisk poza Modelem Standardowym. Nowy wynik CMS wyznacza bardziej rygorystyczne granice zmiennych rozpadu bozonów Higgsa na ciemne fotony, jeszcze bardziej zawężając obszar poszukiwań fizyków.

Teoria ciemnych fotonów i detekcja cząstek

Teoretycznie ciemne fotony przebyłyby mierzalną odległość w detektorze CMS, zanim rozpadłyby się na „przemieszczone miony”. Jeśli naukowcy prześledzą ścieżki tych mionów, odkryją, że nie docierają one do punktu uderzenia, ponieważ ścieżki pochodzą od cząstki, która przemieściła się już na pewną odległość, bez żadnego śladu.

Trzeci cykl LHC rozpoczął się w lipcu 2022 r. i charakteryzuje się wyższą chwilową jasnością niż poprzednie przebiegi LHC, co oznacza, że ​​w danym momencie zdarza się więcej zderzeń, które badacze muszą przeanalizować. W LHC co sekundę dochodzi do dziesiątek milionów zderzeń, ale można zapisać tylko kilka tysięcy z nich, ponieważ rejestracja każdej kolizji szybko pochłonęłaby całą dostępną przestrzeń danych. Dlatego CMS wyposażony jest w algorytm selekcji danych w czasie rzeczywistym zwany wyzwalaczem, który decyduje, czy dana kolizja jest interesująca, czy nie. Dlatego nie tylko duża ilość danych może pomóc w odkryciu dowodów na istnienie ciemnego fotonu, ale także sposób, w jaki system wyzwalający jest dostrojony do wyszukiwania określonych zjawisk.

Postępy w systemie wyzwalania i gromadzeniu danych

„Udoskonaliliśmy już naszą zdolność do stymulowania przesuniętych mionów” – mówi Juliette Alemina z eksperymentu CMS. „Dzięki temu możemy zebrać znacznie więcej zdarzeń niż dotychczas, wykorzystując miony przesunięte z miejsca uderzenia na odległości od kilkuset mikrometrów do kilku metrów. Dzięki tym ulepszeniom, jeśli obecne są ciemne fotony, CMS ma teraz większe szanse na ich znalezienie .”

Cykl CMS miał kluczowe znaczenie dla tych badań i został szczególnie zoptymalizowany pomiędzy seriami 2 i 3 w celu poszukiwania długożyciowych obcych cząsteczek. W rezultacie w ramach współpracy udało się efektywniej wykorzystać LHC, uzyskując wiarygodne wyniki przy użyciu zaledwie jednej trzeciej ilości danych z poprzednich poszukiwań. W tym celu zespół CMS ulepszył system operacyjny, dodając nowy algorytm zwany algorytmem mionów bez znaku. Ta poprawa oznacza, że ​​nawet przy zaledwie czterech do pięciu miesiącach danych z badania 3 w 2022 r. zarejestrowano większą liczbę zdarzeń przemieszczenia mionów niż w znacznie większym zbiorze danych z lat 2016–2018. Nowe pokrycie bodźców radykalnie zwiększa zakres pędu wychwyconych mionów, umożliwiając zespołowi badanie nowych obszarów, w których mogą ukrywać się długożyciowe cząstki.

Plany na przyszłość i dalsze poszukiwania

Zespół CMS będzie w dalszym ciągu korzystać z najpotężniejszych technik do analizy wszystkich danych zebranych w ciągu pozostałych 3 lat działalności, mając na celu dalsze badanie fizyki poza Modelem Standardowym.