Úttörő részecskék keresése a Large Hadron Collider segítségével

Ez a hosszú életű egzotikus részecskék keresése egy „sötét” esemény lehetőségét vizsgálja. Foton„Produkció, amely akkor fordulhat elő, amikor a Higgs-bozon kiszorított müonokká bomlik a detektorban.

A CMS-kísérlet adta az első keresést új fizika után a Large Hadron Collider 3. futtatásának adatai alapján. Az új tanulmány egy „sötét foton” keletkezésének lehetőségét vizsgálja a detektorban lévő Higgs-bozonok bomlása során. A sötét fotonok egzotikus, hosszú életű részecskék: „hosszú életűek”, mert átlagos élettartamuk több mint a másodperc tizedmilliárd része – rendkívül hosszú élettartam a Nagy Hadronütköztetőben előállított részecskék esetében – és „furcsák”, mert nem részei a részecskefizika standard modelljének.

A Standard Modell a világegyetem alapvető építőköveinek vezető elmélete, de sok fizikai kérdés megválaszolatlan maradt, így a Standard Modellen kívüli jelenségek keresése folytatódik. Az új CMS-eredmény szigorúbb korlátokat szab a Higgs-bozonok sötét fotonokká bomlási változóinak, tovább szűkítve a fizikusok keresési tartományát.

Sötét foton elmélet és részecskedetektálás

Elméletileg a sötét fotonok mérhető távolságot tesznek meg a CMS detektorban, mielőtt „kiszorított müonokká” bomlanak. Ha a tudósok nyomon követik ezeknek a müonoknak az útját, rájönnek, hogy nem érik el a becsapódási pontot, mert az utak egy olyan részecskéből származnak, amely már nyomtalanul elmozdult egy bizonyos távolságot.

Az LHC harmadik futtatása 2022 júliusában kezdődött, és nagyobb a pillanatnyi fényereje, mint a korábbi LHC-futtatásoknak, ami azt jelenti, hogy minden pillanatban több ütközés következik be, amelyet a kutatóknak kell elemezniük. Az LHC másodpercenként több tízmillió ütközést produkál, de ezekből csak néhány ezret lehet tárolni, mivel az egyes ütközések rögzítése gyorsan felemésztené az összes rendelkezésre álló adattárhelyet. Éppen ezért a CMS-t egy valós idejű adatkiválasztó algoritmussal, úgynevezett triggerrel szerelték fel, amely eldönti, hogy egy adott ütközés érdekes-e vagy sem. Ezért nem csak a nagy mennyiségű adat segíthet a sötét fotonok bizonyítékának feltárásában, hanem az is, ahogy a triggerrendszert meghatározott jelenségek keresésére hangolják.

Előrelépések a triggerrendszerben és az adatgyűjtésben

„Már javítottuk azon képességünket, hogy stimuláljuk az elmozdult müonokat” – mondja Juliette Alemina, a CMS-kísérlet munkatársa. „Ez lehetővé teszi, hogy a korábbinál sokkal több eseményt gyűjtsünk össze a becsapódási ponttól néhány száz mikrométertől több méterig terjedő távolságra elmozdított müonok segítségével. A fejlesztéseknek köszönhetően, ha sötét fotonok vannak jelen, a CMS nagyobb valószínűséggel találja meg őket. .”

A CMS-futás kulcsfontosságú volt ebben a kutatásban, és különösen a 2. és 3. futtatás között volt optimalizálva hosszú élettartamú idegen molekulák keresésére. Ennek eredményeként az együttműködés hatékonyabban tudta használni az LHC-t, robusztus eredményt kapva a korábbi keresések adatmennyiségének csak egyharmada felhasználásával. Ennek érdekében a CMS csapata egy új algoritmussal, az unsigned muon algoritmussal javította az operációs rendszert. Ez a javulás azt jelenti, hogy még a 2022-es 3. futtatás mindössze négy-öt hónapos adataival is több müoneltolódási eseményt rögzítettek, mint a sokkal nagyobb 2016-2018-as adatkészletben. Az ingerek új lefedettsége drámaian megnöveli a befogott müonok lendületi tartományát, lehetővé téve a csapat számára, hogy új régiókat fedezzen fel, ahol hosszú életű részecskék rejtőzhetnek.

Jövőbeli tervek és további kutatások

A CMS csapata továbbra is a legerősebb technikákat fogja használni a hátralévő 3 év működése során felvett összes adat elemzésére, azzal a céllal, hogy a fizikát a standard modellen kívül tovább tárja.