С 1960-х годов ученые открыли более десятка фундаментальных частиц. Все эти частицы идеально вписываются в теоретические рамки, известные как Стандартная модель. Бозон Хиггса, который был совместно обнаружен экспериментами CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе в 2012 году, стал последней зарегистрированной фундаментальной частицей, предсказанной Стандартной моделью. Несмотря на это важнейшее открытие, у ученых все еще остается много вопросов о фундаментальных составляющих Вселенной. Известно, что Стандартная модель неполна и не может объяснить многие физические явления, например, темную материю. Ученые всего мира расширяют границы Стандартной модели и ищут новые частицы, которые смогут помочь объяснить нерешенные вопросы о внутреннем устройстве Вселенной.

Недавно ученые из Фермилаба совместно со своими зарубежными коллегами из CMS разработали новый метод обнаружения частиц с пробегами от одного до десяти метров до распада на более стабильные частицы. Сейчас ученые анализируют новый набор данных, полученных с помощью этого метода.

Когда ученые планировали эксперименты для LHC, они предполагали, что новые частицы будут вести подобно уже открытым, т.е. очень быстро распадаться. Например, время жизни топ-кварка, открытого в Фермилабе в 1995 году, составляет примерно секунд. Это настолько мало, что топ-кварки распадаются, не успев переместиться на длину атома водорода. Но теперь все больше ученых ставят под сомнение указанное выше предположение.

Известно, что время жизни частиц варьируется в широком диапазоне. Например, нижние кварки могут пролететь несколько миллиметров, прежде чем распадутся, а мюоны - несколько сотен метров. Сегодня ученые задаются вопросом: а что, если существуют новые частицы, время жизни которых попадает в промежуточный интервал? Даже если эти долгоживущие частицы встречаются крайне редко, у CMS все равно будут хорошие шансы их зарегистрировать.

"В мюонной системе CMS много материала. Если долгоживущие частицы распадаются внутри нашего детектора, мы должны увидеть ливень частиц в мюонных камерах", - сообщила Кристиан Пенья, руководитель группы экзотических частиц CMS и ученый из Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми Министерства энергетики США.

Но вопрос в том, смогут ли ученые найти эти ливни частиц, скрывающиеся в полученных данных. На LHC каждую секунду происходит около миллиарда протон-протонных столкновений. Поскольку более % столкновений порождают частицы и физические явления, которые не представляют интереса, ученые используют устройства для сортировки данных, называемые триггерами (triggers). Триггеры отбирают % событий для обработки и хранения во всемирной вычислительной сети LHC, а остальные отбрасывают.

Команда поняла, что если они хотят повысить свои шансы на обнаружение долгоживущих частиц с помощью эксперимента CMS, им нужно будет обновить триггер CMS. Но обновление триггера - всегда сложная задача, поскольку триггерная система опирается на многочисленные потоки данных из разных частей детектора. Для решения этой задачи потребовалась помощь и опыт исследователей и инженеров из всей коллаборации CMS.

После решения ряда проблем по непосредственному внедрению нового триггера, наладке функционирования программного обеспечения и повышения его временных характеристик, была проведена оценка всех столкновений на LHC, произошедших в детекторе CMS в период с 2022 по 2023 год - около , или 10 миллионов миллиардов - и собран набор данных, содержащий около событий. В настоящее время ученые анализируют этот новый набор данных и надеются получить первые результаты уже этим летом.

"Этот триггер - одна из главных инноваций в CMS", - говорит Пенья. "Мы либо найдем новые частицы, либо - если природа этого не захочет - установим более строгие ограничения на долгоживущие частицы".