Mit dem Large Hadron Collider auf der Suche nach bahnbrechenden Teilchen

Illustration von zwei Arten langlebiger Teilchen, die in ein Myonenpaar zerfallen. Sie zeigt, wie Myonsignale mithilfe von Daten von Tracern und Myondetektoren bis zum Punkt des Zerfalls langlebiger Teilchen zurückverfolgt werden können. Bildnachweis: CMS/CERN

Diese Suche nach langlebigen exotischen Teilchen untersucht die Möglichkeit eines „dunklen“ Ereignisses. Photon„Produktion, die auftreten kann, wenn das Higgs-Boson im Detektor in verschobene Myonen zerfällt.

Das CMS-Experiment ermöglichte seine erste Suche nach neuer Physik anhand von Daten aus Lauf 3 des Large Hadron Collider. Die neue Studie untersucht die Möglichkeit, beim Zerfall von Higgs-Bosonen im Detektor ein „dunkles Photon“ zu erzeugen. Dunkle Photonen sind exotische, langlebige Teilchen: „langlebig“, weil ihre durchschnittliche Lebensdauer mehr als ein Zehntel einer Milliardstel Sekunde beträgt – eine extrem lange Lebensdauer für Teilchen, die am Large Hadron Collider erzeugt werden – und „seltsam“, weil sie sind nicht Teil des Standardmodells der Teilchenphysik. .

Das Standardmodell ist die führende Theorie der Grundbausteine ​​des Universums, aber viele physikalische Fragen bleiben unbeantwortet und daher geht die Suche nach Phänomenen außerhalb des Standardmodells weiter. Das neue CMS-Ergebnis legt restriktivere Grenzen für die Zerfallsvariablen von Higgs-Bosonen in dunkle Photonen fest und schränkt den Bereich, in dem Physiker suchen können, weiter ein.

Dunkle Photonentheorie und Teilchendetektion

Theoretisch würden dunkle Photonen im CMS-Detektor eine messbare Distanz zurücklegen, bevor sie in „verdrängte Myonen“ zerfallen. Wenn Wissenschaftler die Bahnen dieser Myonen verfolgen, werden sie feststellen, dass sie den Auftreffpunkt nicht erreichen, weil die Bahnen von einem Teilchen stammen, das sich bereits eine Strecke weit bewegt hat, ohne jede Spur zu hinterlassen.

Der dritte Lauf des LHC begann im Juli 2022 und weist eine höhere momentane Leuchtkraft auf als frühere LHC-Läufe, was bedeutet, dass es zu jedem Zeitpunkt mehr Kollisionen gibt, die von den Forschern analysiert werden müssen. Der LHC erzeugt jede Sekunde Dutzende Millionen Kollisionen, von denen jedoch nur einige Tausend gespeichert werden können, da die Aufzeichnung jeder Kollision schnell den gesamten verfügbaren Datenspeicherplatz verbrauchen würde. Aus diesem Grund ist das CMS mit einem Echtzeit-Datenauswahlalgorithmus namens Trigger ausgestattet, der entscheidet, ob eine bestimmte Kollision interessant ist oder nicht. Daher ist es nicht nur die große Datenmenge, die dabei helfen kann, Hinweise auf ein dunkles Photon zu finden, sondern auch die Art und Weise, wie das Triggersystem auf die Suche nach bestimmten Phänomenen abgestimmt ist.

Fortschritte im Triggersystem und in der Datenerfassung

„Wir haben unsere Fähigkeit, verdrängte Myonen zu stimulieren, bereits verbessert“, sagt Juliette Alemina vom CMS-Experiment. „Dadurch können wir viel mehr Ereignisse als zuvor erfassen, indem wir Myonen verwenden, die um Entfernungen von einigen hundert Mikrometern bis zu mehreren Metern vom Auftreffpunkt entfernt sind. Dank dieser Verbesserungen ist es jetzt wahrscheinlicher, dass CMS dunkle Photonen findet, wenn sie vorhanden sind.“ .“

Der CMS-Lauf war für diese Forschung von entscheidender Bedeutung und wurde insbesondere zwischen den Läufen 2 und 3 für die Suche nach langlebigen Fremdmolekülen optimiert. Dadurch konnte die Zusammenarbeit den LHC effizienter nutzen und mit nur einem Drittel der Datenmenge früherer Suchvorgänge ein aussagekräftiges Ergebnis erzielen. Zu diesem Zweck verbesserte das CMS-Team das Betriebssystem, indem es einen neuen Algorithmus namens „Unsigned Myon Algorithmus“ hinzufügte. Diese Verbesserung bedeutet, dass selbst mit nur vier bis fünf Monaten Daten aus Lauf 3 im Jahr 2022 eine größere Anzahl von Myonenverschiebungsereignissen aufgezeichnet wurde als im viel größeren Datensatz 2016–2018. Die neue Abdeckung der Reize erhöht die Impulsbereiche der eingefangenen Myonen dramatisch und ermöglicht es dem Team, neue Regionen zu erkunden, in denen sich langlebige Teilchen verstecken könnten.

Zukunftspläne und weitere Erkundung

Das CMS-Team wird weiterhin die leistungsstärksten Techniken nutzen, um alle in den verbleibenden drei Betriebsjahren erfassten Daten zu analysieren, mit dem Ziel, die Physik außerhalb des Standardmodells weiter zu erforschen.