Sinds de jaren zestig hebben wetenschappers meer dan een dozijn fundamentele deeltjes ontdekt. Ze passen allemaal perfect in het theoretische raamwerk dat bekend staat als het Standaardmodel, de beste beschrijving die natuurkundigen hebben van de subatomaire wereld.

Het Higgsdeeltje, dat mede werd ontdekt door de CMS- en ATLAS-experimenten bij de Large Hadron Collider op CERN in 2012, was het laatste fundamentele deeltje dat werd voorspeld door het Standaardmodel.

Ondanks deze grote ontdekking hebben wetenschappers nog steeds veel vragen over de fundamentele bouwstenen van het universum. Onderzoekers weten dat het standaardmodel onvolledig is en veel fysische verschijnselen niet kan verklaren; donkere materie is daar een opmerkelijk voorbeeld van.

Wetenschappers over de hele wereld verleggen de grenzen van het standaardmodel en zijn op zoek naar nieuwe deeltjes die openstaande vragen over de innerlijke werking van het universum kunnen helpen verklaren.

"We zijn bezig met het vinden van nieuwe deeltjes", zegt Cristian Peña, voorzitter van de CMS-groep voor exotische deeltjes en wetenschapper bij het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. "Daar zijn we voor."

Peña en andere wetenschappers van Fermilab hebben onlangs samengewerkt met hun internationale collega's op het gebied van CMS om een ​​nieuwe tool te creëren waarmee ze kunnen zoeken naar deeltjes die een afstand van ongeveer 1 tot 10 meter kunnen afleggen voordat ze vervallen tot stabielere bijproducten.

Nu analyseren wetenschappers de nieuwe dataset die door deze tool wordt geproduceerd. Volgens Peña zullen ze óf nieuwe natuurkunde vinden, óf de strengste grenzen stellen aan de zoektocht naar deeltjes met een lange levensduur:een klasse van theoretische deeltjes die diep in de detector kunnen reizen voordat ze zichtbare signalen creëren.

"Onze dataset verdubbelt niet langer elke zes maanden zoals aan het begin van het programma", zegt Sergo Jindariani, senior wetenschapper bij Fermilab. "De plaatsen waar we nog snelle ontdekkingen kunnen doen, zijn plekken waar we nog niet eerder hebben gekeken, en langlevende deeltjes zijn daar een voorbeeld van."

Toen wetenschappers de experimenten voor de LHC bouwden, gingen ze ervan uit dat nieuwe deeltjes zich zouden gedragen zoals de deeltjes die ze in het verleden hadden ontdekt en zeer snel zouden vervallen. De top-quark, die in 1995 in Fermilab werd ontdekt, heeft bijvoorbeeld een levensduur van ongeveer 5×10 ⁻²⁵ seconden. Dit is zo kort dat top-quarks vervallen voordat ze de lengte van een waterstofatoom kunnen verplaatsen. Maar nu trekken steeds meer wetenschappers deze veronderstelling in twijfel.

"We hebben overal gezocht en tot nu toe is er niets gevonden", zei Peña. "We weten dat we het beter kunnen doen door de levensduur van de deeltjes te benutten."

Wetenschappers weten al dat deeltjes een breed scala aan levensduren hebben. Bottom-quarks kunnen bijvoorbeeld een paar millimeter reizen voordat ze vervallen, en muonen kunnen een paar honderd meter reizen. Tegenwoordig vragen wetenschappers zich af:wat als er nieuwe deeltjes zijn die daar ergens tussenin vallen?

Zelfs als deze langlevende deeltjes uiterst zeldzaam zijn, heeft CMS nog steeds een goede kans om ze te zien als ze door de LHC worden geproduceerd.

"Het CMS-muonsysteem bevat veel materiaal, dus als langlevende deeltjes in onze detector aan het vervallen zijn, zouden we een deeltjesregen in de muonkamers moeten zien", zegt Peña. "De handtekening is zeer krachtig."

Maar de vraag was of wetenschappers deze onverwachte deeltjesregens in hun gegevens kunnen vinden. De LHC produceert elke seconde ongeveer een miljard proton-protonbotsingen. Omdat meer dan 99,99% van de botsingen deeltjes en fysieke verschijnselen voortbrengen die oninteressant zijn, gebruiken wetenschappers gegevenssorterende apparaten die triggers worden genoemd. Triggers kiezen de bovenste 0,01% van de gebeurtenissen die moeten worden verwerkt en opgeslagen binnen het Worldwide LHC Computing Grid en negeren de rest.

"CMS is een uiterst succesvolle detector", zegt Jindariani. "Het doet echt de natuurkunde waarvoor het is ontworpen. Maar langlevende deeltjes waren niet iets wat mensen in gedachten hadden toen ze het CMS-triggersysteem ontwierpen."

Het team realiseerde zich dat als ze hun kansen op het vinden van langlevende deeltjes met het CMS-experiment wilden vergroten, ze de CMS-trigger zouden moeten updaten om te zoeken naar de opvallende en eigenaardige signatuur die deze deeltjes naar verwachting in de detector zullen achterlaten.

"Met een speciale trigger zagen we dat we een orde van grootte konden winnen in de gevoeligheid van deze zoekopdrachten", zei Jindariani.

Maar het updaten van de trigger is altijd een ingewikkelde onderneming. Het vereiste hulp en expertise van onderzoekers en ingenieurs tijdens de hele CMS-samenwerking. Jindariani wees erop dat het triggersysteem afhankelijk is van talloze datastromen uit verschillende delen van de detector. Deze datastromen werken als wegen in een stad en zorgen ervoor dat de gegevens van de buitenste delen van de detector naar het verwerkingscentrum in de binnenstad kunnen stromen, waar de gegevens worden verzameld en snel worden geëvalueerd door algoritmen. Het toevoegen van een nieuwe datastroom is als het toevoegen van een fietspad aan een toch al bruisend grootstedelijk gebied.

"Het zou naast andere triggers moeten bestaan", zei Jindariani. "Dat is een delicaat spel; we willen niet beschadigen wat al aanwezig is."

Na een uitgebreide analyse van de CMS-trigger en gesprekken met de samenwerking besefte het team dat dit mogelijk was, dankzij een paar ongebruikte stukjes die overbleven van het oorspronkelijke ontwerp. Maar toen kwam de uitdaging om hun nieuwe trigger daadwerkelijk te implementeren in de gegevensverwerking van het experiment.

"Toen iedereen eenmaal aan de slag was met de conceptuele implementatie, moesten we ingaan op de firmware en software", zei Jindariani.

Firmware biedt basismachine-instructies waarmee de hardware (in dit geval Field Programmable Gate Arrays) kan functioneren volgens het geprogrammeerde algoritme. FPGA's kunnen erg snel zijn, maar zijn vaak niet erg dynamisch.

"FPGA's hebben een beperkte hoeveelheid verwerkingskracht en de CMS-triggeralgoritmen verbruiken behoorlijk veel middelen", aldus Jindariani. "We moesten slim zijn om de mogelijkheden van de FPGA's niet te overweldigen."

Omdat de LHC elke 25 nanoseconden protonen laat botsen, moest hun nieuwe trigger ook snel zijn.

"We zitten vast in tijdsblokken", zei Jindariani. "Het algoritme moet binnen een paar honderd nanoseconden worden uitgevoerd. Als het langer duurt, is het niet goed genoeg. Dit werk was alleen mogelijk dankzij een sterk team van wetenschappers en ingenieurs die samenwerkten."

Zelfs nadat de uitdagingen op het gebied van resourcebeheer en timing waren opgelost, moest het team nog steeds een aantal onverwachte problemen oplossen. Tijdens de testfase zagen ze dat bij elke botsing de trekker werd geactiveerd. Na verdere analyse ontdekten ze dat dit kwam doordat de zender op een van de muonsystemen niet goed functioneerde.

"Dit was een probleem dat al eerder bestond, maar de andere triggers zagen het niet omdat ze er niet naar op zoek waren", zegt Jindariani.

Nadat alle problemen waren opgelost, evalueerde de trigger alle LHC-botsingen die tussen 2022 en 2023 binnen de CMS-detector plaatsvonden:ongeveer 10 ¹⁶ , oftewel 10 miljoen miljard, en verzamelde een dataset met ongeveer 10 ⁸ evenementen. Wetenschappers analyseren momenteel deze nieuwe dataset en hopen deze zomer hun eerste resultaten te ontvangen.

"Deze trigger is een van de grote innovaties binnen CMS", zegt Peña. "We zullen óf nieuwe deeltjes vinden, óf – als de natuur dat niet zo wil – strengere grenzen stellen aan langlevende deeltjes."

Geleverd door Fermi National Accelerator Laboratory