В поисках новаторских частиц с помощью Большого адронного коллайдера

Этот поиск долгоживущих экзотических частиц исследует возможность «темного» события. Фотон«Производство, которое может произойти при распаде бозона Хиггса на смещенные мюоны в детекторе.

Эксперимент CMS стал первым поиском новой физики с использованием данных третьего запуска Большого адронного коллайдера. Новое исследование исследует возможность образования «темного фотона» при распаде бозонов Хиггса в детекторе. Темные фотоны — это экзотические, долгоживущие частицы: «долгоживущие», потому что их среднее время жизни составляет более одной десятой миллиардной доли секунды — чрезвычайно долгое время жизни для частиц, созданных на Большом адронном коллайдере, — и «странные», потому что они не являются частью Стандартной модели физики элементарных частиц.

Стандартная модель является ведущей теорией основных строительных блоков Вселенной, но многие физические вопросы остаются без ответа, и поэтому поиск явлений за пределами Стандартной модели продолжается. Новый результат CMS устанавливает более строгие ограничения на переменные распада бозонов Хиггса в темные фотоны, еще больше сужая область, в которой физики могут искать.

Теория темных фотонов и обнаружение частиц

Теоретически темные фотоны должны пройти измеримое расстояние в детекторе CMS, прежде чем распасться на «смещенные мюоны». Если ученые проследят пути этих мюонов, они обнаружат, что они не достигают точки падения, поскольку пути исходят от частицы, уже прошедшей некоторое расстояние, без всякого следа.

Третий запуск БАК начался в июле 2022 года, и он имеет более высокую мгновенную светимость, чем предыдущие запуски БАК, а это означает, что в любой момент времени происходит больше столкновений, которые исследователи могут проанализировать. БАК производит десятки миллионов столкновений каждую секунду, но сохранить можно только несколько тысяч из них, поскольку запись каждого столкновения быстро заняла бы все доступное пространство для хранения данных. Вот почему CMS оснащена алгоритмом отбора данных в реальном времени, называемым триггером, который решает, интересно ли конкретное столкновение или нет. Поэтому не только большой объем данных может помочь обнаружить доказательства существования темного фотона, но и то, как триггерная система настроена на поиск конкретных явлений.

Достижения в триггерной системе и сборе данных

«Мы уже улучшили нашу способность стимулировать смещенные мюоны», — говорит Джульетта Алемина из эксперимента CMS. «Это позволяет нам собирать гораздо больше событий, чем раньше, используя мюоны, смещенные от точки удара на расстояния от нескольких сотен микрометров до нескольких метров. Благодаря этим улучшениям, если темные фотоны присутствуют, CMS теперь с большей вероятностью их обнаружит». ».

Прогон CMS имел решающее значение для этого исследования и был особенно оптимизирован между запусками 2 и 3 для поиска долгоживущих чужеродных молекул. В результате коллаборация смогла более эффективно использовать БАК, получив надежный результат, используя лишь треть объема данных из предыдущих поисков. Для этого команда CMS улучшила операционную систему, добавив новый алгоритм, названный беззнаковым мюонным алгоритмом. Это улучшение означает, что даже при наличии данных из запуска 3 в 2022 году всего за четыре-пять месяцев было зарегистрировано большее количество событий смещения мюонов, чем в гораздо большем наборе данных за 2016-2018 годы. Новый охват стимулов резко увеличивает диапазон импульсов захваченных мюонов, позволяя команде исследовать новые области, где могут скрываться долгоживущие частицы.

Планы на будущее и продолжение исследований

Команда CMS продолжит использовать самые мощные методы для анализа всех данных, полученных за оставшиеся 3 года работы, с целью дальнейшего изучения физики за пределами Стандартной модели.