|
Поиск новых частиц на БАК расширяют
|
|
|
|
С 1960-х годов ученые открыли более десятка фундаментальных частиц. Все они идеально вписываются в теоретическую структуру, известную как Стандартная модель, лучшее описание субатомного мира, которое имеют физики. Бозон Хиггса, который был открыт совместно экспериментами CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН в 2012 году, был последней фундаментальной частицей, предсказанной Стандартной моделью. Несмотря на это важное открытие, у ученых все еще остается много вопросов о фундаментальных строительных блоках Вселенной. Исследователи знают, что Стандартная модель неполна и не может объяснить многие физические явления, ярким примером которых является темная материя. Ученые всего мира раздвигают границы стандартной модели и ищут новые частицы, которые могут помочь объяснить нерешенные вопросы внутреннего устройства Вселенной. «Мы занимаемся поиском новых частиц», — сказал Кристиан Пенья, руководитель группы экзотических частиц CMS и ученый Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США. «Вот для чего мы здесь».
|
|
|
|
Пенья и другие ученые из Фермилаб недавно сотрудничали со своими международными коллегами по CMS, чтобы создать новый инструмент, который позволит им искать частицы, которые могут путешествовать на расстояние от 1 до 10 метров, прежде чем распадаться на более стабильные побочные продукты. Сейчас ученые анализируют новый набор данных, полученный с помощью этого инструмента. По словам Пенья, они либо найдут новую физику, либо установят самые строгие ограничения в поиске долгоживущих частиц: класса теоретических частиц, которые могут путешествовать глубоко в детектор, прежде чем создавать видимые сигналы. «Наш набор данных больше не удваивается каждые шесть месяцев, как это было в самом начале программы», — говорит Серго Джиндариани, старший научный сотрудник Fermilab. «Места, где мы еще могли бы сделать быстрые открытия, — это места, куда мы раньше не заглядывали, и долгоживущие частицы являются примером этого».
|
|
|
Когда ученые строили эксперименты для БАКа, они предполагали, что новые частицы будут вести себя так же, как те, которые они открыли в прошлом, и очень быстро распадаться. Например, топ-кварк, открытый в Фермилабе в 1995 году, имеет время жизни примерно 5*10^–25 секунд. Это настолько короткое время, что топ-кварки распадаются прежде, чем успевают переместиться на длину атома водорода. Но сейчас все больше ученых ставят под сомнение это предположение. «Мы осмотрели все места и пока ничего не нашли», — сказал Пенья. «Мы знаем, что можем добиться большего, используя время жизни частиц». Ученые уже знают, что частицы имеют широкий диапазон времени жизни. Например, нижние кварки могут пройти несколько миллиметров, прежде чем распадутся, а мюоны могут пройти несколько сотен метров. Сегодня ученые задаются вопросом: а что, если где-то посередине появятся новые частицы? Даже если эти долгоживущие частицы крайне редки, у CMS все равно будет хороший шанс увидеть их, если они производятся БАКом.
|
|
|
|
«Мюонная система CMS содержит много материала, поэтому, если долгоживущие частицы распадаются внутри нашего детектора, мы должны увидеть поток частиц в мюонных камерах», — сказал Пенья. «Подпись очень мощная». Но вопрос заключался в том, смогут ли ученые обнаружить эти неожиданные потоки частиц, скрывающиеся в их данных. БАК производит около миллиарда протон-протонных столкновений каждую секунду. Поскольку более 99,99% столкновений порождают неинтересные частицы и физические явления, ученые используют устройства сортировки данных, называемые триггерами. Триггеры выбирают верхние 0,01% событий, которые будут обработаны и сохранены во всемирной вычислительной сети LHC, а остальные отбрасываются. «CMS — чрезвычайно успешный детектор», — сказал Джиндариани. «Он действительно соответствует физике, для которой был разработан. Но долгоживущие частицы не были чем-то, что люди имели в виду, когда разрабатывали триггерную систему CMS».
|
|
|
|
Команда поняла, что если они хотят повысить свои шансы на обнаружение долгоживущих частиц с помощью эксперимента CMS, им необходимо обновить триггер CMS, чтобы искать поразительные и своеобразные сигнатуры, которые эти частицы, как ожидается, оставят в детекторе. «Благодаря специальному триггеру мы увидели, что можем на порядок повысить чувствительность этих поисков», — сказал Джиндариани. Но обновление триггера всегда является сложной задачей. На протяжении всего сотрудничества с CMS требовалась помощь и опыт исследователей и инженеров. Джиндариани отметил, что система запуска опирается на многочисленные потоки данных из разных частей детектора. Эти потоки данных работают как дороги в городе и позволяют данным течь из самых отдаленных частей детектора в центр обработки «центра города», где данные компилируются и быстро оцениваются алгоритмами. Добавление нового потока данных похоже на добавление велосипедной дорожки в и без того оживленный мегаполис. «Это должно будет сосуществовать с другими триггерами», — сказал Джиндариани. «Это деликатная игра; мы не хотим повредить то, что уже есть».
|
|
|
|
После тщательного анализа триггера CMS и обсуждений с коллегами команда поняла, что это возможно благодаря нескольким неиспользованным фрагментам, оставшимся от первоначального дизайна. Но затем возникла проблема фактического внедрения нового триггера в обработку данных эксперимента. «Как только все были готовы к концептуальной реализации, нам нужно было заняться прошивкой и программным обеспечением», — сказал Джиндариани. Прошивка предоставляет базовые машинные инструкции, которые позволяют аппаратному обеспечению — в данном случае программируемым пользователем вентильным матрицам — работать в соответствии с запрограммированным алгоритмом. FPGA могут быть очень быстрыми, но часто не очень динамичными. «FPGA имеют ограниченную вычислительную мощность, а триггерные алгоритмы CMS очень требовательны к ресурсам», — сказал Джиндариани. «Нам нужно было проявить смекалку, чтобы не перегрузить возможности FPGA». Поскольку БАК заставляет протоны сталкиваться каждые 25 наносекунд, их новый триггер также должен был быть быстрым.
|
|
|
|
«Мы привязаны к временным интервалам», — сказал Джиндариани. «Алгоритм должен быть выполнен за несколько сотен наносекунд. Если это займет больше времени, то он недостаточно хорош. Эта работа стала возможной только благодаря совместной работе сильной команды ученых и инженеров». Даже после того, как проблемы управления ресурсами и сроками были решены, команде все равно пришлось устранять несколько неожиданных проблем. На этапе тестирования они увидели, что триггер активируется при каждом столкновении. После дальнейшего анализа они обнаружили, что это произошло из-за неисправности передатчика одной из мюонных систем. «Эта проблема существовала и раньше, но другие триггеры ее не видели, потому что не искали ее», — говорит Джиндариани. После того, как все сбои были устранены, триггер оценил все столкновения БАКа, произошедшие в детекторе CMS в период с 2022 по 2023 год (около 10^16, или 10 миллионов миллиардов), и собрал набор данных, содержащий около 10^8 событий. Ученые в настоящее время анализируют этот новый набор данных и надеются получить первые результаты этим летом. «Этот триггер — одно из самых больших нововведений в CMS», — говорит Пенья. «Мы либо найдем новые частицы, либо — если природа этого не хочет — установим более строгие ограничения на долгоживущие частицы».
|
|
|
|
Источник
|
