Em busca de partículas pioneiras usando o Large Hadron Collider

Esta busca por partículas exóticas de longa vida investiga a possibilidade de um evento “escuro”. Fóton“Produção, que pode ocorrer quando o bóson de Higgs decai em múons deslocados no detector.

O experimento CMS proporcionou sua primeira busca por nova física usando dados da 3ª execução do Large Hadron Collider. O novo estudo investiga a possibilidade de produção de um “fóton escuro” no decaimento dos bósons de Higgs no detector. Os fótons escuros são partículas exóticas e de vida longa: “de longa vida” porque seu tempo de vida médio é superior a um décimo de bilionésimo de segundo – um tempo de vida extremamente longo para partículas produzidas no Grande Colisor de Hádrons – e “estranhos” porque eles não fazem parte do Modelo Padrão da física de partículas.

O Modelo Padrão é a principal teoria dos blocos básicos de construção do universo, mas muitas questões físicas permanecem sem resposta e, portanto, a busca por fenômenos fora do Modelo Padrão continua. O novo resultado do CMS estabelece limites mais restritivos nas variáveis ​​de decaimento dos bósons de Higgs em fótons escuros, estreitando ainda mais a região na qual os físicos podem pesquisar.

Teoria do fóton escuro e detecção de partículas

Em teoria, os fótons escuros percorreriam uma distância mensurável no detector CMS antes de decaírem em “múons deslocados”. Se os cientistas traçarem os caminhos desses múons, descobrirão que eles não chegam ao ponto de impacto, porque os caminhos vêm de uma partícula que já se moveu alguma distância, sem deixar vestígios.

A terceira corrida do LHC começou em julho de 2022 e tem uma luminosidade instantânea mais alta do que as execuções anteriores do LHC, o que significa que há mais colisões ocorrendo a qualquer momento para os pesquisadores analisarem. O LHC produz dezenas de milhões de colisões a cada segundo, mas apenas alguns milhares delas podem ser armazenadas, pois o registro de cada colisão consumiria rapidamente todo o espaço de armazenamento de dados disponível. É por isso que o CMS é equipado com um algoritmo de seleção de dados em tempo real chamado gatilho, que decide se uma determinada colisão é interessante ou não. Portanto, não é apenas o grande volume de dados que pode ajudar a descobrir evidências de um fóton escuro, mas também a forma como o sistema de disparo é ajustado para procurar fenômenos específicos.

Avanços no sistema de gatilho e coleta de dados

“Já melhoramos a nossa capacidade de estimular múons deslocados”, diz Juliette Alemina, do experimento CMS. “Isso nos permite coletar muito mais eventos do que antes, usando múons deslocados do ponto de impacto por distâncias que variam de algumas centenas de micrômetros a vários metros. Graças a essas melhorias, se fótons escuros estiverem presentes, o CMS agora terá mais chances de encontrá-los .”

A execução do CMS foi crucial para esta pesquisa e foi particularmente otimizada entre as execuções 2 e 3 para a busca de moléculas estranhas de longa vida. Como resultado, a colaboração conseguiu utilizar o LHC de forma mais eficiente, obtendo um resultado robusto utilizando apenas um terço da quantidade de dados de pesquisas anteriores. Para fazer isso, a equipe do CMS melhorou o sistema operacional adicionando um novo algoritmo chamado algoritmo de múon não assinado. Esta melhoria significa que mesmo com apenas quatro a cinco meses de dados da Execução 3 em 2022, foi registado um número maior de eventos de deslocamento de múons do que no conjunto de dados muito maior de 2016-2018. A nova cobertura dos estímulos aumenta drasticamente as faixas de momento dos múons capturados, permitindo à equipe explorar novas regiões onde partículas de vida longa podem estar escondidas.

Planos futuros e exploração contínua

A equipa do CMS continuará a utilizar as técnicas mais poderosas para analisar todos os dados recolhidos nos restantes 3 anos de operações, com o objetivo de explorar ainda mais a física fora do Modelo Padrão.