Невидимая реальность: Эксперимент CMS на Большой адронном коллайдере раскрывает тайны темных фотонов

В рамках последних исследований на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе эксперимент CMS представил первый поиск новой физики, используя данные из третьего этапа работы коллайдера. Исследование сосредоточено на возможности образования "темных фотонов" при распаде бозонов Хиггса в детекторе.

Темные фотоны – это экзотические долгоживущие частицы, "долгоживущие" потому что их средний срок жизни превышает десятую долю миллиардной доли секунды, что считается очень долгим сроком для частиц, производимых в БАК, и "экзотические", так как они не входят в стандартную модель физики элементарных частиц.

Стандартная модель является ведущей теорией о фундаментальных строительных блоках Вселенной, но многие вопросы физики остаются без ответа, поэтому продолжаются поиски явлений, выходящих за рамки стандартной модели. Новые результаты CMS определяют более ограниченные границы параметров распада бозонов Хиггса на темные фотоны, дополнительно сужая область поиска этих частиц.

Теоретически, темные фотоны могут пройти заметное расстояние в детекторе CMS, прежде чем распасться на "смещенные мюоны". Если ученые проследят за траекториями этих мюонов, они обнаружат, что траектории не ведут непосредственно к точке столкновения, так как они исходят от частицы, уже переместившейся на некоторое расстояние.

Третий этап работы БАК, начавшийся в июле 2022 года, отличается более высокой мгновенной светимостью по сравнению с предыдущими этапами, что означает большее количество столкновений для анализа. БАК производит десятки миллионов столкновений в секунду, но записывается только несколько тысяч из них, так как регистрация каждого столкновения быстро исчерпала бы все доступные ресурсы хранения данных.

Система триггеров CMS, оборудованная алгоритмом реального времени для отбора данных, играет ключевую роль в этом поиске. Она определяет, достаточно ли интересно данное столкновение для записи. Улучшенная настройка системы триггеров не только увеличивает объем данных, но и помогает выявить доказательства существования темного фотона.

"Мы значительно улучшили нашу способность фиксировать смещенные мюоны", - говорит Жюльетт Алимена из эксперимента CMS. "Это позволяет нам собирать гораздо больше событий с мюонами, смещенными от точки столкновения на расстояние от нескольких сотен микрометров до нескольких метров. Благодаря этим улучшениям, CMS теперь с большей вероятностью обнаружит темные фотоны, если они существуют ".

Система триггеров CMS была особенно доработана между вторым и третьим этапами работы для поиска экзотических долгоживущих частиц. В результате коллаборации удалось более эффективно использовать БАК, получив значительный результат, используя лишь треть объема данных по сравнению с предыдущими поисками.

Для этого в систему триггеров CMS был добавлен новый алгоритм, называемый алгоритмом неуказывающих мюонов. Это улучшение позволило, используя лишь четыре-пять месяцев данных с третьего этапа работы в 2022 году, зафиксировать больше событий со смещенными мюонами, чем в гораздо более обширном наборе данных второго этапа 2016–2018 годов. Новый охват триггеров значительно расширяет диапазоны импульсов мюонов, которые фиксируются, позволяя команде изучать новые области, где могут скрываться долгоживущие частицы.

Команда CMS продолжит использовать самые мощные техники для анализа всех данных, собранных в оставшиеся годы третьего этапа работы, с целью дальнейшего изучения физики за пределами стандартной модели.