Het CMS-experiment heeft zijn eerste zoektocht naar nieuwe natuurkunde gepresenteerd met behulp van gegevens uit Run 3 van de Large Hadron Collider. In de nieuwe studie wordt gekeken naar de mogelijkheid van de productie van "donkere fotonen" bij het verval van Higgs-bosonen in de detector.

Donkere fotonen zijn exotische deeltjes met een lange levensduur:‘Langlevend’ omdat ze een gemiddelde levensduur hebben van meer dan een tiende van een miljardste van een seconde – een zeer lange levensduur in termen van deeltjes geproduceerd in de LHC – en ‘exotisch’ omdat ze maken geen deel uit van het standaardmodel van de deeltjesfysica.

Het standaardmodel is de leidende theorie over de fundamentele bouwstenen van het universum, maar veel natuurkundige vragen blijven onbeantwoord, en dus gaan de zoektochten naar verschijnselen die verder gaan dan het standaardmodel door. Het nieuwe resultaat van CMS definieert strengere limieten voor de parameters van het verval van Higgs-bosonen tot donkere fotonen, waardoor het gebied waarin natuurkundigen ernaar kunnen zoeken verder wordt beperkt.

In theorie zouden donkere fotonen een meetbare afstand afleggen in de CMS-detector voordat ze vervallen in 'verplaatste muonen'. Als wetenschappers de sporen van deze muonen zouden nagaan, zouden ze ontdekken dat ze niet helemaal tot aan het botspunt reiken, omdat de sporen afkomstig zijn van een deeltje dat zich al een eind verder heeft verplaatst, zonder enig spoor.

Run 3 van de LHC begon in juli 2022 en heeft een hogere momentane helderheid dan eerdere LHC-runs, wat betekent dat er op elk moment meer botsingen plaatsvinden die onderzoekers kunnen analyseren. De LHC produceert elke seconde tientallen miljoenen botsingen, maar slechts een paar duizend daarvan kunnen worden opgeslagen, omdat het vastleggen van elke botsing snel alle beschikbare gegevensopslag zou opslokken.

Daarom is CMS uitgerust met een real-time dataselectie-algoritme, de trigger genaamd, dat beslist of een bepaalde botsing al dan niet interessant is. Daarom is het niet alleen een grotere hoeveelheid gegevens die zou kunnen helpen bewijsmateriaal voor het donkere foton te onthullen, maar ook de manier waarop het triggersysteem is afgestemd om naar specifieke verschijnselen te zoeken.

"We hebben ons vermogen om te triggeren op verplaatste muonen echt verbeterd", zegt Juliette Alimena van het CMS-experiment. “Hierdoor kunnen we veel meer gebeurtenissen verzamelen dan voorheen met muonen die zich vanaf het botspunt hebben verplaatst over afstanden van een paar honderd micrometer tot enkele meters. Dankzij deze verbeteringen is de kans veel groter dat CMS ze zal vinden als er donkere fotonen bestaan. ."

Het CMS-triggersysteem is cruciaal geweest voor deze zoektocht en werd vooral verfijnd tussen Runs 2 en 3 om te zoeken naar exotische langlevende deeltjes. Als gevolg hiervan heeft de samenwerking de LHC efficiënter kunnen gebruiken, waarbij een sterk resultaat werd behaald met slechts een derde van de hoeveelheid gegevens als bij eerdere zoekopdrachten.

Om dit te doen heeft het CMS-team het triggersysteem verfijnd door een nieuw algoritme toe te voegen, het zogenaamde non-pointing muon-algoritme. Deze verbetering betekende dat zelfs met slechts vier tot vijf maanden aan gegevens van Run 3 in 2022, er meer gebeurtenissen met verplaatste muonen werden geregistreerd dan in de veel grotere dataset van Run 2 van 2016-2018. De nieuwe dekking van de triggers vergroot het momentumbereik van de muonen die worden opgepikt enorm, waardoor het team nieuwe gebieden kan verkennen waar langlevende deeltjes zich mogelijk verbergen.

Het CMS-team zal de krachtigste technieken blijven gebruiken om alle gegevens te analyseren die zijn verzameld in de resterende jaren van Run 3-operaties, met als doel de natuurkunde verder te onderzoeken dan het standaardmodel.

Meer informatie: Zoek naar langlevende deeltjes die vervallen tot een paar muonen in pp-botsingen bij √s =13,6 TeV met gegevens uit 2022. cms-results.web.cern.ch/cms-re … XO-23-014/index.html

Geleverd door CERN