Zoeken naar baanbrekende deeltjes met behulp van de Large Hadron Collider

Deze zoektocht naar langlevende exotische deeltjes onderzoekt de mogelijkheid van een ‘donkere’ gebeurtenis. Foton“Productie, die kan optreden wanneer het Higgs-deeltje in de detector vervalt tot verplaatste muonen.

Het CMS-experiment vormde de eerste zoektocht naar nieuwe natuurkunde met behulp van gegevens uit Run 3 van de Large Hadron Collider. De nieuwe studie onderzoekt de mogelijkheid om een ​​”donker foton” te produceren bij het verval van Higgs-bosonen in de detector. Donkere fotonen zijn exotische deeltjes met een lange levensduur: ‘langlevend’ omdat hun gemiddelde levensduur meer dan een tiende van een miljardste van een seconde bedraagt ​​– een extreem lange levensduur voor deeltjes geproduceerd bij de Large Hadron Collider – en ‘vreemd’ omdat ze maken geen deel uit van het Standaardmodel van de deeltjesfysica.

Het Standaardmodel is de leidende theorie over de fundamentele bouwstenen van het universum, maar veel natuurkundige vragen blijven onbeantwoord, en dus gaat de zoektocht naar verschijnselen buiten het Standaardmodel door. Het nieuwe CMS-resultaat stelt restrictievere grenzen aan de vervalvariabelen van Higgs-bosonen in donkere fotonen, waardoor het gebied waarin natuurkundigen kunnen zoeken verder wordt verkleind.

Donkere fotonentheorie en deeltjesdetectie

In theorie zouden donkere fotonen een meetbare afstand afleggen in de CMS-detector voordat ze vervallen tot ‘verplaatste muonen’. Als wetenschappers de paden van deze muonen volgen, zullen ze ontdekken dat ze het inslagpunt niet bereiken, omdat de paden afkomstig zijn van een deeltje dat zich al een eind heeft verplaatst, zonder enig spoor achter te laten.

De derde run van de LHC begon in juli 2022 en heeft een hogere momentane helderheid dan eerdere LHC-runs, wat betekent dat er op elk moment meer botsingen plaatsvinden die onderzoekers kunnen analyseren. De LHC produceert elke seconde tientallen miljoenen botsingen, maar er kunnen er slechts een paar duizend worden opgeslagen, omdat het vastleggen van elke botsing snel alle beschikbare gegevensopslagruimte in beslag zou nemen. Daarom is het CMS uitgerust met een real-time dataselectie-algoritme, een zogenaamde trigger, dat beslist of een bepaalde botsing interessant is of niet. Daarom is het niet alleen de grote hoeveelheid gegevens die kan helpen bewijsmateriaal voor een donker foton te ontdekken, maar ook de manier waarop het triggersysteem is afgestemd om naar specifieke verschijnselen te zoeken.

Vooruitgang in triggersysteem en gegevensverzameling

“We hebben ons vermogen om verplaatste muonen te stimuleren al verbeterd”, zegt Juliette Alemina van het CMS-experiment. “Hierdoor kunnen we veel meer gebeurtenissen verzamelen dan voorheen met behulp van muonen die zich vanaf het inslagpunt hebben verplaatst over afstanden variërend van een paar honderd micrometer tot enkele meters. Dankzij deze verbeteringen is de kans groter dat CMS ze zal vinden als er donkere fotonen aanwezig zijn. .”

De CMS-run was cruciaal voor dit onderzoek en werd vooral tussen run 2 en 3 geoptimaliseerd voor het zoeken naar langlevende vreemde moleculen. Als gevolg hiervan kon de samenwerking de LHC efficiënter gebruiken en een robuust resultaat verkrijgen met slechts een derde van de hoeveelheid gegevens uit eerdere zoekopdrachten. Om dit te doen heeft het CMS-team het besturingssysteem verbeterd door een nieuw algoritme toe te voegen, het niet-ondertekende muon-algoritme. Deze verbetering betekent dat zelfs met slechts vier tot vijf maanden aan gegevens uit Run 3 in 2022 een groter aantal muonverplaatsingen werd geregistreerd dan in de veel grotere dataset van 2016-2018. De nieuwe dekking van de stimuli vergroot op dramatische wijze het momentumbereik van de opgevangen muonen, waardoor het team nieuwe gebieden kan verkennen waar langlevende deeltjes zich mogelijk verbergen.

Toekomstplannen en voortdurende verkenning

Het CMS-team zal de krachtigste technieken blijven gebruiken om alle gegevens die tijdens de resterende drie jaar van de operatie zijn verzameld, te analyseren, met als doel de natuurkunde verder te onderzoeken buiten het standaardmodel.