Forskere udvider søgningen efter nye partikler ved Large Hadron Collider

Siden 1960'erne har forskere opdaget mere end et dusin fundamentale partikler. De har alle passet perfekt ind i den teoretiske ramme kendt som standardmodellen, den bedste beskrivelse fysikere har af den subatomære verden.

Higgs-bosonen, som blev co-opdaget af CMS- og ATLAS-eksperimenterne ved Large Hadron Collider ved CERN i 2012, var den sidste fundamentale partikel forudsagt af standardmodellen.

På trods af denne store opdagelse har videnskabsmænd stadig mange spørgsmål om universets grundlæggende byggesten. Forskere ved, at standardmodellen er ufuldstændig og ikke kan forklare mange fysiske fænomener – mørkt stof er et bemærkelsesværdigt eksempel.

Forskere over hele verden skubber standardmodellens grænser og leder efter nye partikler, der kan hjælpe med at forklare udestående spørgsmål om universets indre funktion.

"Vi er i gang med at finde nye partikler," sagde Cristian Peña, sammenkalderen af ​​CMS eksotiske partikler-gruppen og videnskabsmand ved det amerikanske energiministeriums Fermi National Accelerator Laboratory. "Det er det, vi er her for."

Peña og andre forskere hos Fermilab samarbejdede for nylig med deres internationale kolleger om CMS for at skabe et nyt værktøj, der giver dem mulighed for at spejde efter partikler, der kan rejse omkring 1 til 10 meter, før de forfalder til mere stabile biprodukter.

Nu analyserer forskere det nye datasæt produceret af dette værktøj. Ifølge Peña vil de enten finde ny fysik eller sætte de strengeste grænser i søgen efter langlivede partikler:en klasse af teoretiske partikler, der kan rejse dybt ind i detektoren, før de skaber synlige signaler.

"Vores datasæt fordobles ikke længere hver sjette måned, som det gjorde i begyndelsen af ​​programmet," siger Sergo Jindariani, seniorforsker hos Fermilab. "De steder, hvor vi stadig kunne gøre hurtige opdagelser, er der, hvor vi ikke har kigget før, og langlivede partikler er et eksempel på det."

Da videnskabsmænd byggede eksperimenterne til LHC, antog de, at nye partikler ville opføre sig som dem, de havde opdaget i fortiden og henfalde meget hurtigt. For eksempel har topkvarken, som blev opdaget ved Fermilab i 1995, en levetid på omkring 5×10 ⁻²⁵ sekunder. Dette er så kort, at topkvarker henfalder, før de kan flytte længden af ​​et brintatom. Men nu sætter flere og flere videnskabsmænd spørgsmålstegn ved denne antagelse.

"Vi har kigget overalt og er kommet tomme indtil videre," sagde Peña. "Vi ved, at vi kan gøre det bedre ved at bruge partiklernes levetid."

Forskere ved allerede, at partikler har en bred vifte af levetider. For eksempel kan bundkvarker rejse nogle få millimeter, før de henfalder, og myoner kan rejse et par hundrede meter. I dag spørger forskere, hvad hvis der er nye partikler, der falder et sted midt imellem?

Selvom disse langlivede partikler er ekstremt sjældne, vil CMS stadig have en god chance for at se dem, hvis de produceres af LHC.

"CMS-myonsystemet har en masse materiale, så hvis langlivede partikler henfalder inde i vores detektor, bør vi se en partikelbyge i myon-kamrene," sagde Peña. "Signaturen er meget kraftfuld."

Men spørgsmålet var, om forskerne kan finde disse uventede partikelbyger gemmer sig i deres data. LHC producerer omkring en milliard proton-proton-kollisioner hvert sekund. Fordi mere end 99,99% af kollisionerne genererer partikler og fysiske fænomener, der er uinteressante, bruger videnskabsmænd datasorteringsenheder kaldet triggere. Triggere vælger de øverste 0,01 % af hændelser, der skal behandles og lagres i Worldwide LHC Computing Grid og kasserer resten.

"CMS er en ekstremt vellykket detektor," sagde Jindariani. "Den gør virkelig den fysik, den er designet til. Men langlivede partikler var ikke noget, folk havde i tankerne, da de designet CMS-udløsersystemet."

Holdet indså, at hvis de ville forbedre deres chancer for at finde langlivede partikler med CMS-eksperimentet, ville de skulle opdatere CMS-triggeren for at lede efter den slående og ejendommelige signatur, som disse partikler forventes at efterlade i detektoren.

"Med en dedikeret trigger så vi, at vi kunne få en størrelsesorden i følsomheden af ​​disse søgninger," sagde Jindariani.

Men at opdatere triggeren er altid en kompliceret bestræbelse. Det krævede hjælp og ekspertise fra forskere og ingeniører gennem hele CMS-samarbejdet. Jindariani påpegede, at triggersystemet er afhængigt af adskillige datastrømme fra forskellige dele i detektoren. Disse datastrømme fungerer som veje i en by og tillader data at flyde fra de yderste dele af detektoren ind i "downtown" behandlingscenteret, hvor dataene kompileres og hurtigt evalueres af algoritmer. At tilføje en ny datastrøm er som at tilføje en cykelsti til et allerede travlt storbyområde.

"Det ville være nødvendigt at eksistere sammen med andre triggere," sagde Jindariani. "Det er en delikat leg; vi ønsker ikke at skade det, der allerede er på plads."

Efter omfattende analyse af CMS-udløseren og diskussioner med samarbejdet indså teamet, at det var muligt, takket være et par ubrugte bits tilbage fra det originale design. Men så kom udfordringen med faktisk at implementere deres nye trigger i databehandlingen af ​​eksperimentet.

"Når alle var ombord på den konceptuelle implementering, var vi nødt til at gå ind i firmwaren og softwaren," sagde Jindariani.

Firmware giver grundlæggende maskininstruktioner, der gør det muligt for hardwaren – i dette tilfælde Field Programmable Gate Arrays – at fungere i overensstemmelse med den programmerede algoritme. FPGA'er kan være meget hurtige, men er ofte ikke særlig dynamiske.

"FPGA'er har en begrænset mængde processorkraft, og CMS-triggeralgoritmerne er temmelig ressourcekrævende," sagde Jindariani. "Vi skulle være kloge for ikke at overvælde FPGA'ernes muligheder."

Da LHC får protoner til at kollidere hvert 25. nanosekund, skulle deres nye trigger også være hurtig.

"Vi er låst fast i tidsskiver," sagde Jindariani. "Algorithmen skal udføres inden for et par hundrede nanosekunder. Hvis det tager længere tid, er det ikke godt nok. Dette arbejde var kun muligt gennem et stærkt team af videnskabsmænd og ingeniører, der arbejdede sammen."

Selv efter at udfordringerne med ressourcestyring og timing var løst, skulle holdet stadig løse et par uventede problemer. Under testfasen så de, at aftrækkeren blev aktiveret ved hver kollision. Efter yderligere analyse fandt de ud af, at det skyldtes, at senderen på et af muonsystemerne ikke fungerede.

"Dette var et problem, der havde eksisteret før, men de andre triggere så det ikke, fordi de ikke ledte efter det," siger Jindariani.

Da alle fejlene var løst, evaluerede triggeren alle de LHC-kollisioner, der fandt sted i CMS-detektoren mellem 2022 og 2023 – omkring 10 ¹⁶ , eller 10 millioner milliarder — og indsamlede et datasæt med omkring 10 ⁸ begivenheder. Forskere er i øjeblikket ved at analysere dette nye datasæt og håber at have deres første resultater til sommer.

"Denne trigger er en af ​​de store innovationer inden for CMS," siger Peña. "Vi finder enten nye partikler, eller - hvis naturen ikke vil have det sådan - vil vi sætte strengere grænser for langlivede partikler."

Leveret af Fermi National Accelerator Laboratory