大型ハドロン衝突型加速器を用いた先駆的な粒子の探索

一対のミューオンに崩壊する 2 種類の長寿命粒子の図。トレーサーとミューオン検出器からのデータを使用して、ミューオン信号を長寿命粒子の崩壊点まで追跡する方法を示しています。 クレジット: CMS/CERN

この長寿命のエキゾチックな粒子の探索では、「暗黒」事象の可能性が調査されます。 光子「生成。ヒッグス粒子が崩壊して検出器内で置換されたミュー粒子になるときに発生する可能性があります。

CMS 実験では、大型ハドロン衝突型加速器の実験 3 からのデータを使用して、新しい物理学の最初の探索が行われました。 新しい研究では、検出器内でのヒッグス粒子の崩壊で「暗黒光子」が生成される可能性を調査している。 暗黒光子はエキゾチックで長寿命の粒子です。平均寿命が 10 億分の 1 秒を超えるため「長命」であり、大型ハドロン衝突型加速器で生成される粒子としては非常に長い寿命であるため、「奇妙な」のです。は素粒子物理学の標準モデルの一部ではありません。

標準模型は宇宙の基本的な構成要素に関する有力な理論ですが、物理的な疑問の多くは未解決のままであるため、標準模型の外側にある現象の探索は続けられています。 新しい CMS の結果は、ヒッグス粒子の暗黒光子への崩壊変数に対してより制限的な境界を設定し、物理学者が探索できる領域をさらに狭めます。

ダークフォトン理論と粒子検出

理論的には、暗い光子はCMS検出器内を測定可能な距離を移動し、その後「変位ミューオン」に崩壊します。 科学者がこれらのミュオンの経路を追跡すると、衝突点に到達していないことがわかります。経路は、すでにある程度の距離を移動した粒子から来ており、何の痕跡も残らないからです。

LHCの3回目の運転は2022年7月に始まり、これまでのLHCの運転よりも瞬間光度が高くなっており、研究者が分析すべき衝突が常に多く発生していることを意味する。 LHC は毎秒数千万の衝突を生成しますが、各衝突を記録すると利用可能なデータ ストレージ容量がすぐにすべて消費されてしまうため、保存できるのはそのうち数千件だけです。 そのため、CMS には、特定の衝突が興味深いかどうかを決定する、トリガーと呼ばれるリアルタイム データ選択アルゴリズムが搭載されています。 したがって、暗黒光子の証拠を明らかにするのに役立つのは、大量のデータだけではなく、特定の現象を検索するためにトリガー システムを調整する方法でもあります。

トリガーシステムとデータ収集の進歩

「私たちはすでに、移動したミュオンを刺激する能力を向上させています」と CMS 実験のジュリエット・アレミナは言います。 「これにより、衝突点から数百マイクロメートルから数メートルの範囲の距離だけ離れたミュオンを使用する以前よりもはるかに多くのイベントを収集できるようになりました。これらの改善のおかげで、暗い光子が存在する場合、CMS はそれらを見つける可能性が高くなりました。」 」

CMS の実行はこの研究にとって極めて重要であり、特に長寿命の外来分子を検索するために実行 2 と 3 の間で最適化されました。 その結果、コラボレーションでは LHC をより効率的に使用することができ、以前の検索のデータ量の 3 分の 1 のみを使用して堅牢な結果を得ることができました。 これを実現するために、CMS チームは、符号なしミューオン アルゴリズムと呼ばれる新しいアルゴリズムを追加してオペレーティング システムを改良しました。 この改善は、2022 年の実行 3 からのわずか 4 ～ 5 か月のデータであっても、はるかに大規模な 2016 ～ 2018 年のデータセットよりも多くのミュオン変位イベントが記録されたことを意味します。 刺激の新たな適用範囲により、捕捉されたミュオンの運動量範囲が劇的に増加し、チームは長寿命粒子が隠れている可能性のある新しい領域を探索できるようになります。

今後の計画と継続的な探査

CMS チームは、標準モデルの外側の物理学をさらに探求することを目的として、残り 3 年間の運用で取得されたすべてのデータを最も強力な技術を使用して分析し続けます。