À la recherche de particules pionnières à l’aide du Large Hadron Collider

Illustration de deux types de particules à vie longue se désintégrant en une paire de muons, montrant comment les signaux des muons peuvent être retracés jusqu'au point de désintégration des particules à vie longue à l'aide des données des traceurs et des détecteurs de muons. Crédit : CMS/CERN

Cette recherche de particules exotiques à longue durée de vie étudie la possibilité d’un événement « sombre ». Photon« Production, qui peut se produire lorsque le boson de Higgs se désintègre en muons déplacés dans le détecteur.

L'expérience CMS a fourni sa première recherche de nouvelle physique à l'aide des données de la troisième période d'exploitation du Grand collisionneur de hadrons. La nouvelle étude étudie la possibilité de produire un « photon sombre » lors de la désintégration des bosons de Higgs dans le détecteur. Les photons sombres sont des particules exotiques à longue durée de vie : « longue durée de vie » parce que leur durée de vie moyenne est supérieure à un dixième de milliardième de seconde – une durée de vie extrêmement longue pour les particules produites au Grand collisionneur de hadrons – et « étranges » parce qu'ils ne font pas partie du modèle standard de la physique des particules.

Le modèle standard est la théorie principale des éléments de base de l'univers, mais de nombreuses questions physiques restent sans réponse et la recherche de phénomènes extérieurs au modèle standard se poursuit. Le nouveau résultat de CMS fixe des limites plus restrictives aux variables de désintégration des bosons de Higgs en photons sombres, réduisant ainsi davantage la zone dans laquelle les physiciens peuvent effectuer des recherches.

Théorie des photons sombres et détection de particules

En théorie, les photons sombres parcourraient une distance mesurable dans le détecteur CMS avant de se désintégrer en « muons déplacés ». Si les scientifiques retracent les trajectoires de ces muons, ils constateront qu’ils n’atteignent pas le point d’impact, car les trajectoires proviennent d’une particule qui s’est déjà déplacée sur une certaine distance, sans aucune trace.

La troisième exploitation du LHC a débuté en juillet 2022 et sa luminosité instantanée est plus élevée que les précédentes exploitations du LHC, ce qui signifie qu'il y a davantage de collisions qui se produisent à un moment donné et que les chercheurs peuvent analyser. Le LHC produit des dizaines de millions de collisions chaque seconde, mais seuls quelques milliers d’entre elles peuvent être stockées, car l’enregistrement de chaque collision consommerait rapidement tout l’espace de stockage de données disponible. C'est pourquoi le CMS est équipé d'un algorithme de sélection de données en temps réel appelé déclencheur, qui décide si une collision particulière est intéressante ou non. Par conséquent, ce n’est pas seulement le grand volume de données qui peut aider à découvrir des preuves de l’existence du photon noir, mais également la manière dont le système de déclenchement est réglé pour rechercher des phénomènes spécifiques.

Avancées dans le système de déclenchement et la collecte de données

«Nous avons déjà amélioré notre capacité à stimuler les muons déplacés», explique Juliette Alemina de l'expérience CMS. « Cela nous permet de collecter beaucoup plus d'événements qu'auparavant en utilisant des muons déplacés du point d'impact sur des distances allant de quelques centaines de micromètres à plusieurs mètres. Grâce à ces améliorations, si des photons sombres sont présents, CMS a désormais plus de chances de les trouver. .»

L’analyse CMS a été cruciale pour cette recherche et a été particulièrement optimisée entre les analyses 2 et 3 pour la recherche de molécules étrangères à longue durée de vie. En conséquence, la collaboration a pu utiliser le LHC plus efficacement, obtenant un résultat robuste en utilisant seulement un tiers de la quantité de données issues des recherches précédentes. Pour ce faire, l’équipe CMS a amélioré le système d’exploitation en ajoutant un nouvel algorithme appelé algorithme muon non signé. Cette amélioration signifie que même avec seulement quatre à cinq mois de données de la troisième période d’exploitation en 2022, un plus grand nombre d’événements de déplacement de muons ont été enregistrés que dans l’ensemble de données beaucoup plus vaste de 2016-2018. La nouvelle couverture des stimuli augmente considérablement les plages de quantité de mouvement des muons capturés, permettant à l'équipe d'explorer de nouvelles régions où des particules à vie longue pourraient se cacher.

Projets futurs et exploration continue

L'équipe CMS continuera à utiliser les techniques les plus puissantes pour analyser toutes les données recueillies au cours des trois années d'exploitation restantes, dans le but d'explorer davantage la physique en dehors du modèle standard.