Abbildung von zwei Arten langlebiger Teilchen, die in ein Myonenpaar zerfallen. Sie zeigt, wie die Signale der Myonen anhand der Daten des Trackers und der Myonendetektoren bis zum Zerfallspunkt langlebiger Teilchen zurückverfolgt werden können. Bildnachweis: CMS/CERN
Diese Suche nach exotischen, langlebigen Teilchen befasst sich mit der Möglichkeit von „Dunkelheit“. Photon”-Produktion, die auftreten würde, wenn ein Higgs-Boson in im Detektor verdrängte Myonen zerfällt.
Das CMS-Experiment hat seine erste Suche nach neuer Physik anhand von Daten aus Lauf 3 des Large Hadron Collider vorgestellt. Die neue Studie untersucht die Möglichkeit der Produktion „dunkler Photonen“ beim Zerfall von Higgs-Bosonen im Detektor. Dunkle Photonen sind exotische, langlebige Teilchen: „langlebig“, weil sie eine durchschnittliche Lebensdauer von mehr als einem Zehntel einer Milliardstel Sekunde haben – eine sehr lange Lebensdauer im Vergleich zu im LHC produzierten Teilchen – und „exotisch“, weil Sie sind nicht Teil des Standardmodells der Teilchenphysik.
Das Standardmodell ist die führende Theorie der Grundbausteine des Universums, doch viele physikalische Fragen bleiben unbeantwortet, weshalb die Suche nach Phänomenen jenseits des Standardmodells fortgesetzt wird. Das neue Ergebnis von CMS definiert strengere Grenzen für die Parameter des Zerfalls von Higgs-Bosonen in dunkle Photonen und schränkt damit den Bereich, in dem Physiker nach ihnen suchen können, weiter ein.
Dunkle Photonentheorie und Teilchenerkennung
Theoretisch würden dunkle Photonen im CMS-Detektor eine messbare Distanz zurücklegen, bevor sie in „verdrängte Myonen“ zerfallen. Wenn Wissenschaftler die Spuren dieser Myonen zurückverfolgen würden, würden sie feststellen, dass sie nicht bis zum Kollisionspunkt reichen, da die Spuren von einem Teilchen stammen, das sich bereits weit weg bewegt hat, ohne jede Spur zu hinterlassen.
Lauf 3 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 Datenspeicher beanspruchen würde. Aus diesem Grund ist CMS mit einem Echtzeit-Datenauswahlalgorithmus namens Trigger ausgestattet, der entscheidet, ob eine bestimmte Kollision interessant ist oder nicht. Daher ist es nicht nur eine größere Datenmenge, die dabei helfen könnte, Hinweise auf das dunkle Photon zu finden, sondern auch die Art und Weise, wie das Auslösesystem fein abgestimmt ist, um nach bestimmten Phänomenen zu suchen.
Fortschritte im Triggersystem und in der Datenerfassung
„Wir haben unsere Fähigkeit, auf verschobene Myonen zu reagieren, wirklich verbessert“, sagt Juliette Alimena vom CMS-Experiment. „Dadurch können wir viel mehr Ereignisse als bisher mit Myonen sammeln, die um Distanzen von einigen hundert Mikrometern bis zu mehreren Metern vom Kollisionspunkt entfernt sind.“ Dank dieser Verbesserungen ist es jetzt viel wahrscheinlicher, dass CMS dunkle Photonen findet, wenn sie existieren.“
Das CMS-Triggersystem war für diese Suche von entscheidender Bedeutung und wurde zwischen den Durchläufen 2 und 3 besonders verfeinert, um nach exotischen, langlebigen Partikeln zu suchen. Dadurch konnte die Zusammenarbeit den LHC effizienter nutzen und mit nur einem Drittel der Datenmenge früherer Suchvorgänge ein aussagekräftiges Ergebnis erzielen. Zu diesem Zweck verfeinerte das CMS-Team das Triggersystem, indem es einen neuen Algorithmus namens „Non-Pointing-Myon-Algorithmus“ hinzufügte. Diese Verbesserung bedeutete, dass selbst mit nur vier bis fünf Monaten Daten aus Lauf 3 im Jahr 2022 mehr Ereignisse mit verschobenen Myonen aufgezeichnet wurden als im viel größeren Datensatz von Lauf 2 2016–18. Die neue Abdeckung der Auslöser vergrößert die Impulsbereiche der aufgenommenen Myonen erheblich 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 Betriebsjahren von Lauf 3 erfassten Daten zu analysieren, mit dem Ziel, die Physik über das Standardmodell hinaus weiter zu erforschen.