Mencari partikel perintis menggunakan Large Hadron Collider

Pencarian partikel eksotik berumur panjang ini menyelidiki kemungkinan terjadinya peristiwa “gelap”. Foton“Produksi, yang mungkin terjadi ketika Higgs boson meluruh menjadi muon yang dipindahkan di dalam detektor.

Eksperimen CMS memberikan pencarian pertama untuk fisika baru menggunakan data dari Run 3 dari Large Hadron Collider. Studi baru ini menyelidiki kemungkinan menghasilkan “foton gelap” dalam peluruhan boson Higgs di detektor. Foton gelap adalah partikel eksotik yang berumur panjang: “berumur panjang” karena masa hidup rata-ratanya lebih dari sepersepuluh miliar detik — masa hidup yang sangat lama untuk partikel yang dihasilkan di Large Hadron Collider — dan “aneh” karena mereka bukan bagian dari Model Standar fisika partikel. .

Model Standar adalah teori utama mengenai landasan dasar alam semesta, namun masih banyak pertanyaan fisika yang belum terjawab, sehingga pencarian fenomena di luar Model Standar terus berlanjut. Hasil CMS baru ini menetapkan batasan yang lebih ketat pada variabel peluruhan boson Higgs menjadi foton gelap, sehingga semakin mempersempit wilayah yang dapat dicari oleh fisikawan.

Teori foton gelap dan deteksi partikel

Secara teori, foton gelap akan menempuh jarak yang dapat diukur di detektor CMS sebelum membusuk menjadi “muon yang dipindahkan”. Jika para ilmuwan menelusuri jalur muon ini, mereka akan menemukan bahwa muon tersebut tidak mencapai titik tumbukan, karena jalur tersebut berasal dari partikel yang telah berpindah jarak tertentu, tanpa jejak apa pun.

Proses ketiga LHC dimulai pada bulan Juli 2022, dan memiliki luminositas sesaat yang lebih tinggi dibandingkan proses LHC sebelumnya, yang berarti ada lebih banyak tabrakan yang terjadi pada saat tertentu untuk dianalisis oleh para peneliti. LHC menghasilkan puluhan juta tabrakan setiap detik, namun hanya beberapa ribu di antaranya yang dapat disimpan, karena merekam setiap tabrakan akan dengan cepat menghabiskan seluruh ruang penyimpanan data yang tersedia. Itu sebabnya CMS dilengkapi dengan algoritma pemilihan data waktu nyata yang disebut pemicu, yang memutuskan apakah suatu tabrakan tertentu menarik atau tidak. Oleh karena itu, bukan hanya banyaknya data yang dapat membantu mengungkap bukti adanya foton gelap, tetapi juga cara sistem pemicu disetel untuk mencari fenomena tertentu.

Kemajuan dalam sistem pemicu dan pengumpulan data

“Kami telah meningkatkan kemampuan kami untuk menstimulasi muon yang dipindahkan,” kata Juliette Alemina dari eksperimen CMS. “Hal ini memungkinkan kami mengumpulkan lebih banyak peristiwa dibandingkan sebelumnya dengan menggunakan muon yang dipindahkan dari titik tumbukan dengan jarak mulai dari beberapa ratus mikrometer hingga beberapa meter. Berkat perbaikan ini, jika terdapat foton gelap, CMS kini lebih mungkin menemukannya .”

Proses CMS sangat penting untuk penelitian ini, dan secara khusus dioptimalkan antara proses 2 dan 3 untuk mencari molekul asing yang berumur panjang. Hasilnya, kolaborasi ini dapat menggunakan LHC secara lebih efisien, dan memperoleh hasil yang kuat hanya dengan menggunakan sepertiga jumlah data dari penelusuran sebelumnya. Untuk melakukan hal ini, tim CMS menyempurnakan sistem operasi dengan menambahkan algoritma baru yang disebut algoritma unsigned muon. Peningkatan ini berarti bahwa bahkan dengan hanya empat hingga lima bulan data dari Run 3 pada tahun 2022, jumlah peristiwa perpindahan muon yang tercatat lebih besar dibandingkan kumpulan data tahun 2016-2018 yang jauh lebih besar. Cakupan baru dari rangsangan tersebut secara dramatis meningkatkan rentang momentum muon yang ditangkap, sehingga memungkinkan tim untuk mengeksplorasi wilayah baru di mana partikel berumur panjang mungkin bersembunyi.

Rencana masa depan dan eksplorasi lanjutan

Tim CMS akan terus menggunakan teknik paling canggih untuk menganalisis semua data yang diambil dalam sisa 3 tahun operasi, dengan tujuan untuk mengeksplorasi lebih jauh fisika di luar Model Standar.