_ Oamenii de știință extind căutarea de noi particule la Large Hadron Collider

Din anii 1960, oamenii de știință au descoperit mai mult de o duzină de particule fundamentale. Toate s-au încadrat perfect în cadrul teoretic cunoscut sub numele de Modelul Standard, cea mai bună descriere pe care o au fizicienii a lumii subatomice.

Bosonul Higgs, care a fost co-descoperit de experimentele CMS și ATLAS de la Large Hadron Collider la CERN în 2012, a fost ultima particulă fundamentală prezisă de Modelul standard.

În ciuda acestei descoperiri majore, oamenii de știință au încă multe întrebări despre elementele fundamentale ale universului. Cercetătorii știu că modelul standard este incomplet și nu poate explica multe fenomene fizice - materia întunecată fiind un exemplu notabil.

Oamenii de știință din întreaga lume depășesc limitele modelului standard și caută noi particule care să ajute la explicarea remarcabilelor. întrebări despre funcționarea interioară a universului.

„Suntem în afacerea de a găsi noi particule”, a spus Cristian Peña, convocatorul grupului de particule exotice CMS și om de știință la Fermi al Departamentului Energiei din SUA. Laboratorul Național de Accelerator. „Pentru asta suntem aici.”

Peña și alți oameni de știință de la Fermilab au colaborat recent cu colegii lor internaționali la CMS pentru a crea un nou instrument care le permite să caute particule care pot călători între 1 și 1. 10 metri înainte de a se degrada în produse secundare mai stabile.

Acum, oamenii de știință analizează noul set de date produs de acest instrument. Potrivit lui Peña, fie vor găsi o nouă fizică, fie vor stabili limitele cele mai stricte în căutarea particulelor cu viață lungă: o clasă de particule teoretice care pot călători adânc în detector înainte de a crea semnale vizibile.

„Setul nostru de date nu se mai dublează la fiecare șase luni, așa cum a făcut chiar la începutul programului”, spune Sergo Jindariani, om de știință la Fermilab. „Locurile în care încă am putea face descoperiri rapide sunt acolo unde nu am căutat până acum, iar particulele cu viață lungă sunt un exemplu în acest sens.”

Când oamenii de știință au construit experimentele pentru LHC, au presupus că particulele noi s-ar comporta ca cele pe care le-au descoperit în trecut și s-ar descompune foarte repede. De exemplu, cuarcul de top, care a fost descoperit la Fermilab în 1995, are o durată de viață de aproximativ 5×10−25 de secunde. Acesta este atât de scurt încât quarcii de top se descompun înainte de a putea muta lungimea unui atom de hidrogen. Dar acum din ce în ce mai mulți oameni de știință pun la îndoială această presupunere.

„Ne-am uitat peste tot și am ajuns până acum goale”, a spus Peña. „Știm că putem face mai bine utilizând durata de viață a particulelor.”

Oamenii de știință știu deja că particulele au o gamă largă de durate de viață. De exemplu, quarcii de fund pot călători cu câțiva milimetri înainte de a se descompune, iar muonii pot călători câteva sute de metri. Astăzi, oamenii de știință se întreabă, ce se întâmplă dacă există particule noi care se încadrează undeva la mijloc?

Chiar dacă aceste particule cu viață lungă sunt extrem de rare, CMS va avea totuși o șansă bună de a le vedea dacă sunt fiind produs de LHC.

„Sistemul de muoni CMS are o mulțime de material, așa că dacă particulele cu viață lungă se descompun în interiorul detectorului nostru, ar trebui să vedem un ploaie de particule în camerele muonice”, a spus Peña. . „Semnătura este foarte puternică.”

Dar întrebarea a fost dacă oamenii de știință pot găsi aceste ploaie neașteptate de particule ascunse în datele lor. LHC produce aproximativ un miliard de ciocniri proton-proton în fiecare secundă. Deoarece peste 99,99% dintre coliziuni generează particule și fenomene fizice neinteresante, oamenii de știință folosesc dispozitive de sortare a datelor numite declanșatoare. Declanșatorii aleg primele 0,01% dintre evenimente pentru a fi procesate și stocate în Worldwide LHC Computing Grid și le aruncă pe restul.

„CMS este un detector extrem de reușit”, a spus Jindariani. „Într-adevăr realizează fizica pentru care a fost conceput. Dar particulele cu viață lungă nu erau ceva ce oamenii aveau în minte atunci când proiectau sistemul de declanșare CMS.”

Echipa și-a dat seama că dacă ar dori să se îmbunătățească șansele lor de a găsi particule cu viață lungă cu experimentul CMS, ei ar trebui să actualizeze declanșatorul CMS pentru a căuta semnătura izbitoare și deosebită pe care se așteaptă să o lase în urmă aceste particule în detector.

„Cu un declanșator dedicat, am văzut că am putea câștiga un ordin de mărime în sensibilitatea acestor căutări”, a spus Jindariani.

Dar actualizarea declanșatorului este întotdeauna un efort complicat. A necesitat ajutor și expertiză din partea cercetătorilor și inginerilor pe parcursul colaborării CMS. Jindariani a subliniat că sistemul de declanșare se bazează pe numeroase fluxuri de date din diferite părți ale detectorului. Aceste fluxuri de date funcționează ca drumurile dintr-un oraș și permit datelor să curgă din partea exterioară a detectorului în centrul de procesare „din centrul orașului”, unde datele sunt compilate și evaluate rapid de algoritmi. Adăugarea unui nou flux de date este ca și cum ați adăuga o pistă pentru biciclete într-o zonă metropolitană deja plină de viață.

„Ar trebui să coexiste cu alți factori declanșatori”, a spus Jindariani. „Este o piesă delicată; nu vrem să stricăm ceea ce este deja în vigoare.”

După o analiză amplă a declanșatorului CMS și discuții cu colaborarea, echipa și-a dat seama că este posibil, datorită câtorva bucăți neutilizate rămase din designul original. Dar apoi a venit provocarea de a implementa efectiv noul lor declanșator în procesarea datelor din experiment.

„Odată ce toată lumea a fost la bord cu implementarea conceptuală, trebuia să intrăm în firmware și software”, a spus Jindariani.

Firmware-ul furnizează instrucțiuni de bază ale mașinii care permit hardware-ului — în acest caz, Field Programmable Gate Arrays — să funcționeze conform algoritmului programat. FPGA-urile pot fi foarte rapide, dar adesea nu sunt foarte dinamice.

„FPGA-urile au o putere de procesare limitată, iar algoritmii de declanșare CMS sunt destul de amanați de resurse”, a spus Jindariani. „Trebuia să fim deștepți pentru a nu copleși capacitățile FPGA.”

Deoarece LHC face ca protonii să se ciocnească la fiecare 25 de nanosecunde, noul lor declanșator a trebuit să fie, de asemenea, rapid.

„Suntem blocați în intervale de timp”, a spus Jindariani. „Algoritmul trebuie executat în câteva sute de nanosecunde. Dacă durează mai mult, nu este suficient de bun. Această lucrare a fost posibilă doar printr-o echipă puternică de oameni de știință și ingineri care lucrează împreună.”

Chiar și după provocările legate de gestionarea resurselor și de sincronizare au fost rezolvate, echipa a fost încă nevoită să rezolve câteva sughițuri neașteptate. În timpul fazei de testare, au văzut că declanșatorul a fost activat în timpul fiecărei coliziuni. După analize suplimentare, au descoperit că acest lucru se datorează faptului că transmițătorul de pe unul dintre sistemele cu muoni funcționa defectuos.

„Aceasta a fost o problemă care a existat înainte, dar ceilalți declanșatori nu au văzut-o pentru că au fost” nu-l caut", spune Jindariani.

Odată ce toate problemele au fost rezolvate, declanșatorul a evaluat toate coliziunile LHC care au avut loc în detectorul CMS între 2022 și 2023 - aproximativ 1016, sau 10 milioane de miliarde - și a colectat un set de date cu aproximativ 108 evenimente. Oamenii de știință analizează în prezent acest nou set de date și speră să obțină primele rezultate în această vară.

„Acest declanșator este una dintre marile inovații din cadrul CMS”, spune Peña. „Fie vom găsi particule noi, fie – dacă natura nu dorește acest lucru – vom stabili limite mai stricte pentru particulele cu viață lungă.”

(Fluierul)