La collaborazione tra il CMS e il CERN presenta la sua ultima ricerca di nuove particelle esotiche

Illustrazione di due tipi di particelle a vita lunga che decadono in una coppia di muoni, che mostra come i segnali dei muoni possono essere fatti risalire al punto di decadimento delle particelle a vita lunga utilizzando i dati del tracker e dei rilevatori di muoni. (Immagine: CMS/CERN)

Questa ricerca di particelle esotiche a vita lunga esamina la possibilità della produzione di “fotoni oscuri”, che si verificherebbero quando un bosone di Higgs decade in muoni spostati nel rivelatore

CERN: Press Releases

L'esperimento CMS ha presentato la sua prima ricerca di una nuova fisica utilizzando i dati della fase 3 del Large Hadron Collider. Il nuovo studio esamina la possibilità della produzione di “fotoni oscuri” nel decadimento dei bosoni di Higgs nel rivelatore. I fotoni oscuri sono particelle esotiche dalla vita lunga: “longeve” perché hanno una vita media di oltre un decimo di miliardesimo di secondo – una vita molto lunga in termini di particelle prodotte nell’LHC – ed “esotici” perché non fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle. Il Modello Standard è la teoria principale degli elementi costitutivi fondamentali dell’Universo, ma molte domande di fisica rimangono senza risposta, quindi continuano le ricerche di fenomeni oltre il Modello Standard. Il nuovo risultato del CMS definisce limiti più vincolati sui parametri del decadimento dei bosoni di Higgs in fotoni oscuri, restringendo ulteriormente l’area in cui i fisici possono cercarli.

In teoria, i fotoni oscuri percorrerebbero una distanza misurabile nel rivelatore CMS prima di decadere in “muoni spostati”. Se gli scienziati dovessero ripercorrere le tracce di questi muoni, scoprirebbero che non arrivano fino al punto di collisione, perché le tracce provengono da una particella che si è già spostata ad una certa distanza, senza alcuna traccia.

L'esperimento 3 dell'LHC è iniziato nel luglio 2022 e ha una luminosità istantanea più elevata rispetto alle precedenti operazioni dell'LHC, il che significa che si verificano più collisioni in qualsiasi momento, che i ricercatori possono analizzare. L'LHC produce decine di milioni di collisioni ogni secondo, ma solo poche migliaia di esse possono essere memorizzate, poiché registrare ogni collisione consumerebbe rapidamente tutta la memoria di dati disponibile. Per questo motivo il CMS è dotato di un algoritmo di selezione dei dati in tempo reale chiamato trigger, che decide se una determinata collisione è interessante o meno. Pertanto, non è solo un volume maggiore di dati che potrebbe aiutare a rivelare la prova del fotone oscuro, ma anche il modo in cui il sistema di attivazione è messo a punto per cercare fenomeni specifici.

"Abbiamo davvero migliorato la nostra capacità di innescarci sui muoni spostati", afferma Juliette Alimena dell'esperimento CMS. “Questo ci permette di raccogliere molti più eventi di prima con i muoni che vengono spostati dal punto di collisione a distanze da poche centinaia di micrometri a diversi metri. Grazie a questi miglioramenti, se esistono fotoni oscuri, CMS ora ha molte più probabilità di trovarli”.

Il sistema di trigger del CMS è stato cruciale per questa ricerca ed è stato perfezionato in particolare tra le prove 2 e 3 per cercare particelle esotiche a vita lunga. Di conseguenza, la collaborazione è stata in grado di utilizzare l'LHC in modo più efficiente, ottenendo ottimi risultati utilizzando solo un terzo della quantità di dati delle ricerche precedenti. Per fare ciò, il team del CMS ha perfezionato il sistema di trigger aggiungendo un nuovo algoritmo chiamato “algoritmo per muoni non puntanti”. Questo miglioramento ha fatto sì che anche con solo quattro o cinque mesi di dati della Fase 3 nel 2022, sono stati registrati più eventi di muoni spostati rispetto al set di dati molto più ampio della Fase 2 del 2016-2018. La nuova copertura dei trigger aumenta notevolmente la gamma di quantità di moto dei muoni che vengono captati, consentendo al team di esplorare nuove regioni in cui potrebbero nascondersi particelle a vita lunga.

Il team del CMS continuerà a utilizzare le tecniche più potenti per analizzare tutti i dati raccolti nei restanti anni di operazioni della Run 3, con l'obiettivo di esplorare ulteriormente la fisica oltre il Modello Standard.

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