Karanlık Fotonlar Egzotik, Uzun Ömürlü Parçacıklardır

CMS deneyi,  Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın 3. Çalıştırmasından elde edilen verileri kullanarak yeni fizik için ilk araştırmasını sundu. Yeni çalışma, dedektördeki Higgs bozonlarının bozunmasında "karanlık foton" üretiminin olasılığını inceliyor. Karanlık fotonlar egzotik, uzun ömürlü parçacıklardır: "uzun ömürlü" çünkü saniyenin milyarda birinin onda birinden daha uzun bir ortalama ömre sahipler - LHC'de üretilen parçacıklar açısından çok uzun bir ömür - ve "egzotik" çünkü parçacık fiziğinin Standart Modelinin parçası değiller. Standart Model, Evrenin temel yapı taşlarının önde gelen teorisidir, ancak birçok fizik sorusu cevapsız kalmıştır ve bu nedenle Standart Modelin ötesindeki olgulara yönelik araştırmalar devam etmektedir. CMS'nin yeni sonucu, Higgs bozonlarının karanlık fotonlara bozunmasına ilişkin parametreler üzerinde daha kısıtlı sınırlar tanımlayarak fizikçilerin bunları arayabileceği alanı daha da daraltıyor.

Teorik olarak karanlık fotonlar, "yer değiştiren müonlara" dönüşmeden önce CMS dedektöründe ölçülebilir bir mesafe kat edeceklerdir. Eğer bilim insanları bu müonların izlerini tekrar takip edecek olsalardı, bunların çarpışma noktasına kadar ulaşmadıklarını göreceklerdi çünkü izler, herhangi bir iz bırakmadan belli bir mesafe uzaklaşmış olan bir parçacıktan geliyor.

LHC'nin 3. çalışması Temmuz 2022'de başladı ve önceki LHC çalışmalarına göre daha yüksek bir anlık parlaklığa sahip; bu da araştırmacıların analiz edebileceği daha fazla çarpışmanın herhangi bir anda meydana geldiği anlamına geliyor. LHC her saniyede on milyonlarca çarpışma üretir, ancak her çarpışmanın kaydedilmesi mevcut tüm veri depolama alanını hızlı bir şekilde tüketeceğinden bunlardan yalnızca birkaç bini saklanabilir. Bu nedenle CMS, belirli bir çarpışmanın ilginç olup olmadığına karar veren, tetikleyici adı verilen gerçek zamanlı bir veri seçim algoritmasıyla donatılmıştır. Bu nedenle, karanlık fotonun kanıtlarını ortaya çıkarmaya yardımcı olabilecek yalnızca daha yüksek miktarda veri değil, aynı zamanda tetikleme sisteminin belirli olayları aramak için nasıl ince ayar yapıldığı da olabilir.

CMS deneyinden Juliette Alimena, "Yer değiştiren müonları tetikleme yeteneğimizi gerçekten geliştirdik" diyor. "Bu, çarpışma noktasından birkaç yüz mikrometreden birkaç metreye kadar uzaklaşan müonlarla eskisinden çok daha fazla olay toplamamıza olanak tanıyor. Bu iyileştirmeler sayesinde, eğer karanlık fotonlar varsa, CMS'nin bunları bulma olasılığı artık çok daha yüksek."

CMS tetikleme sistemi bu arama için çok önemliydi ve egzotik uzun ömürlü parçacıkları aramak için özellikle 2. ve 3. Çalışmalar arasında geliştirildi. Sonuç olarak, işbirliği LHC'yi daha verimli bir şekilde kullanabildi ve önceki aramalardaki veri miktarının yalnızca üçte birini kullanarak güçlü bir sonuç elde etti. Bunu yapmak için CMS ekibi, işaret etmeyen müon algoritması adı verilen yeni bir algoritma ekleyerek tetikleme sistemini geliştirdi. Bu gelişme, 2022'deki 3. Çalıştırma'dan yalnızca dört ila beş aylık verilerle bile, çok daha büyük olan 2016-18 Çalıştırma 2 veri setinden daha fazla yer değiştiren müon olayının kaydedildiği anlamına geliyordu. Tetikleyicilerin yeni kapsamı, toplanan müonların momentum aralıklarını büyük ölçüde artırarak ekibin uzun ömürlü parçacıkların saklanıyor olabileceği yeni bölgeleri keşfetmesine olanak tanıyor.

CMS ekibi, Standart Modelin ötesinde fiziği daha fazla keşfetmek amacıyla, Run 3 operasyonlarının geri kalan yıllarında alınan tüm verileri analiz etmek için en güçlü teknikleri kullanmaya devam edecek.

CERN